[机械设计自动化] 空间轮系综合实验台的设计 毕业设计

1、毕业设计空间综合轮系实验台的设计学生姓名： 学号 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 2011年 6月空间轮系综合实验台的设计摘要：本设计是为了方便学生对轮系有更清楚地了解，对于机械原理等基础课程有更深一步的认识，因此作为传统的轮系实验台，我们很难将其内部结构清楚地展示。尤其作为教学用轮系结构，由于轮系本身有很多类型，而不同类型结构的差异也很大，尤其是周转轮系和复合轮系结构的特殊性，如果仅就平面图形观察，很难从实质上理解其运动形式，容易在轮系传动比计算或其运动分析过程中产生困惑，而且传统的实验台大都为平面轮系，不能让学生了解空间轮系的结构和运动形式。因

2、此本设计按照现代机械原理和结构理论，以提高设计思维能力、动手能力、创新能力为出发点，设计的一种实验用综合轮系实验台。在实验过程中，会为学生提供不同的齿轮、轴、轴承等相关零件，学生可以根据自己所学知识，按照自己的设计来组装轮系实验台，通过这样的方法来提高对空间轮系的理解，更好的学习和掌握空间轮系的知识重点，加深对其的理解，真正的做到学以致用。关键字：轮系，实验台，差动，定轴The design of the spatialgear train synthesizes the laboratory bench Abstract: This design is to facilitate the s

3、tudent to have to the gear train understood clearly that regarding core curricula and so on mechanism has a deeper step understanding, therefore as the traditional gear train laboratory bench, we demonstrated clearly very difficultly its internal structure. Especially as teaching with gear train str

4、ucture, Especially as teaching with gear train structure, but the different type structures difference is also very big, particularly epicyclic train and compound gear train structure particularity, if only on the plane figure observation, if only on the plane figure observation, easily produces puz

5、zled in the gear train velocity ratio computation or in its movement parsing process, moreover the traditional laboratory bench is the plane gear train mostly, cannot let the student understand the spatial gear train the structure and the movement form. Therefore this design according to the modern

6、mechanism and the structural theory, take sharpens the design power of thought that beginning ability, innovation ability as the starting point, will provide the different gear, the axis, the bearing for the student and so on related components, the student may act according to itself to study the k

7、nowledge, will assemble the gear train laboratory bench according to own design, will enhance through such method to the spatial gear train understanding, a better study and will grasp the spatial gear train the knowledge key point, will deepen to its understanding, true will achieve studies for the

8、 purpose of application.Key words: Gear train, laboratory bench, differential motion, dead axle目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295430666 绪论 PAGEREF _Toc295430666 h 1 HYPERLINK l _Toc295430667 本设计的意义 PAGEREF _Toc295430667 h 3 HYPERLINK l _Toc295430668 2.1轮系的功能 PAGEREF _Toc295430668 h 3 HYPERLINK l

9、 _Toc295430669 2.2轮系的现状和发展趋势 PAGEREF _Toc295430669 h 4 HYPERLINK l _Toc295430670 2.3本设计的意义 PAGEREF _Toc295430670 h 6 HYPERLINK l _Toc295430671 机械运动方案设计 PAGEREF _Toc295430671 h 7 HYPERLINK l _Toc295430672 3.1 机械现代设计方法简介 PAGEREF _Toc295430672 h 7 HYPERLINK l _Toc295430673 3.2总功能分析明确设计性轮系综合实验台的设计任务 PAG

10、EREF _Toc295430673 h 8 HYPERLINK l _Toc295430674 3.3基本概念 PAGEREF _Toc295430674 h 9 HYPERLINK l _Toc295430675 3.4定轴轮系传动比及设计要点 PAGEREF _Toc295430675 h 13 HYPERLINK l _Toc295430676 3.4.1平面定轴轮系的传动比 PAGEREF _Toc295430676 h 14 HYPERLINK l _Toc295430678 3.4.2空间定轴轮系的传动比 PAGEREF _Toc295430678 h 16 HYPERLINK

11、l _Toc295430679 3.4.3定轴轮系设计要点 PAGEREF _Toc295430679 h 17 HYPERLINK l _Toc295430680 3.5差动轮系的传动比及设计要点 PAGEREF _Toc295430680 h 18 HYPERLINK l _Toc295430681 3.5.1周转轮系的分类 PAGEREF _Toc295430681 h 18 HYPERLINK l _Toc295430682 3.5.2周转轮系的传动比 PAGEREF _Toc295430682 h 18 HYPERLINK l _Toc295430683 3.7 确定运动方案 PAG

12、EREF _Toc295430683 h 20 HYPERLINK l _Toc295430684 3.8蜗杆的确定及计算 PAGEREF _Toc295430684 h 22 HYPERLINK l _Toc295430685 3.9锥齿轮的设计及计算 PAGEREF _Toc295430685 h 28 HYPERLINK l _Toc295430686 零件图的确定 PAGEREF _Toc295430686 h 31 HYPERLINK l _Toc295430687 4.1蜗轮零件图的确定 PAGEREF _Toc295430687 h 31 HYPERLINK l _Toc2954

13、30688 4.2锥齿轮零件图的确定 PAGEREF _Toc295430688 h 32 HYPERLINK l _Toc295430689 4.3输入轴零件图的确定 PAGEREF _Toc295430689 h 32 HYPERLINK l _Toc295430690 4.3.1输入轴设计的主要问题 PAGEREF _Toc295430690 h 32 HYPERLINK l _Toc295430691 4.3.2输入轴的设计 PAGEREF _Toc295430691 h 33 HYPERLINK l _Toc295430692 4.3.3轴承的选择 PAGEREF _Toc29543

14、0692 h 35 HYPERLINK l _Toc295430693 4.3.4设备中的润滑 PAGEREF _Toc295430693 h 36 HYPERLINK l _Toc295430694 部件图的确定 PAGEREF _Toc295430694 h 37 HYPERLINK l _Toc295430695 5.1定轴轮系部件图的确定 PAGEREF _Toc295430695 h 37 HYPERLINK l _Toc295430696 5.2差动轮系部件图的确定 PAGEREF _Toc295430696 h 38 HYPERLINK l _Toc295430697 5.3通用

15、底座部件图的确定 PAGEREF _Toc295430697 h 39 HYPERLINK l _Toc295430698 6装配图的确定 PAGEREF _Toc295430698 h 39 HYPERLINK l _Toc295430699 6.1定轴轮系装配图的确定 PAGEREF _Toc295430699 h 40 HYPERLINK l _Toc295430700 6.2差动轮系装配图的确定 PAGEREF _Toc295430700 h 41 HYPERLINK l _Toc295430701 结论 PAGEREF _Toc295430701 h 42 HYPERLINK l _

16、Toc295430702 附录 PAGEREF _Toc295430702 h 43 HYPERLINK l _Toc295430703 致谢 PAGEREF _Toc295430703 h 47绪论18世纪下半叶第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，促使机械原理在原来的机械力学基础上发展成为一门独立的学科，它对传统形式的机械的结构和性能的完善起了很大的推动作用。随着科学技术的飞跃发展，当今世界又在经历一场新的产业革命，现代机械的概念已大大不同于19世纪机械的概念，其特征是具有计算机信息处理和控制手段。因此，现代机械的工作原理、结构组成、设计思维方式已大大不同于传统的机器，促进了机械原理

17、学科发生广泛、深刻和质的变化，这就要求机械原理课程的体系和内容作出与之适应的改革。21世纪机械产品的国际竞争将愈来愈剧烈，要求机械产品不断创新，努力提高产品质量，完善改进机械性能，满足市场需要。这是每一个机械设计人员的责任，也是机械学学科的研究内容。开发新产品，设计要先行。不少专家认为，一个产品的好坏，关键在于设计。机械产品设计又可分为两个阶段：机械产品的概念设计（Conceptual Design）和机械产品的构形设计（Configuration Design）。概念设计是决定机械产品质量水平的高低、性能的优劣和经济效益好坏的关键性一步。机械原理的重要任务应是进行机械运动方案的构思、各个执行

18、机构的类型和尺度综合等。这些内容是机械产品概念设计中不可缺少的部分。机械原理课程应紧密结合机械产品概念设计需要，充实机构创新设计内容，加强机构系统设计原理和方法的阐述，这不但是适应21世纪机械产品市场竞争的需要，也是机械原理课程体系、内容改革应该遵循的方向。在世界正面临着新技术革命的严重挑战时，教育首当其冲，信息化时代的到来和新的人才观念的转变，教育改革势在必行。其中使教育方法和教学手段更有效的有利于提高实用性教育成为教育改革的主要目标之一。国内的教育体制正在不断的经受考验，以前的应试教育和纯理论的教育受到国外的应用型教育的影响也不断的改革创新。综合性的实验台就是在这种条件下产生的，国内外各种

19、综合性的实验台相继产生。研究轮系的实验装置也在这种情况的促进下不断的发展变化着，由最初的简单的理论的讲解到简单的平面轮系的实验板到有复杂机构的轮系综合实装置，这些实验装置使人们更好的将理论的知识直观化了。本设计的目的是针对我校使用的是“面向21世纪课程教材 由李瑞琴主编的机械原理”，设计出一台空间实验台，能够弥补传统的轮系实验装置都为平面轮系，无法展示空间轮系传动过程，而且要求结构简单在保证基本结构不变的情况下，只进行简单的通用件的拆装就可以组成所需要的轮系。从而把定轴轮系、差动轮系分别和支架构成一个齿轮传动系统，学生在该实验台上可以组装自己设计的轮系进行实验能够更加直观的了解各种空间轮系在实

20、际生产和生活中的应用，从而开发他们的视野，提高他们的设计思维能力、动手能力、创新能力为他们能够更好的掌握书本知识奠定必不可少的基础。本设计的意义2.1轮系的功能轮系的功能轮系在各种机械中都有广泛的应用。但从其功能上来看，主要归纳为以下十种功能：1、实现大传动比的减速或增速传动只须适当选择齿轮的对数和各轮齿数，就可获得所需的大传动比传动，而且外廓尺寸远比使用一对齿轮小，尤其是采用周转轮系，更可以在使用很少的齿轮并且保证结构紧凑的条件下，得到很大的传动比。2、实现较远距离的一对齿轮传动采用多个齿轮组成一定轴轮系，可显著减少整个机构的空间，还可以节省材料和成本。3、实现换向传动机械的原动机转向一般不

21、变，而执行机构的执行构件的回转方向因工作需要必须能够时正时反，采用适当的轮系可方便地反复变换执行构件的转向。4、实现变速传动在主轴转速不变的情况下，利用轮系可使从动轴得到若干种转速，这种传动称为变速传动。5、实现分路传动在一个动力源的机械中，常常需要多个执行构件协调配合起来完成预期的动作，可采用若干轮系作为几个分路传动来实现。6、用作运动的合成在差动轮系中，若给定两个基本构件的运动，则第三个基本构件的运动就是两个给定运动的合成。差动轮系的这种功能，使它在机床、计算机、补偿调整等装置中得到了广泛的应用。7、用作运动的分解差动轮系不仅能将两个独立的转动合成一个转动，而且还能将一个主动件的转动按需要

22、的比例分解为两个从动件的不同的转动。8实现多种多样的运动轨迹周转轮系的行星轮上各点的运动轨迹是许多形状和性质不同的摆线，因此可利用这点实现各种摆线的功能，在生产中形成各种复杂的运动轨迹。9、实现复杂的动作采用多动力源的组合轮系，可使与其行星轮相联的执行构件实现复杂的动作。10、实现复杂的运动规律 将轮系和连杆机构、凸轮机构，适当组合所组成的齿轮连杆组合机构、齿轮凸轮组合机构可实现各种各样的复杂运动规律。2.2轮系的现状和发展趋势1、国外现状在国外，由齿轮、轴、轴承及箱体组成的不同类型轮系，是使用量大、应用面广的一种传动系统。目前世界上齿轮最大传递功率已达6500kW，最大线速度达210 m/s

23、 （在实验室中达300m/s），齿轮最大重量达 200t，最大直径为 25.6m （组合式），最大模数达 50mm。轮系中行星齿轮传动的应用，于 1951 年首先在德国获得成功。其后世界各国都先后研究并获得成功，均有系列产品，并已成批生产，普遍应用。英国 Allen 齿轮公司生产的压缩机用行星减速器，功率达 25740kW；德国Renk 公司生产的船用行星减速器，功率为 11030kW。低速重载行星减速器已由系列产品发展到生产特殊用途产品，如法国生产用于水泥磨、榨糖机、矿山设备的减速器，输出转矩最高达 4150kNm；德国生产矿井提升机的减速器，传动比为 13，输出转矩为 350kNm。在齿轮

24、传动方面，国外已可生产功率60000kw以上，圆周速度300m/s的齿轮。汽车等运输工具的齿轮，其寿命已接近整机寿命的水平。许多高可靠性的齿轮，已可使用几十年而无明显的损伤。2、国内现状我国自行设计的高速齿轮（增）减速器的功率已达44000kW，齿轮圆周速度达 150m/s以上。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度提高到 GB10095- 88的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在 45 级。部分轮系采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了大幅度的提高，对节能和提高轮系的总体水平起到明显的作用。我国也成功研制出了高速大功率的多种行星齿轮减速

25、器，如列车电站燃气轮机、万立方米制氧透平压缩机和高速汽轮机的行星齿轮箱等。功率为 12000 kW的行星增速起和输出扭矩达 1000 kNm的行星减速器。各种少齿差、蜗杆减速器已组成专业化生产并达到年产总计数十万台的水平。轮系的应用不仅限于定轴轮系和基本周转轮系，复合轮系使轮系的应用领域进一步拓展。复合轮系现已逐渐成为新的重点研究领域，特别是利用图论研究复合轮系的构型与分析正在形成新的热点。轮系的发展趋势近十几年来，由于计算机技术与数控技术的发展，CAD/CAM的广泛应用，改变了设计与制造业的传统观念和生产组织方式，从而推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化，以及造型设计艺术化，使

26、产品更加精致、美观。可在轮系设计的同时进行工艺过程设计及安排轮系整个生产周期的各配套环节。市场的快速反应大大缩短了轮系产品投放市场的时间。零部件企业正向大型化、专业化、国际化方向发展。一些先进的轮系生产企业已经采用参数化、智能化等高效率设计和敏捷制造、智能制造等先进技术，形成了高精度、高效率的智能化轮系生产线和计算机网络化管理。现在，世界各国都在要求轮系设计与制造应更趋于完善，使齿轮传动达到更高的水平，以便更好的满足社会对复合型和傻瓜型产品的需求。目前轮系正向以下几个方向发展：（1）高速大功率及低速大转矩的复合轮系；（2）高效率、小体积、大功率、大传动比的复合轮系；（3）无机变速轮系；（4）复

27、合式行星齿轮传动；（5）多自由度多封闭链的复合轮系；（6）利用图表理论对新型复合轮系的探索。我国在机械轮系研究领域已经拥有了一支实力比较雄厚的研究开发队伍，建成了一批具有现代化装备的专业工厂与研究机构，并在轮系发展前沿进行了不少卓有成效的研究与开发工作。但是，我国轮系产品与国外先进水平相比尚有很大差距，总的来说是质量差、可靠性低、寿命短、承载能力低、噪声大。如汽车、机床等装备中的齿轮普遍达不到国家标准；冶金机械、矿山机械、通用机械、汽车等产品中齿轮的寿命仅为国外产品的1/21/3。总之，当今世界各国轮系技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高

28、可靠性和高传动效率；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。基本轮系的工作原理的研究逐渐趋于完善；轮系的优化设计正朝着多目标多约束模糊优化方向发展；参数化 CAD技术是轮系设计实现标准化、系列化的主要途径之一，为保证各轮系得到快速推广应用，研制其参数化设计软件是今后的重要课题；复合轮系的新型组合和创新的轮系的重点研究领域。2.3本设计的意义本设计是为了方便学生对轮系有更清楚地了解，对于机械原理等基础课程有更深一步的认识，因此作为传统的轮系实验台，我们很难将其内部结构清楚地展示。尤其作为教学用轮系结构，由于轮系本身有很多类型，而不同类型结构的差异也很大，尤其是周转轮系和复合轮系结构的特殊性，

29、如果仅就平面图形观察，很难从实质上理解其运动形式，容易在轮系传动比计算或其运动分析过程中产生困惑。因此本设计按照现代机械原理和结构理论，以提高设计思维能力、动手能力、创新能力为出发点，设计的一种实验用综合轮系实验台。在实验过程中，会为学生提供不同的齿轮、轴、轴承等相关零件，学生可以根据自己所学知识，按照自己的设计来组装轮系实验台，通过这样的方法来提高对空间轮系的理解，更好的学习和掌握空间轮系的知识重点，加深对其的理解，真正的做到学以致用。 机械运动方案设计3.1 机械现代设计方法简介机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。由于现代设计方法正在不断发展，人们对他的内涵看法不一，尚无明确的

30、域界。但对它的特征和发展方向，可以从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下述某些方面的转化：以动态的取代静态的如以机器结构动力学计算取代静力学计算；以实时在线测试数据作为评价依据等。以定量的取代定性的如以有限元法或（和）边界元法计算箱体的尺寸和刚度取代经验类比法的设计。以变量取代常量如可靠性设计中用随机变量取代传统设计方法中当作常量的粗略处理方法。以优化设计取代可行性设计用相关的设计变量恰当的建立设计目标的数学模型，从众多的可行解（方案）中寻求其最优解。以并行设计取代串行设计以微观的取代宏观的如以断裂力学理论处理零件材料本身微观裂纹扩展引起的

31、低应力脆断现象，建立以损伤容限为设计判断的设计方法；润滑理论中的微-纳米摩擦学等。以系统工程法取代分部处理法将产品的整个设计工作作为一个单级或多级的系统。用系统工程的观点分析划分其设计阶段及组成单元，通过仿真及自动控制等手段，综合最优地处理它们的内在关系及系统与外界环境的关系。以自动化设计取代人工设计总之，设计工作本质上是一种创造性的活动，是对知识和信息等进行创造性的运作和处理。发展机械现代设计方法，实质上就是不断追求最机智、最恰当而且最迅速地解决用户要求、社会效益、经济效益、机械内在要求等对机械构成的全部约束条件。机械现代设计方法发展很快，目前常见或较易见到的有：计算机辅助设计（CAD：co

32、mputer-aided design）、优化设计（OD：optimization design）、可靠性设计（RD：reliability design）、摩擦学设计（TD:tribology design）、设计方法学设计（DMD：design-methodology design）、并行设计（CD）、虚拟产品设计（VPD：virtural-product design）、质量驱动设计（QDD：quality-driven design）、参数化设计（PD：parametrization design）、智能设计（ID：intelligent design）、分形设计（FD：fractal

33、 design）、基于实例设计（CBD：case-based design）、网上设计（OND：on-net design）等。3.2总功能分析明确设计性轮系综合实验台的设计任务我的毕业设计题目是：设计空间轮系综合实验台。它要求该实验台具有一个通用底座，通过简单的通用件的拆装就可以把空间定轴轮系和空间差动轮系分别按一定原理和方法进行安装实验，给一个或两个动力，就能够使安装的轮系能正常运转，并且通过传感器进行测速来验证各种轮系实际传动比与理论传动比的差异，本设计性轮系综合实验台要求可以应用于教学环节中，适应同学们对轮系实验的需要。随着改革开放的不断进行，社会对于人才的要求也在不断增长，也对人才的

34、质量要求越来越高，这就要求学校要加强对学生质量的管理，在掌握书本知识的同时，加强对学生动手能力的训练，把他们培养成为社会所需要的合格的科学技术人才。我的设计主要针对的是学生，主要用于我校使用的“面向21世纪课程教材 由邹慧君 傅祥志 张春林 李杞仪 主编的机械原理”，所以该设计主要是把空间定轴轮系、空间差动轮系分别和通用支架构成一个齿轮传动系统，学生通过该实验能够更加直观的了解各种空间轮系在实际生产和生活中的应用，从而开阔他们的视野，为他们能够更好的掌握书本知识奠定必不可少的基础。设计性轮系综合实验台设计要求加工容易、操作方便、结构紧凑，动作稳定可靠。3.3基本概念在机器中，常将一系列相互啮合

35、的齿轮组成传动系统，以实现变速、分路传动、运动分解与合成等功用。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。根据轮系运转中齿轮轴线的空间位置是否固定，将轮系分为定轴轮系和周转轮系两大类。1.定轴轮系 轮系运转时，其中各齿轮的回转轴线位置固定不动，则称之为定轴轮系。若所有齿轮的轴线全部在同一平面或相互平行的平面内，则称为平面定轴轮系；若所有齿轮的轴线并不全部在同一平面或相互平行的平面内，则称为空间定轴轮系。它可以由圆柱齿轮，圆锥齿轮，蜗杆蜗轮等组成。如图3.1所示图.2.周转轮系轮系运转时，至少有一个齿轮轴线的位置不固定，而是绕某一固定轴线回转，称该轮系为周转轮系。如图.所示。又可根据自由度数的不同

36、，将周转轮系分为差动轮系和行星轮系两类。（）差动轮系 若周转轮系的自由度为2，则称其为差动轮系。此轮系需要有两个独立运动的主动件。如图.a所示。（）行星轮系 若周转轮系的自由度为1，则称它为行星轮系。该轮系只需要有一个独立运动的主动件。如图.b所示。图.周转轮系还可根据基本构件的不同分类。其中绕着固定轴线回转的这种齿轮称为中心轮（或太阳轮）以K表示，支撑行星轮的构件称为系杆以H表示，绕自身轴线回转又绕着其它齿轮的固定轴线回转的齿轮称为行星轮，在周转轮系中，一般都以中心轮或系杆作为运动的输入或输出构件，常称其为周转轮系的基本构件，则图3.2所示轮系可称为2K-H型周转轮系，图3.3所示轮系则称为

37、3K型周转轮系。图3.3所示的轮系中有3个中心轮(图中的齿轮1、3和4)故称为3K型周转轮系，该轮系的系杆H仅起支承行星轮2-2的作用，不传递外力矩，因而不是基本构件。图. 图.所以本次设计的空间轮系实验台涉及到定轴轮系和周转轮系。对于本次设计的难点在于实验台为空间轮系，不同于以往的平面轮系设计，要求在轮系的空间布局上和设计方案上必须合理且便于学生们在实验中安装。因此在选择传动过程中选择涡轮蜗杆传动和锥齿轮传动分别作为空间定轴轮系和空间差动轮系的传动部件。利用这些部件在空间装备上的特点可以简单并且准确的组成便于学生学习和掌握的轮系实验台。如图3.5和图3.6图3.5图3.63.4定轴轮系传动比

38、及设计要点在机器中，常将一系列相互啮合的齿轮组成传动系统，以实现变速、分路传动、运动分解与合成等功用。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。轮系运转时，其中各齿轮的回转轴线位置固定不动，则称之为定轴轮系。它可以由圆柱齿轮，圆锥齿轮，涡轮蜗杆等组成。轮系中首轮和末轮的角速度（或转速）比称为轮系的传动比。当首轮用“”，末轮用“k”表示时，其传动比的大小为： 在进行轮系的运动分析时，主要是确定其传动比的大小及首末两轮的转向。 前述已知一对齿轮的传动比 此等式表示齿轮1与齿轮2的角速度之比与两齿轮的齿数成反比。当一对外啮合齿轮传动时，两齿轮的转向相反；一对内啮合齿轮传动时，两齿轮转向相同。图3.7a

39、、图3.7b、图3.7c所示分别为外啮合齿轮、内啮合齿轮及锥齿轮传动各齿轮转向的标注法。A b c图.73.4.1平面定轴轮系的传动比传动比的大小设各轮的角速度和齿数分别用、和、表示，轮系中各对齿轮的传动比为：将以上各式等号两边联乘后的：故上式表示定轴轮系首、末两轮的传动比的值为所有从动轮齿数的乘积与所有主动轮齿数的乘积的反比。其值也等于组成该轮系中各对齿轮的传动比的连乘积。对于齿轮系，设输入轴的角速度为，输出轴的角速度为 ,按定义有：当时为减速, 时为增速。因为轮系是由多对齿轮相互啮合组成的，当轮系由k对啮合齿轮组成时，有： （3.1）首、末两轮转向的确定因为角速度是矢量，故传动比计算还要确

40、定首、末两轮的转向，由于平面定轴轮系各轮的轴线均平行，故首、末两轮的转向不是相同，就是相反，因此在计算轮系的传动比时，应计入传动比的符号。当时，首、末两轮转向相同；当时，首、末两轮转向相反。对直齿轮表示方法有两种。1）用“”、“”表示适用于平面定轴轮系，由于所有齿轮轴线平行，故首、末两轮转向不是相同就是相反，相同取“”表示，相反取“”表示，一对齿轮外啮合时两轮转向相反，用“”表示；一对齿轮内啮合时两轮转向相同，用“”表示。可用此法逐一对各对啮合的齿轮进行分析，直至确定首、末两轮的转向关系。假设轮系中有m对外啮合齿轮，则末轮转向为，此时有： （3.2）另外，从以上定轴轮系传动比的公式可知，当一齿

41、轮对轮系的传动比大小无影响，但它却影响了末轮的转向。如果将这一齿轮去掉，该轮系的传动比保持不变，但此时末轮的转向变了，这种齿轮通称为惰轮。2）用箭头标注法在已知首轮的转向时（若首轮的转向未给出，则假设给首轮一个转向），可根据运动传递的顺序，在运动简图的各齿轮上逐个画出箭头以确定末轮的转向。外啮合时：两箭头同时指向（或远离）啮合点。头头相对或尾尾相对。内啮合时：两箭头同向。3.4.2空间定轴轮系的传动比由于空间定轴轮系中包括空间齿轮，因此首、末两轮的轴线不一定平行。1 传动比大小空间定轴轮系传动比大小可以按式（3.1）和式（3.2）来计算。 首、末两轮转向的确定1）首、末两轮平行当空间定轴轮系首

42、、末两轴线平行时，传动比计算式前应加“+”、“”号，表示两轮的转向。但其符号不能用式（3.2）来确定，而只能用标注箭头法确定。2）首、末两轴线不平行对于首、末两轴线不平行的空间定轴轮系，在传动比计算式中不用加符号，但必须在运动简图上用箭头标明各轮的转向。（1）对于锥齿轮转向的确定：一对相互啮合的锥齿轮其转向用箭头表示时箭头方向要么同时指向节点，要么同时背离节点。（2）对于蜗轮蜗杆转向的确定：由齿轮机构中蜗轮蜗杆的知识可以知道，一对相互啮合的蜗轮蜗杆其转向可用左右手定则来判断。3.4.3定轴轮系设计要点1.应根据工作要求和使用场合恰当的选择定轴轮系的类型:当设计的定轴轮系用于高速、重载场合时，为

43、了减小传动的冲击、振动和噪音，提高传动性能，宜优先选用由平行轴斜齿轮组成的定轴轮系； 当设计的轮系在主、从动轴传递过程中，由于工作或结构空间的要求，需要转换运动轴线方向或改变从动轴轴向时，可选择含有圆锥齿轮传动的定轴轮系； 当设计的轮系用于功率较小、速度不高但需要满足交错角为任意值的空间交错轴之间的传动时，可选用含有交错轴斜齿轮传动的定轴轮系； 当设计的轮系要求传动比大、结构紧凑或用于分度、微调及有自锁要求的场合时，则应选择含有蜗杆传动的定轴轮系。2.要确定定轴轮系中各轮的齿数，关键在于合理的分配轮系中各对齿轮的传动比。为了把轮系的总传动比合理的分配给各对齿轮，在具体分配时应注意下述几点：1）

44、每一级齿轮的传动比要在其常用范围内选取。齿轮传动时，传动比为57；蜗杆传动时，传动比不大于80。2）当轮系的传动比过大时，为了减小外廓尺寸和改善传动性能，通常采用多级传动。当齿轮传动的传动比大于8时，一般应设计成两级传动；当传动比大于30时，常设计成两级以上齿轮传动。3）当轮系为减速传动时，按照前大后小的原则分配传动比较有利。同时，为了使机构外廓尺寸协调和结构匀称，相邻两级传动比的差值不宜过大。运动链逐级减速，可使各级中间轴有较高的转速和较小的扭矩，从而获得较为紧凑的结构。4）当设计闭式齿轮减速器时，为了润滑方便，应使各级传动中的大齿轮都能浸入油池，且浸入的深度应大致相等，以防止某个大齿轮浸油

45、过深而增加搅油损耗。根据这一条件分配传动比时，高速级的传动比应大于低速级的传动比，通常取高速级的传动比为1.31.4低速级传动比。由以上分析可见，当考虑问题的角度不同时，就有不同的传动比方案。因此，在具体分配定轴轮系各级传动比时，应根据不同条件进行具体分析，不能简单的生搬硬套某种原则。一旦根据具体条件合理的分配了各对齿轮传动的传动比，就可以根据各对齿轮的传动比来确定每一个齿轮的齿数。3.5差动轮系的传动比及设计要点3.5.1周转轮系的分类轮系运转时，至少有一个齿轮轴线的位置不固定，而是绕某一固定轴线回转，称该轮系为周转轮系。周转轮系的种类很多，常用的分类方法如下：1按周转轮系的自由度分类1）差

46、动轮系 若周转轮系的自由度为2，则称其为差动轮系。此轮系需要有两个独立运动的主动件。2）行星轮系 若周转轮系的自由度为1，则称它为行星轮系。该轮系只需要有一个独立运动的主动件。2. 按基本构件的组成分类1）2K-H型周转轮系： 该轮系的特点是轮系中有2个中心轮。2）3K型周转轮系： 该轮系中有三个中心轮，而其中的行星架H只是起支撑行星轮的作用。3）K-H-V行星轮系 ：该轮系中只有一个中心轮，其运动是通过等角速机构由V轴输出。3.5.2周转轮系的传动比周转轮系由回转轴线固定的基本构件太阳轮（中心轮）、行星架（系杆或转臂）和回转轴线不固定的其它构件行星轮组成。由于有一个既有公转又有自转的行星轮，

47、因此传动比计算时不能直接套用定轴轮系的传动比计算公式，因为定轴轮系中所有的齿轮轴线都是固定的。为了套用定轴轮系传动比计算公式，必须想办法将行星轮的回转轴线固定，同时不能让基本构件的回转轴线发生变化。我们发现在周转轮系中，基本构件的回转轴线相同，而行星轮绕其自身轴线转动，有随系杆绕其回转轴线转动，因此，只要想办法让系杆固定，就可将行星轮的回转轴线固定，即把周转轮系变为定轴轮系，这种方法称为反转法或转化机构法。反转原理：给周转轮系施以附加的公共转动后，不改变轮系中各构件之间的相对运动， 但原轮系将转化成为一新的定轴轮系，可按定轴轮系的公式计算该新轮系的传动比。转化后所得的定轴轮系称为原周转轮系轮系

48、的“转化轮系”。设、分别为中心轮1、3、行星轮和行星架的角速度（绝对角速度），如果给整个周转轮系加上一个的公共角速度，此时行星架就相对固定不动，原周转轮系就转化为固定轮系，在转化轮系中各构件的角速度如下：构件转化轮系中各构件的角速度（相对于行星架的角速度）123H1 转化轮系的传动比计算由于转化轮系相当于定轴轮系，故其传动比i可按定轴轮系的传动比公式进行计算即： （3.3）2 使用转化轮系传动比公式的注意事项1）式（3.3）只适用于转化轮系的首、末两轮轴线平行的情况。2）由于使用式（3.3）时，首、末两轮轴线必须平行，故齿数比前要加“+”号或“”号。“+”号表示转化轮系首、末两轮转向相同，“”

49、号表示首末两轮转向相反。因为此处的“+”、“”号不仅表明转化轮系首末两轮的转向，还直接影响各构件角速度之间的数值关系。3）、均为代数值，应用式（3.3）时要带相应的“+”、“”号，如转向相同，用同号带入，若转向不同应分别用“+”、“”号代入。在已知周转轮系中各轮齿数的条件下，已知、中的两个分量（包括大小和转向），就可按式（3.3）确定第三个量并注意第三个构件的转向应由计算结果的“+”、“”号来判断。由于行星轮系中有一个中心轮的转速为零，若令行星轮系的中心轮k固定，由于其转速n=0,故由（3）式可推导出由以上分析可知，周转轮系中各个构件的转速的确定，轮系中两构件的传动比，一定要借助转化轮系的传动

50、比求得。3.7 确定运动方案1.定轴轮系运动方案的确定空间定轴轮系的运动方案简图如图3.7所示。图.2.差动轮系运动方案的确定空间差动轮系的运动方案简图如图3.8所示。图.3.8蜗杆的确定及计算选择蜗杆传动类型根据GB/T 10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。选择材料考虑到蜗杆传动的功率不到，速度只是中等，故蜗杆用45钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55 HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面

51、接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由公式可知，传动中心距（1）确定作用在蜗轮上的转矩T2按Z1=2，估却效率=0.8，则（2）确定载荷系数K因工作载荷平稳，故取载荷分布不均系数K=1；有表3.1选取使用系数KA=1；由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数Kv=1.05；则表3.1 使用系数KA工作类型IIIIII载荷性质均匀、无冲击不均匀、小冲击不均匀、大冲击每小时起动次数起动载荷小较大大KA11.151.2（3）确定弹性影响系数ZE因选用的是铸锡磷青铜和钢蜗杆相配，故ZE=160。（4）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值，从图3.9中可查得Z=2.9。图3

52、.9（5）确定许用接触应力根据蜗轮材料为灰铸铁HT200，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度，可以从表3.2中查得蜗轮的基本许用应力=268 MPa表3.2 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 MPa蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度铸锡磷青铜ZcuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZcuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140应力循环次数 寿命系数 则 （6）计算中心距取中心距a=50 mm，因i=20，故从机械设计书中表3.3中去模数m=2 mm，蜗杆分度圆直接d1=22.4 mm。这是，从图3.9中可查得Z=2.38。因，因此以上计算结果可用。表3

53、.3蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸蜗杆轴向齿距Pa=6.28 mm；直径系数q=；齿顶圆直径da1=d1+2ha1=26.4 mm；齿根圆直径dn=d1-2hf1=15.2 mm；分度圆导程角=19.65；蜗杆轴向齿厚Sa=3.14 mm。蜗轮蜗轮齿数Z2=39；变位系数X2=+0.1；验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮咽喉母圆半径 校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数 根据， 图3.10中可查得齿形系数图3.10螺旋角系数许用弯曲应力从表3.4中查得有ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力表3.4蜗轮的基本许用弯曲应力 蜗轮材料铸造方法

54、单侧工作双侧工作铸锡青铜ZCuSn10P1砂模铸造4029金属模铸造5640铸锡锌铅青铜ZCuSnPb5Zn5砂模铸造2622金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造8057金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸造4834寿命系数 弯曲强度是满足的。验算效率的已知；与相对滑动速度有关。从表3.5中用插值法查得=0.0364、=2.0445；代入式中得，大于原估计值，因此不用重新算。表3.5精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、蜗杆精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注8f GB/t10

55、089-1988。3.9锥齿轮的设计及计算1、选定齿轮精度等级、材料及齿数材料选择。由表3.6选择小齿轮材料为40Cr（调质）， 为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为280HBS，二者材料硬度差为40HBS。选小齿轮齿数为Z1=24，大齿轮齿数为Z2=772、确定许用应力1）许用接触应力由表查得、，并取二者之间的小值计算取安全系数SH=1计算应力循环次数由图查得循环基数，由于，去KHL=1所以许用弯曲应力由表查得去安全系数SF取计算：一般的所以所以，3计算工作扭矩4根据接触强度，试求小齿轮分度圆直接其中,一般：，由图查得，求得5精确计算小齿轮的直接取 圆周速度，依据精确等级（下级一

56、级）和圆周速度由图查得计算，去挣后，作为齿轮的宽度，注意6根据弯曲疲劳强度，计算齿轮的模数m由，查图，得所以=2 （一般取b/R=1/3）7计算几何尺寸修正小齿轮的齿数：，大小齿轮的直径零件图的确定4.1蜗轮零件图的确定图.4.2锥齿轮零件图的确定图.4.3输入轴零件图的确定作回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动，大多数轴还起着传递转距的作用。轴要用滑动轴承来支承。轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中敏感性较小，较常用。最常用的45钢，为保证其力学性能应进行调质或正火处理。4.3.1输入轴设计的主要问题在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度和刚度。在设计轴时，

57、除应按工作能力准则进行设计计算或校合计算在结构设计上还需满足其它一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上有轴线移动，要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置：2）为传递扭矩，轴上零件还要作轴上固定；3）对轴与其它零件间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；4）轴的加工、热处理、装配、检验、维修等多应有良好的工艺性。4.3.2输入轴的设计轴的材料是45钢，车制，由于本设计装置中运转低，是传递转矩为主所以按许用切应力计算便可。已知输入功率P=0.5KW，转速n=300 r/min按扭矩作初步计算：轴受扭矩，在剖面中出现扭应力，其强度条件为故按扭矩计算的公式为 （4.1）其中为扭矩（N/）；p

58、为传递的功率（KW）；n为转速（）； 为材料的许用扭应力；d为轴的直径（mm）。查表4.1取126由式（4.1）得取轴的最小直径为15mm。表.轴常用几种材料的及值轴的材料Q235-A、275、35(1Cr18Ni9Ti)45 40Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13a152520352545355514912613511212610311297输入轴的设计图如下：图.轴上的载荷：首先根据轴的结构图4.3做出周的计算简图， 从轴的结构图和弯矩和扭矩中可以看错最细轴径是轴的危险截面。现将计算出的截面处的MH、MV及M的值列于下表4.2中。载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T表

59、4.2按弯扭合成力校核轴的强度：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。根据公式及上表4.2中的数据，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由表4.3查得。因此，故安全。4.3.3轴承的选择轴承是支承轴的部件。滑动轴承一般用在重载、有润滑的条件下。本设备转速底、用力不大、脂润滑所以采用滚动轴承。滚动轴承的优点：1）在一般工作条件下，摩擦阻力矩大体和液体动力润滑轴承相当，采用它机器启动力矩小； 2）径向游隙比较小； 3）对于同尺寸的轴颈，滚动轴承的宽度要比华东轴承的小，可使机器的轴向结构紧凑；4）大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷，轴

60、承组合结构简单。5）消耗润滑剂少，便于密封、易于维护；6）不需要用有色金属；7）标准化程度高成批生产，成本低。滚动轴承的缺点：1）承受冲击载荷能力差；2）高速重载下轴承寿命低；3）振动及噪声较大；4）径向尺寸比滑动轴承大。根据常用滚动大径向载荷较小时轴承的特点、类型和性能以及选择轴承时必须了解轴承的工作载荷、转速及其它使用要求选择的选用原则：a.转速较高、载荷较小、要求旋转精度高时应选用球轴承；载荷大或有冲击载荷时选用滚子轴承。b. 轴承在受径向和轴向载荷时一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；若径向载荷较大轴向载荷小可选用深沟球轴承；当轴向载荷较，可采用推力角接触球轴承。本设计中选用的是较常用