一、引言

在机械设计课程中，减速器是一种常见的传动装置，用于降低驱动装置的输出速度并增加扭矩，本设计项目的目的是设计一个展开式二级圆柱齿轮减速器，以满足特定的工业应用需求，本文将详细介绍该减速器的设计方案，包括设计背景、要求、总体设计、详细设计和结论等部分。

二、设计背景和要求

随着现代工业的发展，对机械设备的精度和效率要求越来越高，减速器作为一种重要的传动装置，广泛应用于各种机械设备中，如输送设备、搅拌设备、起重设备等，本次设计的展开式二级圆柱齿轮减速器，旨在提供一种高效、稳定且易于维护的传动解决方案。

设计任务和目标

设计任务：设计一个展开式二级圆柱齿轮减速器，输入转速为1470转/分钟，传动比为15.36—27.38，输出转速为54转/分钟，额定功率为5.5千瓦。

设计目标：确保减速器的结构合理、性能可靠、制造成本低，并具有良好的散热性能和维护便捷性。

技术参数和要求

输入转速：1470转/分钟

输出转速：54转/分钟

传动比：15.36—27.38

额定功率：5.5千瓦

工作制：连续工作制

环境温度：-10℃到40℃

润滑方式：飞溅润滑

三、传动装置的总体设计

电动机的选择

根据设计要求，选择一台额定功率为5.5千瓦、同步转速为1500转/分钟的三相异步电动机作为动力源，该电动机具有效率高、噪音低、运行稳定等优点，能够满足减速器的输入要求。

齿轮材料和热处理

为了提高齿轮的强度和耐磨性，选用优质合金钢作为齿轮材料，并进行渗碳淬火处理，可以采用20CrMnMo钢材，经过渗碳淬火后，齿面硬度可达HRC58—62，心部硬度为HRC30—35，从而确保齿轮具有良好的综合机械性能。

齿轮精度等级和齿面粗糙度

根据传动精度的要求，选定齿轮精度等级为8级，齿面的粗糙度应控制在Ra0.8μm以下，以确保齿轮传动的平稳性和噪音控制。

传动比分配和几何参数计算

a. 总传动比的确定

根据设计任务书中的要求，总传动比i = 27.38，考虑到两级齿轮传动的效率和结构紧凑性，初步设定高速级传动比i1 = 2.38，低速级传动比i2 = 11.09。

b. 各级传动比的计算

高速级传动比：

\[ i_1 = \frac{Z_2}{Z_1} \]

Z1为小齿轮齿数，Z2为大齿轮齿数，假设Z1 = 20，则Z2 = 48。

低速级传动比：

\[ i_2 = \frac{Z_4}{Z_3} \]

Z3为小齿轮齿数，Z4为大齿轮齿数，假设Z3 = 24，则Z4 = 264。

c. 几何参数计算

模数m的确定：根据齿轮承载能力和结构尺寸的要求，选取模数m = 2mm，齿顶高系数ha* = 1，齿根高系数hf* = 1.25，齿距p = πm = 6.2832mm。

分度圆直径d的计算：

\[ d_1 = m \cdot Z_1 = 2 \cdot 20 = 40mm \]

\[ d_2 = m \cdot Z_2 = 2 \cdot 48 = 96mm \]

\[ d_3 = m \cdot Z_3 = 2 \cdot 24 = 48mm \]

\[ d_4 = m \cdot Z_4 = 2 \cdot 264 = 528mm \]

齿宽b的确定：为了保证齿轮的承载能力和啮合平稳性，齿宽b取为模数的5倍，即b = 10mm。

四、详细设计

齿轮的设计计算

a. 轮齿受力分析

在齿轮传动过程中，轮齿受到多种力的作用，主要包括圆周力、径向力和轴向力，通过计算这些力的大小和方向，可以为后续的轴承选择和轴的设计提供依据。

圆周力Ft的计算公式为：

\[ F_t = \frac{2T}{d} \]

T为传递的扭矩，d为节圆直径。

径向力Fr的计算公式为：

\[ F_r = F_t \cdot \tan \alpha \]

α为压力角，通常取20°。

b. 强度校核

根据GB/T 3480-1997标准，对齿轮进行弯曲强度和接触强度校核，具体步骤如下：

弯曲强度校核：计算齿轮的弯曲应力σF，并与许用弯曲应力[\(\sigma_{FP}\)]进行比较，F < [\(\sigma_{FP}\)]，则弯曲强度满足要求。

接触强度校核：计算齿轮的接触应力σH，并与许用接触应力[\(\sigma_{HP}\)]进行比较，H < [\(\sigma_{HP}\)]，则接触强度满足要求。

轴的设计计算

a. 轴的材料和热处理

选用45号钢作为轴的材料，并进行调质处理，以提高其综合机械性能，调质后的硬度控制在HB217—255之间。

b. 轴的结构设计

根据减速器的结构和受力情况，设计出合理的轴结构，主要包括轴的直径、长度、键槽位置等，具体步骤如下：

初步估算轴径：根据扭矩和材料的许用剪切应力，初步估算出轴的最小直径，然后根据实际情况进行调整。

确定各段轴径和长度：根据轴承、齿轮和联轴器的安装位置，确定各段轴的直径和长度，考虑键槽的位置和尺寸，确保轴与齿轮和联轴器之间的连接牢固可靠。

绘制轴的结构图：根据上述设计结果，绘制出详细的轴结构图，包括所有关键尺寸和技术要求。

滚动轴承的选择和校核

a. 轴承的类型和代号

根据轴承的受力情况和使用要求，选择合适的滚动轴承类型和代号，常用的轴承类型有深沟球轴承、圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承等，本设计中选用深沟球轴承6208和单列向心球轴承1206。

b. 轴承的校核计算

根据轴承的工作条件和受力情况，进行寿命校核计算，具体步骤如下：

计算当量动载荷P：根据轴承的受力分析，计算出当量动载荷P。

计算基本额定寿命L：根据轴承的基本额定动载荷C和当量动载荷P，计算出基本额定寿命L，如果L满足设计要求，则轴承选择合理；否则需要重新选择轴承或调整设计参数。

键连接的选择和校核

a. 平键连接的选择和计算

根据轴和齿轮的连接要求，选择合适的平键连接类型和尺寸，常用的平键连接有普通平键连接和导向平键连接两种，本设计中选用普通平键连接A型，键的剖面尺寸为b×h=8mm×7mm，长度L=20mm，键槽用拉刀加工，以保证配合精度。

b. 半圆键连接的选择和计算

对于轻载或辅助装置中的连接，可以选择半圆键连接，半圆键连接结构简单，安装方便，本设计中选用半圆键连接D型，键的剖面尺寸为b×h=4mm×4mm，长度L=16mm，键槽用铣刀加工，以保证配合精度。

联轴器的选择和计算

a. 弹性柱销联轴器的选择

为了补偿轴的相对位移并减小振动影响，选择弹性柱销联轴器作为电机与减速器之间的连接装置，具体型号为HL4，公称扭矩为1250N·m，许用转速为4700r/min，轴孔直径dy=32mm，柱销直径d=12mm，柱销长度l=42mm，材料为尼龙6。

润滑和密封方式的选择

a. 润滑方式的选择

根据减速器的结构和工作环境，选择合适的润滑方式，常用的润滑方式有脂润滑和油