机械基础之齿轮传动的设计

课程设计实训报告课程名称： 机械基础 设计题目： 齿轮传动的设计 系 别： 机电工程系 专业班级： 机电一体化3班 学生姓名： 邢志远 学 号： 指导老师： 魏波 设计时间： 2011年12月 河南质量工程职业学院河南质量工程职业学院机械基础课程设计任务书班级09机电3班学生姓名 邢志远指导教师魏波课程设计题目齿轮传动的设计主要设计内容1、设计计算主动轮、从动轮结构及尺寸。2、绘制主动轮图并标注主要尺寸及参数。3、设计计算主动轮轴键联接。主要技术指标和设计要求1设计指标 齿轮的传递功率为20kw，低速轴转速为200r/min，传动比为i=3.5； 单向传动，一天工作20小时，一年工作300天，工作二十五年，齿轮和轴的材料均为45钢。 选择齿轮精度等级。输送机是一般工作机械，考虑次对齿轮的传递的功率不大，速度不高，故大小齿轮都选用8级精度。要求齿轮面粗糙度Ra1.63.2um.2设计要求 画出齿轮的结构设计图； 齿轮的主要参数； 校核齿轮的强度； 轴的结构设计于计算；主要参考资料及文献1张晓坤.隋晓朋.Autocad中文版实用教程.北京：北京经济日报出版社，2008.92徐锦康.机械设计.北京：高等教育出版社,2008.33唐金松.简明机械设计手册（第二版）.上海：上海科学技术出版社，2000.54黄祖德.机械设计.北京：北京理工大学出版社，2007.95 岳优兰，马文锁.机械设计基础.开封：河南大学出版社，2009.5目 录1 方案的选择与确定31.1 齿轮参数的选择31.2设计和计算及说明32轴的设计82.1选择轴的材料82.2轴的最小直径的估算：82.3轴的结构设计82.4轴的结构工艺性92.5提高轴疲劳强度的结构措施113小结134参考文献131 方案的选择与确定根据任务要求，选择齿轮传动设计，设计带式输送机的一级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动，该减速器由电动机驱动，齿轮传递的功率为20 KW，低速轴转速n2=200r/min，传动比i = 3.5，单向传动，长期使用，齿轮与轴的材料均为45钢。1.1 齿轮参数的选择1.1.1 齿数z对于软齿面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，一般取Z1 =2040。因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的平稳性。对于硬齿面的闭式传动，首先应具有足够大的模数以保持齿根弯曲强度，为减小传动尺寸，宜取较少齿数，但要避免发生根切，一般取Z1 =1720。1.1.2、模数m模数影响齿轮的抗弯强度，一般在满足齿轮弯曲疲劳强度的条件下，一去较小模数，以增大齿数，减小切齿量。1.1.3 齿宽系数d 齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d1 之比，增大齿宽系数，可减小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但是齿轮越大，载荷分布越不均匀。为便于装配和调整，常将小齿轮宽加大510 mm ，但设计计算时按大齿轮齿宽计算。1.2设计和计算及说明1.2.1.选择齿轮精度等级。表1.1齿轮传动常用精度等级及其应用精度 等级圆周速度v/ms-1应 用 举 例直齿圆柱斜齿圆柱直齿锥齿轮615309要求运转精确或在高速重载下工作的齿轮传动；精密仪器和飞机、汽车、机床中重要齿轮710206一般机械中的重要齿轮；标准系列减速器齿轮；飞机、汽车和机床中的齿轮8593一般机械中的重要齿轮；飞机、汽车和机床中的不重要齿轮；纺织机械中的齿轮；农业机械中的重要齿轮9362.5工作要求不高的齿轮；农业机械中的齿轮由表1.1可知精度等级可选八级。1.2.2.选材与热处理该齿轮传动无特殊要求，为制造方便采用软齿面，大小齿轮均用45号钢，小齿轮调质处理，齿面硬度：229286HBS,大齿轮正火处理，齿面硬度:169217HBS.1.2.3按齿面接触疲劳强度设计该传动为闭式软齿面，主要失效形式为疲劳点蚀，故按齿面解除疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。设计公式： 查表1.2 表1.2载荷系数k原动机工作机的载荷特性均匀、轻微冲击中等冲击大冲击电动机多缸内燃机单缸内燃机11.21.21.61.61.81.21.61.61.81.82.01.61.81.92.12.22.41载荷系数K,取K=1.22由n2=n1/i得n1=n2 x i=200x3.5=700 r/min转矩T1=9.55x106x p1/n1=9.55x106x20/700=.1N.mm 3接触疲劳许用应力 H= HlimZN/SH按齿面硬度中间值查 图1.2 得Hlim1=600MPa, Hlim2=550MPa 图1.2HBS硬度按一年工作300天,一天20小时工作；25年则应力循环次数N1=60njln=60x700x1x20x300x25=6.3x109N2=N1/i=1.8x 109接触疲劳强度寿命系数表1.3得接触疲劳寿命系数ZN1=1 ZN2=1 (N1 N1 N0 , N0=109)按一般可靠性要求，取SH=1 则H1=600x1/1=600MPa H2=550x1/1=550MPa取H=550MPa图1.3接触疲劳强度寿命系数4计算小齿轮分度圆直径d1查表1.4按齿轮相对轴承对称布置取d=1.04 ZH=2.5表1.4齿宽系数d=bd齿相对轴承位置齿 面 硬 度350HBS350HBS对称布置0.81.40.40.9非对称布置0.61.20.30.6悬 臂 布 置0.30.40.20.25表1.5齿轮材料弹性系数Z()大齿轮材料小齿轮材料钢铸钢铸铁球墨铸铁钢189.8188.9165.4181.4铸钢188.9188.0161.4180.5因为材料为45号钢，故取ZE=189.8 。 将以上参数代入下式得： = =84.46 mm取 d1=90 mm5计算圆周速度 V=n1d1/(60x1000)=700x3.14x90/(60x1000)=3.297m/s1.2.4.确定主要参数表1.6渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式表注：式中上面的符号用于外齿轮或外啮合传动，下面的符号用于内齿轮或内啮合传动。（1）齿数 取Z1=20 则Z2=Z1i=20x3.5=70(2) 模数 m=d1/Z1=90/20=4.5 mm (正好是标准模数第二系列上的数值)（3）分度圆直径 d1=Z1m=20x4.5=90 mm d2=Z2m=70x4.5=315 mm (4) 中心距 a=(d1+d2)/2=(90+315)/2=202.5 mm(5) 齿宽 b=dxd1=1.04x90=93.6 mm 取b2=100 mm b1=b2+5=105 mm1.2.5.校核弯曲疲劳强度表1.7齿形系数YFa及应力校正系数z(zv)17181920212223242526272829YFa2.972.912.852.802.762.722.692.652.622.602.572.552.53YSa1.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.601.611.62z(zv)303540455060708090100150200注：1）基准齿形的参数为=20、=0.38m(m为齿轮模数)；2）对内齿轮：当=20、=0.15m时，齿形系数YFa2.65，YSa2.65。(1)齿形系数YFS,查得 YFS1=4.25 YFS2=4.1(2)弯曲疲劳许用应力 F= FlimYN/SF 按齿面硬度中间值查图一得：Flim1=250 MPa Flim2=210 Mpa由图1.8 得弯曲疲劳寿命系数；图1.8弯曲疲劳寿命系数YN1=1 (N0=3x106,N1N0) 得：Flim1=250 MPa Flim2=210 Mpa F1=250 MPaYN2=1 (N0=3x106,N2N0) F2=210 MPa按一般可靠性要求，取弯曲疲劳安全系数SF=1,则F1= Flim1Y N1/SF=250 MPaF2= Flim2 YN2/SF=210 Mpa(3)校核计算 F1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x.1x4.25/(100x4.5x90)=68.7MPaF1 F2=F1YFS2/YFS1=68.7x4.1/4.25=66.3 MPa F21.2.6. 结构设计 渐开线齿轮有五个基本参数 名称符号意义标准化数值齿数(teeth number) Z在齿轮整个圆周上轮齿的总数称为齿数模数(module)m齿距分度圆齿距p与的比值模数决定了齿轮的大小及齿轮的承载能力。我国规定标准化模数压力角(特指分度圆压力角)(pressure angle)决定渐开线齿形和齿轮啮合性能的重要参数我国规定标准化压力角为20度齿顶高系数齿顶高计算系数:我国规定标准化齿顶高系数为1顶隙系数顶隙(clearance)计算系数我国规定标准化顶隙系数为0.25da=d+2ha=90+9=99 mmdf=d+2df=d-2x1.25m=90-11.25=78.75 mm2轴的设计2.1选择轴的材料该轴没有特殊的要求，因而选用调质处理的45号钢，可以查的其强度极限650MPa。2.2轴的最小直径的估算： 表2.1轴常用材料的值和C值轴的材料Q235,20354540Cr,35SiMn/MPA1220203030404052C16013513511811810610797查表2.1得C取118因此 取d=40 mm由机械制图手册查得 公称直径d公称尺寸bh长度L3844128281402.3轴的结构设计根据齿轮减速器的简图确定轴上主要零件的布置图（如图）和轴的初步估算定出轴径进行轴的结构设计。2.3.1轴上零件的轴向定位齿轮的一端靠轴肩定位，另一端靠套筒定位，装拆、传力均较为方便；两段端承常用同一尺寸，以便于购买、加工、安装和维修；为了便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜过高（其高度最大值可从轴承标准中查得），故左端轴承与齿轮间设置两个轴肩。2.3.2轴上零件得周向定位齿轮与轴、半联轴器与轴得周向定位均采用平键联接及过盈配合。根据设计手册，并考虑便于加工，取在齿轮、半联轴器处得键剖面尺寸为bh=1811，配合均采用H7/k6；滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴得尺寸公差为k6。2.3.3确定各段轴径直径和长度轴长：取决于轴上零件得宽度及他们得相对位置。具体工作时，需要注意以下几个问题：1）轴上与零件向配合的直径应取成标准值，非配合轴段允许为非标准值，但最好取为整数。2）与滚动轴承相配合的直径，必须符合滚动轴承的内径标准。3）安装联轴器的轴径应与联轴器的孔径范围相适应。4）轴上的螺纹直径应符合标准。5）轴上与零件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度略短23mm，以保证零件轴向定位可靠。6）若在轴上装又滑移的零件，应该考虑零件的滑移距离。7）轴上各零件之间应该留有适当的间隙，以防止运转时相碰。2.4轴的结构工艺性轴的形状，从满足强度和节省材料考虑，最好是等强度的抛物线回转体。但是这种形状的轴既不便于加工，也不便于轴上零件的固定；从加工考虑，最好是直径不变的光轴，但光轴不利于零件的拆装和定位。由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和拆装，所以实际上的轴多为阶梯形。为了能选用合适的圆钢和减少切削用量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差过大，一般取为510MM。为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同；一根轴上各键槽应开在同一母线上，若揩油键槽的轴段图2.2直径相差不大时，应尽可能采用相同宽度的键槽（如图2.2），以减少换刀次数。需要磨削的轴段，应该留有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽，以保证螺纹牙均能达到与其期的高度（如图）。为了便于加工和检验，轴的直径应取为圆整值；与滚动轴承相配合的轴颈直径应符合滚动轴承内径标准；有螺纹的轴段直径应符合螺纹标准直径。为了便于装配，轴端应加工出倒角（一般为45），以免装配时把轴上零件的孔壁擦伤（如图）；过盈配合零件的装入端应加工出导向锥面（如图），以便零件能顺利地压入。图2.4制造工艺性往往是评价设计优劣的一个重要方面，为了便于制造、降低成本，一根轴上的具体结构都必须认真考虑。如图2.4所示轴结构：1）螺纹段留有退刀槽（图a中的），磨削段要留越程槽（图b中的）;同一轴上的圆角、倒角应尽可量相同；同一轴上的几个键槽应开在同一母线上（图b中的）；螺纹前导段（图a中的）直径应该小于螺纹小径；轴上零件（如齿轮、带轮、联轴器）的轮毂宽度大于与其配合的轴段长度；轴上各段的精度和表面粗糙度不同。2.5提高轴疲劳强度的结构措施轴的基本形状确定之后，换需要按照工艺的要求，对轴的结构细节进行合理设计，从而提高轴的加工和装配工艺性，改善轴的疲劳强度。2.5.1减小应力集中轴上的应力集中会严重削弱轴的疲劳强度，因此轴的结构应尽量避免和减小应力集中。为了减小应力集中，应该在轴剖面发生突变的地方制成适当的过渡圆角；由于轴肩定位面要与零件接触，加大圆角半径经常受到限制，这时可以采用凹切圆角或肩环结构等。常见的减小应力集中的方法如表2.2所示。2.5.2改善轴的表面质量表面粗糙度对轴的疲劳强度也有显著的影响。实践表明，疲劳裂纹常发生在表面粗糙的部位。设计时应十分注意轴的表面粗糙度的参数值，即使是不与其它零件向配合的自由表面也不应该忽视。采用輾压、喷丸、渗碳淬火、氮化、高频淬火等表面强化的方法可以显著提高轴的疲劳强度。表2.2减小应力集中的方法2.5.3改善轴的受力情况改进轴上零件的结构，减小轴上载荷或改善其应力特征，也可以提高轴的强度和刚度，如图2.5所示。如果把轴毂配合面分成两段（图b），可以显著减小轴的弯矩，从而提高轴的强度和刚度。把转动的心轴（图a）改成不转的心轴（图b），可使轴不承受交变应力的作用。3小结通过这次对直齿圆柱齿轮的设计，让我知道了工程设计的重要性与设计时应考虑多方面因素，也让我了解了关于设计直齿圆柱齿轮的关键因素，设计齿轮传动时，各个齿轮的硬度要达到一定的强度才可以满足使用要求。但是最后的成品却不一定与设计时完全一样，因为，再实际生产设计中存在着各种各样的条件制约。而且，在现实设计中存在着各种各样的误差。所以，在设计时应考虑全面，根据生产实际，从中找出最适合的设计方案。通过这次学习，让我对