齿轮传动毕业设计.doc

引言汽车已经进入了千家万户，正逐渐成为了人们出行不可或缺的交通工具，让有车人能更方便的用车并对其进行保养，了解汽车显极为重要了，要了解汽车首先就得了解汽车的构件。其中齿轮在机械工程领域里是应用非常广泛的一类零件，是各种车内是不可缺少的零件，无论在车还是机器中，起着非常重要的作用。设计齿轮传动一般已知：传递的功率、转速、传动比、工作机和原动机的工作特性：外廓尺寸，中心距限制，使用寿命，可靠性要求，维修条件等。设计要求：确定齿轮传动的主要参数、几何尺寸、齿轮结构、精度等级，最后给出工作图。制造齿轮的材料及其热处理方法对齿轮传动的承载能力影响极大。只有正确的选择齿轮材料及其热处理方法，才能保证设计的齿轮传动满足使用要求。常用的齿轮材料是钢，其次是铸铁。有时也采用非金属材料。为了保证齿轮的效率，减小齿轮啮合处和轴承的摩擦损失，减小磨损，降低噪声，帮助散热和防止锈蚀，这就需要润滑。因此，齿轮传动必须经过润滑，借以保证运转正常，提高传递效率，延长使用寿命。在机械中又一个起着非凡功用的零件是轴，它主要是支撑旋转零件，传递动力和运动。轴在设计的过程中应尽量避免在某一部位造成应力集中现象。在设计轴时一般需要已知转速，传递功率，齿轮的参数。选择轴的材料应根据轴的工作要求，并考虑工艺性和经济性。根据轴上零件的数量，工作情况以及装配情况画阶梯结构设计草图。对设计好的轴进行校核时首先要对轴上传动零件进行受力分析对轴危险截面进行强度校核。当校核不合格时，还要改变危险截面的尺寸，进而修改轴的结构，直至校核和个为止。13 正文一、齿轮的失效形式在研究齿轮强度，进行齿轮设计时，必须了解齿轮传动的失效形式，分析产生失效的主要原因，然后确定齿轮强度的计算方法。1、轮齿折断：轮齿可简化为悬臂梁，受载荷作用后，齿根处产生的弯曲应力大，并由齿根圆角和切削刀痕等会引起应力集中，如果弯曲应力超过了齿根弯曲疲劳极限，在多次重复载荷作用下，齿跟处会产生疲劳裂纹，这种折断为疲劳折断。当轮齿受到意外的冲击和短时过载时，往往会发生突然折段，称为过载折断。在轮齿材料较脆和模数较小时容易发生。为防止轮齿弯曲疲劳折断，应对轮齿进行弯曲疲劳计算。此外，采用增大齿根过渡圆半径、提高齿面加工精度等，也能提高齿轮抗弯曲疲劳能力。2、疲劳点蚀轮齿工作时，工作表面上的接触应力按脉动循环变化。齿面长时间在交变接触应力作用下，可能出现微小的剥落而形成一些疲劳浅坑，称为疲劳点蚀。疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处。提高齿面硬度，降低齿面粗糙度、采用黏度较大的润滑油以及合理的变位等，都能提高齿面抗疲劳点蚀的能力。软齿面（齿面硬度350hbs）的闭式齿轮传动常因齿面疲劳点蚀而失效。为防止出现齿面疲劳点蚀，对闭式齿轮传动，需进行齿面接触疲劳强度计算。开式传动中，由于齿面磨损较快，一般看不到点蚀现象。3、齿面塑形变形：在重载下，较软的齿面可能产生局部的塑性变形，使齿面失去正确的齿形。提高齿面硬度，降低工作应力，减少载荷集中等，均可防止齿面塑性变形。4、齿面胶合：高速重载转动，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，使两齿面金属直接接触粘连，当两齿面相对运动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹，这种现象称为齿面啮合。低速重载中，由于齿面间的润滑油膜不易形成也可以产生胶合破坏。提高齿面硬度和减小表面粗糙度能增强抗胶合能力，对于低速传动采用黏度较大的润滑油，对于高速传动采用含抗胶合添加剂的润滑油也很有效。二、计算准则关于齿面胶合，我国已制定出渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法（gb641386），在设计高速重载齿轮传动时，如航空发动机主传动、发电机组传动等应作胶合计算。在工程中设计一般齿轮传动时，应根据gb/t34801997进行齿面接触疲劳强度和轮齿弯曲疲劳强度计算。当齿轮工作可能出现短时间、少次数（n0103）的重载荷和重复性中等冲击时、应对轮齿进行静强度核算。在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对齿面硬度很高，齿心强度又低的齿轮，如20钢、20cr钢经渗碳淬火后心部强度不足或材质较脆，如铸铁齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。如果两轮均为硬齿面，且硬度基本相同时，则可视实际情况而定。但闭式齿轮传动以接触疲劳强度设计，就应以弯曲疲劳强度校核。反之亦然，不能省略。开式传动的主要失效形式为齿面磨粒磨损和轮齿弯曲疲劳折断，由于目前没有完善的抗磨损计算方法，通常只进行弯曲疲劳强度计算。为了补偿轮齿因磨损而产生的影响，可考虑适当加大模数。对于齿轮的轮圈、轮辐、轮毂等部位的尺寸，通常仅作结构设计，不进行强度计算。三、齿轮材料及热处理由齿轮的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合、及抗塑性变形得能力，而齿根要具有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。对于直径较大或形状复杂的齿轮毛坯，可采用铸造方法制成铸钢毛坯。钢制齿轮常用的热处理方法如下：1、 渗碳淬火：将碳质量分数为0.15%0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20钢，20cr等进行渗碳淬火，齿面硬度可达5662hrc，齿面接触强度高，耐磨性好，齿心部保持较高的韧性，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。通常渗碳淬火后而磨齿。2、 调质：调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45钢，40cr等。调质后齿面硬度为220260hbs。对机械强度要求高而齿面硬度要求不高的齿轮，可用调质处理。3、 表面淬火：用于中碳钢和中碳合金钢，如45钢、40cr等。表面淬火后轮齿变形不大，齿面硬度达5256hrc。由于接触强度高，齿心有较高的韧性，能承受一定冲击载荷。4、 正火：正火处理能消除内应力、细化晶、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。5、 渗氮：渗氮是一种化学热处理。渗氮后不再进行其他热处理，齿面硬度可达60-62hrc,因渗氮处理温度降低，齿的变形小，故适用于难于磨齿的场合，例如内齿轮。常用的渗氮钢为38crmoala。四、参数的选择1、小齿轮齿数z1选择:若保持齿轮传动的中心距a不变，增加齿数，除能增大重合度，改善传动的平稳性外，还可以减小模数，降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。另外降低齿高还能减小滑动速度，减少磨损及减小胶合的可能性但模数小了，齿厚随之减薄，则要降低轮齿的弯曲强度。闭式齿轮传动一般传速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动以齿数多一些为好，小齿轮的齿数可取为z12040。开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不致过小故小齿轮不宜选用过多的齿数一般可取为z1=1720。为使轮齿免于根切，对于a=20的标准有齿圆柱齿轮，应取z117。2、齿宽系数d的选择：由齿轮的强度计算公式可知，轮齿愈宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜为窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数应取得适当。圆柱齿轮齿数宽系数d的荐用值列于表108圆柱齿轮的齿宽系数装置状况两支承相对小齿轮作对称布置两支承相对小齿轮作不对称布置小齿轮作悬臂对称d0.9-1.4(1.2-1.9)0.7-1.15(1.1-1.65)0.4-0.6圆柱齿轮的计算齿宽b=d*d1，并加以圆整，为防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致啮合齿宽减小，常把小齿轮的齿宽在计算齿宽b的基础上人为地加宽约510mm.3、模数的选择：在满足轮齿抗弯曲疲劳强度的条件下，尽可能取小模数，但为了避免意外断齿m1.52mm。4、对修正载荷：修正计算应力、修正许用应力的系数和疲劳极限等数据，如上述图表或给定值不能满足需要，应查阅gb/t3480-1997进行确定。对高精度齿轮传动设计更应以标准为依据，提高设计准确程度。5、设计步骤：根据圆柱齿轮设计方法，标准直齿圆柱齿轮传动设计计算，按以下步骤进行。1）选择齿轮材料、热处理及精度等级：齿轮材料及热处理方法的选择可参考表10-1。齿轮传动精度等级可参考表10-3选定。注意不要无充分的技术理由而随意提高齿轮精度，否则将提高成本。2）承载能力计算：齿轮传动承载能力计算应根据计算准则进行。对软齿面的闭式齿轮传动，齿轮承载能力主要由齿面接触疲劳强度条件所决定。设计步骤为：（1） 合理选着齿轮参数，按式（10-7）算出齿轮传动的模数m.齿轮参数，按式（10-7）算出齿轮传动的模数m.（2） 应用式（10-12）校核设计的齿轮传动的齿面接触疲劳强度。对开式和铸铁齿轮传动，不会发生点蚀失效，不需要再校核其齿面接触疲劳强度。（3） 当用设计公式计算齿轮的分度圆直径d1时，动载系数kv、齿间载荷分配系数ka及齿向载荷分布系数kb不能确定，此时可试选一载荷系数kc(如kc=1.21.4 )，算出来的分度圆值也是一个试算值d1c ，然后按d1c 值计算齿轮圆周速度，查取动载系数kv、齿间载荷分布系数ka及齿向载荷分布系数kb ,计算载荷系数k。若算得的k值与试选的kc值差不多，就不必修改计算；若相差较大，应按下式校正试算所得分度圆直径dc4) 计算齿轮的结构尺寸5）确定齿轮的结构尺寸 6）绘制齿轮的工作图五、 设计计算设计单级标准直齿圆柱齿轮减速器的齿轮传动，已知条件为：传动功率p=10kw，主动轮转速n1=950r/min ，传动比i =1.5,载荷平稳，单向回转，预期使用寿命为10年，原动机为电动机。 减速器应是闭式传动，通常采用软齿面钢制齿轮。根据计算准则，应按齿面接触疲劳强度设计，确定齿轮传动的参数、尺寸，然后验算齿轮弯曲疲劳强度。1、选择材料、热处理方法及精度等级（1）齿轮材料、热处理方法及齿面硬度：由表10-1，表10-2得：小齿轮选用45钢，调质处理，齿面硬度229286hbs；大齿轮选用45钢，正火处理，齿面硬度162217hbs；（2）精度等级：减速器为一般齿轮传动，估计圆周速度不大于6m/s ，由表10-3，初选8级精度。（3）选小齿轮齿数z1=24,大齿轮齿数z2=i*z1=361、 按齿面接触疲劳强度设计齿轮由于是软齿面的闭式齿轮传动，齿轮承载能力应由齿轮接触疲劳强度决定。（1）确定公式内的各参数取值1）试选载荷系数kc=1.3。2）计算小齿轮传递的转矩t1=9.55*106*p1/n1 =9550000*10/950=100526.3n*mm3）由表10-8选取齿宽系数d=1.24）由表10-10查得材料的弹性影响系数ze=189.8取zb=zd=1，zh=2.5，z=0.95）由图10-11c按齿面硬度中间值220hbs查得小齿轮接触疲劳强度极限hlim=560n/mm由图10-11b按齿面硬度中间值190hbs查得大齿轮接触疲劳强度极限hlim=400n/mm6）6)计算应力循环次数n1=60n1jlh=60*950*1*(10*300*8) =1.368*109 n2=n1/i=1.32*109/1.5=9.12*1087)由图10-12查得接触疲劳寿命系数znt1=0.91，znt2=0.93；由表10-11得zl*zv*zr =0.85；取zw1=1.13；zw2=1.16；zx1=zx2=1。8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数有表10-9取shmin= 1,由式（10-14）得：hp1=0.91*1.13*0.85*1*560/1=489.5n/mmhp2=0.93*1.16*0.85*1*400/1=366.8 n/mm（2）计算1）计算小齿轮分度圆直径d1c ,代入hp中较小的值d12*1.3*100526.3/1.2*2.5/1.5*(1*2.5*189.8*0.9/366.8) =76.5m2）计算圆周速度 v=3.14*76.5*950/60/1000 =3.14*76.5*950/60000=3.8m/s故选8级精度合适。3） b= d*d1c=1.2*76.5=91.8m4） 计算齿宽和齿高之比b/h模数：mc=d1c/z1= 76.5/24=3.19齿高：h=2.25m=2.25*3.19=7.17b/h=91.8/7.17=12.85)计算载荷系数由表10-4查得使用系数ka=1。根据v=3.8m/s ,8级精度，由图10-3查得动载系数kv=1.15;直齿轮，因为ka*ft/b100n/mm ,由表10-5查得kha=kfa=1.2。由表10-6查得khb=1.345故载荷系数k=ka kv kha khb=1*1.15*1.2*1.345=1.8566)按实际载荷系数校正所得的分度圆直径 ，由式（10-15）得：d1=76.5*1.856/1.3=86.1m7)计算模数m：m=d1/z1=86.10/4=3.59m取标准模数第一系列中的值m=43、轮齿弯曲疲劳强度较核（1）由图10-8b按齿面硬度取值为190hbs查得大齿轮弯曲疲劳强度极限：flim2=155n/mm ,小齿轮flim1=190 n/mm；（2） 由图10-9查得弯曲疲劳寿命系数ynt1=0.88;ynt2=0.9 ,取yst=2 ，y 与rel=1 ,yrrel=0.95 ,yx=1;（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数：sfmin=1.25fp1=0.88*190*0.95*2/1.25=254.1 n/mmfp2=0.9*150*0.95*2/1.25=212 n/mm（3） 计算载荷系数：ka=1 根据 v=3.14d1*n1/60000 =3.14*2*30*950/60000=2.98m/s 8级精度，由图10-3查得动载系数kv=1.2 ,取kfa=1.2 。由表10-6查得khb=1.35 （b=1.2d1=1.2*2*30=72mm）由图10-6查得kfb =1.35.故载荷系数：k=ka*kv*kfa*kfb=1*1.2*1.2*1.36=1.958（5）查取齿形系数和应力校正系数由表10-7查得：yfa1=2.65 , yfa2=2.28 , ysa1=1.58 ,ysa2=1.73（6）校核f1=2kt1*yfa1*yfa2/d/m/z1=2*1.958*100526.3/1.2/64/24*2.65*1.58 =37.3/mmfp1f2=2kt1*yfa2*yfa2/d/m/z1=2*1.958*100526.3/1.2/64/24*2.28*1.73=35.1/mmfp2抗弯强度足够。4、几何尺寸计算：1）d1=m*z1=4*24=96mm d2=m*z2=4*36=144mm2) a=0.5*(d1+d2)=0.5*(96+144)=120mm3) b=d*d1=1.2*96=115.2mm取b2=115 , b1=b2+(510)=115+5=120mm5、验算：ft=2t1/d1=2*100526.3/96=2094.3nka*ft/b=2094.3/120=17.5100n/mm查表10-5 ，kha=kfa=1.2 ,合适。若验算后和与原先查取的数值相差较大 ，则应重新计算载荷系数k（用验算后的kha和kfa） 。六、轴的设计一、轴的结构设计 轴的结构设计就是确定轴的外形和全部结构尺寸。影响结构的因素很多，设计时应针对不同的情况具体分析。但轴的结构设计原则上应满足如下要求：轴上零件有准确的位置和可靠的相对固定，良好的制造和安装工艺性，形状、尺寸应有利于减少应力集中。1、 轴上零件的定位和固定轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置；固定则是为了保证轴上零件在运动中保持原位不变。作为轴的具体结构，既起定位作用又起固定作用。常用的形式方法：轴环、弹性挡圈、套筒、销、键、花键、过盈配合、成形联接等等。2、 轴的结构工艺性轴的结构和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求。为此，常采用以下措施：（1） 当轴段需车制螺纹或磨削加工时，应留有退刀槽或砂轮越程槽。（2） 轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置。（3） 为了便于轴上零件的装配和祛除毛刺，轴及轴肩端部一般均应制出45度倒角。（4） 为便于加工，应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽、退刀槽和越程槽等尺寸一致。3、提高轴的疲劳强度轴大多在变应力下工作，结构设计时应尽量减少应力集中，以提高其疲劳强度。如，在轴径变化处的过度圆角不宜过小，尽量避免在轴上开横孔、凹槽，提高轴的表面质量，降低表面粗糙度，可采取改变轴受力情况和零件在轴上的位置等措施。二、 轴的设计步骤1、 选择轴的材料 根据轴的工作要求，并考虑工艺性和经济性，选择合适的材料。2、 初步确定轴的直径 可按扭转强度条件计算轴最细部分的直径，也可用此类比法确定。3、 轴的结构设计根据轴上零件的数量、工作情况及装配方案，画出阶梯结构设计草图。由轴最细部分的直径递推各段轴直径，相邻两段轴直径之差通常可取为510。各段轴的长度由轴上零件的宽度及装配空间确定。4、 轴的强度较核首先对轴上传动零件进行受力分析，画出轴弯矩图和扭矩图，判断危险截面，然后对轴危险截面进行强度较核。当较核不合格时，还要改变危险截面尺寸，进而修改轴的结构，直至较核合格为止。因此，轴的设计过程是反复、交叉进行的。（10）结构设计及绘制齿轮零件图 ，请看：附录1、附录2、附录3。 结论通过对齿轮及轴零件的设计以校核，我对齿轮和轴有了更深一步的了解，对于汽车专业的学生很有帮助，让我知道了怎样去判断某个齿轮和某个轴是否适合某个部位，与汽车紧密的结合起来了，从中有学到许多关于汽车的知识。作设计的过程不但学到了知识也提高了动手能力，查阅资料的同时也开拓了视野。在改造齿轮大小时，让我对以前所学的机械设计也有了更深的理解。齿轮设计的不同对承受力的大小有很大的影响，轴在设计时应采用变应力，结构设计时应尽量减少应力集中，提高其疲劳强度。另外在零件设计中能够实现的设计在应用领域中并不一定能实现，这就对改造有很大困难，机械设计是现代机械工业的重要技术，也是先进技术的基础，国家生产自动化技术水平综合表现在对设计技术的掌握及在实际生产中的应用。通过做此次毕业设计让我对齿轮及轴的用途和功能有了大致。可看齿轮及轴对现代社会的巨大影响，不管在日常生活还是在科学技术领域齿轮及轴都起着非常重要的作用，例如，航空、汽车、农业建筑方面的机械等许多零件及器件都是通过齿轮来传动的。此次通过我对齿轮设计，深知齿轮及轴对我们国家大型机械领域起着重要意义。毕业设计锻炼了我独立思考和设计的能力，把我们所学知识有效地结合在一起，是对我们大学三年来专业知识综合性的考核和测验。现在正是人们对精神生活的要求越来越高的时代，也伴随着现在生活压力的增大，时间对于人们来说越来越