学号：2010013214 北京化工大学
毕业设计（论文）
论文题目：90mm平衡式同向双螺杆传动箱设计
学院名称：机电工程学院
专业：机械工程及自动化
学生姓名：廖玉春
导师姓名：林浩
考核
成绩
姓名职称
审核
小组
成员
以及
职称
诚信申明
本人申明：
本人所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：日期：
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目：90mm平衡式同向双螺杆传动箱设计
学院：机电工程学院专业：机械工程及自动化班级：机械1007
学生：廖玉春指导教师：林浩工程师专业负责人：张亚军
1．设计（论文）的主要任务及目标
通过90mm平衡式同向双螺杆传动箱设计，培养学生学习、研究、创新、实践能力。
2、设计（论文）的主要内容
[1]以科学、严谨的态度认真对待工作，遵守纪律；
[2]认真做好文献查阅和调研工作，至少查阅5篇以上的外文原文资料，
翻译一篇20000字符的外文译文（约5000字）；
[3]设计方案应在多种可行方案中认真比较筛选；
[4]严格按照进度进行设计，独立完成，注重分析问题和解决问题能力以及
新能力的培养；
[5]学会手册等工具书的使用，严格按照国家制图标准绘图；
[6]完成总装配图和零件图；
[7]设计说明书论据可靠，计算正确，语句通顺，格式规范。
3．设计（论文）的主要要求
在综合分析比较查阅的资料基础上，进行创新设计或改进，不得抄袭，要有自己独到的见解。熟练掌握绘图软件solidworks和CAXA，绘制一张装配图，4张零件图。4．主要参考文献
[1]塑料机械设计；
[2]机械设计；
[3]机械设计手册；
[4]有关塑料挤出机的结构、设计、工艺及其CAE的文献资料。
5．进度安排
设计（论文）各阶段名称起止日期
1 文献查阅，翻译一篇，完成文献综述3月3日-3月21日
2 确定设计方案以及计算主要设计参数3月24日-4月4日
3 设计草图4月7日-4月11日
4 绘制总图4月14日-5月16日
5 绘制零件图5月19日-5月23日5 撰写毕业设计说明书5月26日-5月30日
90mm平衡式同向双螺杆传动箱设计
摘要：在本双螺杆挤出机发明中，因为创新的用了螺杆对称布置设计，使得螺杆轴向力几乎抵消了，这就给了我们传动箱设计很大的空间。我们在现有的传统设计中，加入了我们自己的设计，但因为中心距紧凑，我们在设计轴和齿轮的时候，要考虑各方面因素，防止因为不合理的设计导致干涉现象的发生。
关键词：传动箱齿轮轴轴承
90mm Balanced with the twin-screw gearbox design
ABSTRACT：In the twin-screw extruder invention, since the innovative design with a screw arranged symmetrically so that the screw axial force almost offset, which gave us a lot of space gearbox design. Our existing traditional design, adding our own design, but because the center distance is compact, we designed shafts and gears, when to consider various factors, led to the design to prevent unreasonable interference because of the occurrence.
KEY WORDS:Gearbox Gear Shaft Bearings
目录
前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（1）第1章概论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（2）第1.1节90m m平衡式同向双螺杆传动箱设计的发展概况．．．．．．．．．．．．．． (2)
第 1.2节90mm平衡式同向双螺杆传动箱设计的发展及研究现状．．．．．．．． (2)
1.2.190m m平衡式同向双螺杆传动箱设计的发展．...................................．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（2）第1.3节90m m平衡式同向双螺杆传动箱设计的原理．．．．．．．．．．．．.. (4)
第2章传动箱结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． (11)
第2.1节轴的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（11）第2.2节齿轮的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（11）第2.3节轴承寿命校核 (12)
第 2.4节平键强度校核 (13)
结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（32）参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（34）致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（38）
注：
1、每章标题字体（黑体，四号，加粗）
2、每节标题及三级小标题字体（宋体，四号）
3、前言在第1章前。结论、参考文献、致谢不单独成章。
前言
近两年来，智能手机和平板电脑正以井喷式的发展改变着我们的普通生活。从苹果到小米再到三星华为，智能手机的价格也从刚推出时的土豪金价格到现在的普通人也能接受的平民价。在这价格变化的后面是智能机所使用的材料价格和生产工艺上的不断突破，使得材料价格越来越趋于平民化。此外智能手机和平板电脑的设计越来越挑战我们的思维极限，从基本的尺寸设计变化到对屏幕材料性能和高分辩率的不断追求，对材料的生产也提出了更高的要求。而自近代第一台双螺杆挤出机发明以来，他在高分子材料等一系列新材料的加工领域都发挥了重要的角色，并且他们每天都在改变着我们的生活。在不同领域中，我们需要各式各样的材料来满足我们的设计要求，在这追逐更完美体验的过程中，我们对复合型材料的性能和作用提出了越来越高的要求。从石油等自然资源到我们使用的各种材料，都经历了复杂的变化，在这过程中，材料的分子结构和力学性能等物理化学特征都发生了新的变化。为了生产出符合我们使用要求的材料，我们需要在已有的材料基础上进行再加工，以期符合我们的使用要求。在聚合物加工方面，双螺杆挤出机作为一种高效有序的设备，从他诞生之日起就注定了他与材料的再加工和改性结下了难以割舍的关系。在此背景下，我们希望能对双螺杆挤出机有更深入的了解，使得双螺杆挤出机能更有效的为我们工作。自第一台双螺杆挤出机发明以来，人们对双螺杆挤出机的研究和改良从未停止过脚步。虽然双螺杆挤出机在材料再加工和改性方面有出色的表现，但面对不同的材料，其粘度、分子结构和对温度以及速度的变化而发生的物理化学改变都会对材料的使用性能产生重要影响。传统的双螺杆挤出机长径比是评价一台挤出机性能好坏的重要参数，理论上长
径比越大越好，但不足之处在于随着螺杆长度的增加，机筒内的摩擦力也在增加，虽然螺杆越长，物料的加工过程也会随之变长，使得物料能混合得更加均匀，能得到性能更加优越的产品。然而随着摩擦力的增加，螺杆的损耗也在加剧，在生产实际中，我们根据经验总结出螺杆的长径比在一定范围内是可以投入到生产实际中的，而这使得螺杆长度无法达到我们理想中的长度要求。在此限制之下，如果能找到一种新的设计方案，使这种限制能大大得到削弱，则是对双螺杆挤出机发展史上的重要贡献，也是双螺杆挤出机发明史上的一大突破。
进入21世纪以来，国家大力发展新工业，在挤出机领域国家鼓励人们推陈出新，百花齐放，敢于提出新想法。本发明是在现有的挤出机基础上，通过创新的螺杆对称布置方式，巧妙地使得螺杆的轴向力相互抵消了，这就让传统意义上的长径比能得到新的定义。我们在同样的长径比下，因为对称布置，让螺杆轴向几乎不受力，我们可以生产加工的物料能力就大大得到提升，这也对传动系统的设计要求降低了很多，解放了传动箱的设计局限，我们可以把自己的想法添加到设计中去。
第1章概论
第1.1节90mm平衡式同向双螺杆传动箱设计的发展概况
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXX[4]。（宋体，小四，固定值22磅，首行缩进2字符）
第1.2节啮合同向双螺杆中新型螺杆元件的发展及研究现状（宋
体，小三，加粗）
1.2.1、XXXXXXXXXXXX的发展（宋体，小四，固定值22磅，不首行缩进）
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXX [5]。（宋体，小四，固定值22磅，首行缩进2字符）
1.2.2、XXXXXXXXXXXX的研究现状（宋体，小四，固定值22磅，不首行缩进）
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXX[9-12]。
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXX [12,16,18,20]。
论文中图片表示方式：
如图1·1所示为捏合盘元件的输送特性图。
(a) 单个捏合盘 (b) 一组捏合盘
图1·1 捏合盘元件输送特性（宋体，五号）
论文中公式表示方式：
回回回z x Q Q Q += （1·1）
∑==M
i x Q Q 12回 （1·2）
（1·2）表示第1章中第2个公式
论文中表格表示方式：
表3·1 四种不同捏合块构型下流道的物理参数（宋体，五号，表格内文字皆用五号） 捏合块 元件 导程/mm 螺杆外径/mm 机筒内径/mm 捏合盘厚度/mm 错列角/° 中心距/mm 计算域长度/mm NKBLB NKBRB NKBLF NKBRF
第2章 传动箱结构设计
第2.1节 轴的设计
在本传动箱中，一共涉及了5根轴的设计，一根输入轴，两根输出轴，两根配对齿轮轴。因各轴的工作受力情况都不相同，设计时应根据实际具体的情况来分析、设计。在挤出机的工作过程中，工况平稳，也无严重应力循环不对称的现象，因此，输入轴与电机通过联轴器相连，工作平稳。第一根输出轴因为既要传递输入轴传递过来的扭矩，又要分配给与第二根输出轴相配对的齿轮系扭矩，因此受力较复杂，在设计时还要考虑不能与其他轮系或轴相交。为了使第二根轴能平稳输出，因此配对的齿轮系要对称分布，使得第二根轴的径向力能相互抵消。 一、输入轴的设计
轴工作时的工况为：输入功率450.51kW ，转速n 1=2004r/min ， 轴在传动箱中是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。在本设计中，因为双螺杆挤出机在工作过程中功率大，扭矩大，但两根螺杆中心距有限，这就使得我们所选材料必须既能满足我们的工作要求，又要保证轴的强度。在这我们选用20Cr2Ni4，其力学性能参数：强度极限b σ=1200MPa ，屈服极限s σ=1100MPa ，硬度58~62HRC ，弯曲疲劳强度极限：MPa 601=-σ。 根据挤出机生产过程和输入功率的要求，我们选择变频调速电机，根据现有厂家提供的参数，我们选择YVP355L2-4变频调速电机，额定功率315KW ，转速min /2004r n =，为了达到我们需要的功率，需对其进行变频改进，配套的变频器为JP5C-K 。
根据轴在工作中的作用，初估轴的最小直径： []
?'????≥24
14.3180
32G T D
n
T P ?=9550000
mm N T /1047.212004
510
.45095500005?=?
= 由手册查得[]()m o /5.1='? ()
μ+?=
12E
G
由手册查得GPa E 206= 泊松系数3.0=μ ()
3.012206
+?=
G
2308.79=G 5
.114.32308.79180
1047.21322
54
?????≥
D mm D 00.57≥
输入轴与电机输出轴通过联轴器相连，查GB/T 5014-2003得知，LX4型弹性联轴器的参数为：公称转矩m N T n /2500=，半联轴器孔径mm d 601=，长度为mm L 142=，半联轴器与轴连接部分的长度mm L 1071=。
为了保证零件能正常可靠地工作，需要零件在工作过程中有准确的定位并固定。零件在轴上的准确位置包括轴向和周向两个方面。
根据轴上各零件的工作位置，确定轴上零件的布置方案如图所示。 为了满足联轴器的轴向定位要求，ab 段的左端需要制出一个轴肩，根据联轴器的尺寸标准，轴肩取mm d ab 60=。
为了使联轴器轴向定位牢固，与其配合的轴段长度取mm l ab 152=； 因为轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据轴承国标，取mm d bc 75=，选择的圆锥滚子轴承型号为30215，查手册得轴承的参数尺寸：25.2713075??=??T D d ，故
mm d d fg bc 75==，mm l l fg bc 28=；
查手册得到的轴承的定位轴肩mm h 5=，因此mm d cd 85=，mm l cd 22=； 因为齿轮的齿根圆直径与轴的直径相差不多，故齿轮直接与轴一起加工成齿轮轴，所以齿轮轮觳的宽度为mm l de 145=，
取齿轮距离箱体内壁宽度为36mm ，故mm l ef 40=。 轴的结构尺寸如图所示。 轴上零件的周向固定
联轴器与轴的周向固定采用平键联接，根据平键所在轴段的直径选择平键的截面积，再根据联接轮觳的长度来确定平键。联轴器处的平键尺寸
为：1071118??=??l h b 。为了保证轴与联轴器具有良好的对中性，选择联轴器与轴的配合公差为：6/7k H ，因为滚动轴承位标准件，其轴向定位靠的是内圈与轴的过盈配合来保证，所以与滚动轴承配合的轴段处的公差为：6m 。
确定轴上的倒角与圆角
为了使轴具有较好的工艺性，便于加工制造和装拆，为了保证轴的疲劳强度，轴肩和轴环以及轴端处应有倒角，取为0452?。
求轴上的载荷
查手册得，30215轴承，mm a 4.27=，所以在图中：
mm L 104282152
1=+=
mm L 5.94222145
2=+= mm L 5.112402
145
3=+= 求水平支反力 )(155585
.1125.945
.112286273231N L L L F F t NH =+?=+?=
)(13069155582862712N F F F NH t NH =-=-= )(5.14702625.1121306932mm N L F M NH H ?=?=?= 求垂直支反力：
)(127165
.1125.942376
75535.1121077623
2231N L L d F L F F a r NV =+?+?=+?
+?=
)(1940127161077612N F F F NV r NV -=-=-=
)
(2182505.1121940)(12016625.9412716322211mm N L F M mm N L F M NV V NV V ?-=?-=?=?=?=?=
求总弯矩：
)
(14863735.1470262)218250()(18988585.1470262
12016622
222
2
222
2211mm N M
M
M mm N M M M H
V H V ?=+-=+=?=+=+=
求转矩：
mm N n P T /1047.212004
51.450955000095500005?=?=?
= 按弯扭合成应力校核轴的强度：
进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面的强度，根据题中的已知条件，轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取
6.0=α，轴的计算应力为：
)(3185
1.0)1047.216.0(1898858)(3
252
2
21MPa W T M ca =???+=?+=ασ 轴的材料为20Cr2Ni4，渗碳后淬火处理，查手册得[]MPa 601=-σ，因此{}1-σσ ca ，所以轴是安全的。 校核疲劳强度 判断危险截面
从受力角度分析，在左侧轴承处只受转矩的作用，而不受弯矩的作用，在齿轮部分右侧只受弯矩而不受转矩的作用，所以在齿轮部分左侧到左侧轴承部分之间既受转矩的作用，也受弯矩的作用。
从应力集中地角度来分析，轴承连接部分的轴段，由于过盈配合，引起的应力集中最为严重；同时，此轴段左侧有过度倒角，右侧有过度圆
角，所以此轴段的应力集中现象最为严重；轴承联接部分轴段两侧是应力集中最大的地方，但右侧截面的轴直径比较大，所以对轴承连接部分的左右侧面进行疲劳强度校核。 轴承联接部分右侧面
抗弯截面系数 )(5.42187751.01.0333mm D W =?=?= 抗扭截面系数 )(84375752.02.0333mm d W T =?=?= 齿轮部分左侧面往右部分的弯矩为： )(4420622
1452222
1898858mm N M ?=+
?
= 齿轮部分左侧面的转矩T 为：)(1047.215mm N T ??= 截面上的弯曲应力为：)(47859.105
.42187442062MPa W M a ===
σ 截面上的扭转切应力为：)(4459.2584375
1047.215
MPa W T T T =?==τ
查手册得过盈配合处的
σσεκ值，取53.28.0,16.3=?==σ
σττσσεκ
εκεκ 轴按切削加工，查手册得表面质量系数92.0==τσββ 综合计算系数:62.211,25.311=-+==-+=
τ
τττσσσσβεκβεκK K 计算齿轮部分左侧面往右的部分安全系数： 9556.80
1.047859.1025.33051=?+?=+=-m a S σ?σκσσσσ
7010.42
4459.2505.02
4459.2562.2160
1=?
+?=+=
-m T K S τ?τττττ
162.47010
.49556.87010.49556.82
2
2
2
=+?=
+?=
τ
στσS S S S S ca 5.1=>S
所以此截面也安全
根据本设计的已知条件，此轴无瞬时过载现象，也无严重的应力循环不对称现象，所以可以略去静强度的校核。 二、第二根输出轴的设计
轴工作时的工况为：输出功率175.7kW ，转速n 1=800r/min ， 在两根输出轴中，因为双螺杆挤出机在工作过程中功率大，扭矩大，但两根螺杆中心距有限，使得我们的两根输出轴设计时尺寸须把握好，以防两根轴相互打架，无法完成我们的设计目的。这就使得我们所选材料必须既能满足我们的工作要求，又要保证轴的强度。在这我们选用20Cr2Ni4，渗碳后淬火处理，其力学性能参数为：强度极限b σ=1200MPa ，屈服极限s σ=1100MPa ，硬度58~62HRC ，弯曲疲劳强度极限：MPa 601=-σ。
根据轴在工作中的作用，初估轴的最小直径： []
?'????≥24
14.3180
32G T D
n T P ?=9550000
)/(1097.20800
7
.175********mm N T ?=?= 由手册查得[]()m o /5.1='? ()
μ+?=
12E
G
由手册查得GPa E 206= 泊松系数3.0=μ
()
3.012206
+?=
G
2308.79=G
mm D 6.565
.114.32308.79180
1097.2032425
=?????≥
取D=57mm
第二根输出轴要承担的扭矩大，为了保证与螺杆稳定联接，使用渐开线花键联接。渐开线花键安装方便，连接强度高，传动平稳可靠，制造成本低，是广泛应用在机械传动结构中的连接方式，花键采用滚塑的方式加工，金属线没有破坏，经后期热处理后强度比切削加工出来的花键要大，使用寿命也更长。为了保证轴的强度极限，花键参数为：84,75.0==z m ，齿顶圆直径为：mm d a 5.64=，齿根圆直径为：mm d b 125.61=，满足轴的最小直径要求。
为了保证零件能正常可靠地工作，需要零件在工作过程中有准确的定位并固定。零件在轴上的准确位置包括轴向和周向两个方面。
根据轴上各零件的工作位置，确定轴上零件的布置方案如图所示。为了顺利加工出花键，也为了选择轴承时能满足要求，在ab 段的左端需要制出一个略大于ab 段的轴肩，根据花键的尺寸，轴肩取mm d bc 65=。 为了与箱体相装配，与其配合的轴段长度取mm l ab 204=；
因为两根输出轴之间距离有限，为使轴承能顺利安装，需要用到滚针轴承，参照工作要求并根据滚针轴承国标，选择的滚针轴承型号为NKI65/35，查手册得轴承的参数尺寸：359065??=??T D d ，故mm l bc 35=，轴承的定位轴肩取mm h 5.7=，因此mm d cd 80=，取齿轮距离箱体内壁宽度为26mm ，故mm l cd 78=；
因为齿轮的齿根圆直径与轴的直径相差不多，故齿轮直接与轴一起加工成齿轮轴，所以齿轮轮觳的宽度为mm l de 95=，
为了使箱体结构紧凑，所以取mm l ef 10=。 轴的结构尺寸如图所示。 轴上零件的周向固定
第二根输出轴与螺杆通过渐开线花键联接，为了保证轴与螺杆具有良好的对中性，采用大径或小径定心，渐开线花键配合较松，一般没有什么影响，渐开线花键与螺杆的配合公差国家标准为齿侧配合，根据国家标准我们取H7/h6，因为滚针轴承为标准件，其轴向定位靠的是内圈与轴的过盈配合来保证，所以与滚动轴承配合的轴段处的配合公差为：6m 。
确定轴上的倒角与圆角
为了使轴具有较好的工艺性，便于加工制造和装拆，同时也为了保证轴的疲劳强度，轴肩和轴环以及轴端处应有倒角，取为0452?。
求轴上的载荷
查手册得，NKI65/35轴承，mm a 35=，所以在图中： mm L 137352
204
1=+=