插齿机设计与虚拟仿真

目 录1 绪论21.1引言21.2课题研究的目的意义41.3齿轮加工机床的发展现状及其趋势41.3.1齿轮加工的方法41.3.2插齿机的现状51.3.3插齿机的特点61.4本文主要内容72. 插齿机模型机械部分结构设计82.1插齿机的传动原理图82.2插齿机传动系统82.2.1 插齿机主运动链82.2.2 插齿机的圆周进给链92.3 本毕业设计的插齿机的展成运动链102.4 快速展成运动链102.5 插齿机的径向进给运动链112.6手动径向进给链和快速移动链122.7 让刀运动122.8 插齿机工作台133. 主要传动元件的选择与计算153.1电机的选择与校核153.2同步带的传动设计163.3齿轮传动173.3.1 齿面接触疲劳强度计算183.3.2齿根弯曲疲劳强度验算193.4轴的选用与校核203.5键连接233.6销联接243.7螺纹联接243.8圆锥齿轮的设计253.8.1锥齿轮设计输入参数253.8.2材料及热处理253.8.3齿轮基本参数263.8.4接触强度、弯曲强度校核结果和参数273.9 传动比i=25.5蜗轮蜗杆的设计293.9.1普通蜗杆设计输入参数293.9.2材料及热处理293.9.3蜗杆蜗轮基本参数(mm)293.9.4强度刚度校核结果和参数：303.10 链传动设计31结论36致 谢39参考文献391 绪论1.1引言齿轮作为传动件，在我们的工业生产中十分常见并且在实际生产过程中得到广泛的应用。随着科学技术的不断发展，我们的机械设备对齿轮的精度越来越高。同时工业的发展，对齿轮的需求量也在不断增加，这就要求我们生产出高效率和高自动化的齿轮加工设备，以便于齿轮的大批量生产。在日常加工生产过程中，插齿机常常是用来对内、外啮合圆柱齿轮的轮齿面进行加工的。就目前而言，插齿机在造船、工程机械、电力、机床制造等行业的齿轮制造均有使用。插齿机因为其工作效率高，切割精度高等优点，让其能够极大地改善劳动环境和减少工人不必要的手工劳动，所以插齿机能够广泛应用。插齿机主要的加工对象为直齿圆柱齿轮、各种形状的非圆齿轮和凸轮。插齿机在加工过程中从执行部件的动作分解，主要有以下五个运动：插齿川往复运动(主运动)、插齿刀回转运动、工作台主轴回转运动、工作台部件径向迸给运动、刀架部件让刀运动。机床系三轴数控插齿机，即：工作台部件径向迸给运动、工作台主轴回转运动、插齿刀回转运动均可实现数控轴控制，这三个运动形成齿轮的渐开线齿廓。另外，插齿刀往复运动产生齿轮齿面，刀架部件让刀运动不参与齿廓、齿面的形成，但是让刀归位的误差对齿面的加工精度产生影响。图l.1及图l.2所示为插齿机及运动简图。1.1插齿机简图图1.2 插齿机运动简图1.2课题研究的目的意义随着21世纪的到来，国内的机械加工业和加工技术迅速发展，同时因为数控技术在现在加工业中的广泛应用。零件的加工有很多种，如锻造、铸造、切削、焊接加工等，在这些加工的过程当中，大部分加工工序都是靠机床来完成的。机床的加工精度在一定程度上严重影响了加工质量和生产率。齿轮是最为广泛使用的传动元件，各行各业的发展完全离不开齿轮。在科学技术发展的今天，想要提高产品的质量和劳动生产率，就要提高机床的生产精度和自动化程度。在机床的生产过程当中，影响最大的还是齿轮。只有齿轮的质量得到了保证，机床的加工效率和自动化程度才有可能得到提高。本课题以CC-型教学插齿机为基础，经过查阅大量的文献资料和总结前人的经验，设计出一台能够加工毛坯件8220的插齿机。此次设计的插齿机采用链传动，由于参考了老师的意见和借鉴了前人的成果，所以结构上更加合理，性能上更加稳定。1.3齿轮加工机床的发展现状及其趋势1.3.1齿轮加工的方法热轧、铸造或者冲压虽然都属于制造齿轮的经典方法，但是这样传统的制造工业在精度上很难满足现在零件的需要。为了达到高精度，我们常使用切削法。按照齿形的原理分类，切削齿轮的方法可分为两大类：成形法和展成法。成形法具有加工精度低和生产效率低等缺点，但是这种加工方法简单，不需要专用的机床，此法适用于生产精度要求低和小批量生产。就目前而言，成熟的齿轮加工工艺已经在生产工业的方方面面广泛应用。 展成法的最具有代表的加工便是插齿机加工齿轮。展成法加工齿轮，只要是相同模数的齿轮，不管齿数有多少都能加工，而且只用一把刀具。生产率和加工精度都比较高，可以将齿查到近轴肩处。在齿轮加工中，展成法应用广泛程度远远高于其他方法。加工方法是刨削法和插削法。本文将以 CC-型教学插齿机为对象，详细介绍一下插齿机的设计过程及运作特点。1.3.2插齿机的现状 纵观发达国家，他们生产的齿轮在体积上越来越小，转动速度也得到了发幅度的提高。通过提高渐开线齿轮的承载力，可以使齿轮装置变得越来越小。这些国家采用硬齿面技术，通过提高硬度减小了装置的尺寸值；也可以用特殊齿形，例如圆弧齿轮。现在船舶动力已采用中速柴油机，在许多大型船上采用大功率行星齿轮装置有很高的效率；在大型机械的大型传动装置中，都采用行星齿轮。为了与发达国家接轨，就需要我们生产出精度更高的齿轮。为了提高齿轮的精度和生产效率就需要我们发展齿轮的制造工艺。从1960年到现在，齿轮的制造精度已经提高了2级左右，最高的达到了 3级。低速齿轮的精度过去是7级，现在达到了9级。机床传动系统中的齿轮以前是5级，现在提高到6级. 由于高性能滚齿机的出现和刀具的发展，大大提高了小模数中小规格齿轮的滚齿效率。如果用多头的滚齿刀，能够提高窃谑速度到100m/s。假如采用超硬的滚齿刀加工模数3的调质钢齿轮，切削速度甚至可以达到度可达200ms，由于受到插齿机刀具往复运动机构的限制，降低了插齿机的效率。近年来使用了静压轴承，刀架和立柱等新结构刚性得到提高后，提高了插齿机的插齿效率。新型插齿机呢，冲程数已经达到了2000多次min。插齿机大约可以分为卧式和立式两种，一般情况下，卧式的插齿机应用比较广泛。在立式插齿机上插齿刀装在刀具主轴上同时作旋转运动和上下往复插削运动工件装在工作台上作旋转运动工作台(或刀架)可横向移动实现径向切入运动。刀具回程时刀架向后稍作摆动实现让刀运动(图1.3立式插齿机(刀具让刀)或工作台作让刀运动。加工斜齿轮时通过装在主轴上的附件(螺旋导轨)使插齿刀随上下运动而作相应的附加转动。20世纪60年代出现高速插齿机其主要特点是采用硬质合金插齿刀刀具主轴的冲程数高达2000次/分采用静压轴承(见液体静压轴承)和静压滑块由刀架摆动让刀以减少冲击。卧式插齿机具有两个独立的刀具主轴水平布置作交错往复运动主要用来加工无空刀槽人字齿轮和各种轴齿轮等。此外还有使用梳齿刀的插齿机工作时梳齿刀作往复切削运动和让刀运动工件作相应的转动并在平行于梳齿刀节线方向上作直线运动两者构成展成运动(见齿轮加工)工件的分齿是间歇的。图1.3 立式插齿机1.3.3插齿机的特点 面对特殊的传动系统，同时还要兼顾到方便且高精度的啮合直齿圆柱齿轮，我们选用插齿机作为齿轮的加工设备。如果在插齿机上安装一些特殊的装备，在一定程度上能够加工出特殊的齿轮。插齿机已经成为一种应用普遍且较为成熟的齿轮加工机器了。1.4本文主要内容 为了增强市场竞争力，缩短与世界发达国家的水平，我们需要引进和研究齿轮加工设备。目前，一些齿轮切割机在许多方面已经形成了自己独特的特点，自动化，多功能和高可靠性。在技术性能超过了国外的技术水平更是某些方面，已经达到了世界一流水平。 从发展趋势上来看，齿轮加工机床的市场上插齿机将保持起独有的基本市场，数控齿轮加工机床市场将会在一定程度上增加。而数控滚齿机、数控插齿机、数控磨齿机、数控锥齿轮加工机床将会成为齿轮加工市场的主要力量。整个齿轮加工机床市场将会不断的扩大。提高齿轮加工机床操作系统的易用性；提高齿轮加工机床的生产效率和产品质量；降低生产使用成本；提高齿轮加工机床的整机自动化水平及系统稳定性成为其技术发展的方向。本课题以CC-型教学插齿机为基础，经过查阅大量的文献资料和总结前人的经验，设计出一台能够加工毛坯件8220的插齿机。此次设计的插齿机采用链传动，由于参考了老师的意见和借鉴了前人的成果，所以结构上更加合理，性能上更加稳定。其主要工作内容如下:1.插齿机实验平台方案的设计；2.运用SOLIDWORKS三维设计软件进行机构建模和运动仿真；3.对插齿机模型关键零件进行尺寸计算;4.绘制非标准零件的工程图和装配图。2. 插齿机模型机械部分结构设计a) b)图2.1 插齿原理及插齿机传动原理图a) 插齿原理 b) 插齿机传动原理图2.1插齿机的传动原理图插齿机的加工原理类似一对啮合的圆柱直齿轮，一个是齿坯，另一个是插齿刀，其是按照展成法加工。插齿机的原理图如2.1所示。插齿刀的沿齿坯齿向的往复运动A2为主运动，由偏心轮的曲柄驱动，通过调整曲柄偏心距改变插齿刀的插齿行程；插齿刀往复运动A2为间接动力源，驱动插齿刀旋转运动B11的传动链为圆周进给链，圆周进给量为A2；插齿刀的旋转运动B11为间接动力源，驱动齿坯旋转的传动链为展成运动链，展成运动链为内联系传动链，其传动联系为式中:插齿刀、齿坯的齿数。2.2插齿机传动系统本课题以CC-型教学插齿机为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，经过查阅大量的文献资料和总结前人的经验，设计出一台能够加工毛坯件8220的插齿机。通过提高关键零部件的制造精度而成的。主要用于加工内、外齿的直齿圆柱齿轮、多联齿轮、轴齿轮。2.2.1 插齿机主运动链本次毕业设计我们将选用Y112M-4型号的电动机作为动力设备，额定功率，额定转速，经过带装置将动力传递到离合器YL1上，后经主运动链变速机构至曲柄盘，带动插齿刀轴向运动；由粗加工变为精加工时，离合器YL1使插齿刀轴向运动速度自动提高倍。主运动链传动路线为 插齿刀每分钟的上下往复次数，即冲程数为大径向进给量粗加工时，离合器YL1的传动比，插齿刀每分钟的冲程数列为小径向进给量精加工时，离合器YL1的传动比，插齿刀每分钟的冲程数列为即主运动链的变速机构共有两个变速组，形成六级插齿刀的轴向往复运动等比数列。2.2.2 插齿机的圆周进给链 圆周进给链在一定程度上称为为外联系传动链，其的间接动力源是插齿刀的轴向往复运动，经圆周进给传动链变速组，链传动，交换挂轮E、F等，至蜗杆蜗轮副（传动比），蜗杆驱动蜗轮转动，实现插齿刀圆周进给。圆周进给传动链变速组可使插齿刀双向转动。圆周进给链传动路线为 曲柄盘每转一圈，驱动插齿刀轴向往复一次，因而可认为曲柄盘为圆周进给链的间接动力源。则圆周进给量为 式中 插齿刀双冲程。当插齿刀的分度圆直径为时，圆周进给量为 通过计算和分析，插齿机的圆周进给量为。用于粗加工，用于精加工，粗、精加工的圆周进给量往往是由液压摩擦离合器YL2自动控制，圆周进给量缩小倍。2.3 本毕业设计的插齿机的展成运动链插齿机展成运动链的间接动力源是插齿刀，末端件是齿坯。两端件的传动联系为插齿刀 齿坯本毕业设计的插齿机展成运动链的传动路线为本毕业设计的插齿机展成运动链变速机构的传动比为2.4 快速展成运动链本毕业设计的插齿机的快速展成运动链的动力源为M3，电动机型号为Y90S-4,额定功率，额定转速，快速展成运动时，YL2、YL4离合器处于分离状态。本毕业设计的插齿机的快速展成运动链的传动路线为齿坯转速为插齿刀转速为2.5 插齿机的径向进给运动链经过查阅资料，我们将选取外联系传动链作为插齿机的径向进给传动链，传动链的动力源为M2，选用的电机型号是Y802-4，额定功率，额定转速。运动经两级蜗杆蜗轮副减速后驱动径向进给凸轮慢速旋转，径向进给凸轮推动丝杠带动固定于工作台下方的螺母，使工作台沿水平方向移动。径向进给凸轮由阿基米德螺线组成，每隔升程，径向进给凸轮每转的总升程为，本毕业设计的插齿机加工齿轮模数为，全齿高为，则径向进给齿轮凸轮最多旋转，仅仅加工一个齿轮。传动路线为径向进给速度为通过查阅资料，我们将选取径向进给量为因此本次毕业设计的插齿机的径向进给量为。径向进给也可采用步进式，每次进给终止，齿坯转一圈后，再进行第二次径向进给；本毕业设计的插齿机有径向进给余量分配盘，在径向进给余量分配盘上固定行程挡铁，在起始位置设置原位、一次进给、二次进给等行程开关，在起始位置，原位行程开关动作；由于径向进给余量分配盘与径向进给凸轮同步转动，每转径向进给，当一次进给行程挡铁压下一次进给行程开关时，电动机M2断电，径向进给停止；齿坯转一圈后，电动机M2再次通电，第二次进给开始。最后进给终了且齿坯转一圈后，电动机M2通电，双向摩擦离合器YL3换向接通齿数为21、42齿的齿轮副，径向进给凸轮快速反转，其转速为当原位行程挡铁压下原位行程开关时，电动机M2断电，双向摩擦离合器YL3分离；然后工作台快速退回。2.6手动径向进给链和快速移动链在设计的过程当中，我们常常本着节约时间，提高加工效率，减轻劳动强度等原则，我们设计的插齿机应该具有快速转移功能的工作平台。本毕业设计的插齿机插齿机工作台快速移动由缸体固定在工作台下方的液压油缸M4驱动，活塞杆前端为螺纹孔，而径向进给凸轮推杆的端部为外螺纹，二者构成螺纹副；液压油缸上设有导向装置，使活塞杆只能轴向移动而不能转动；液压油缸的有杆腔进油时，由于凸轮推杆始终与凸轮接触、活塞杆与凸轮推杆的长度不变，液压油缸缸体带动工作台快速靠近齿坯，工作台前下方的的支架与活塞杆前端相对滑移；液压油缸的无杆腔进油时，工作台快速退回。本毕业设计的插齿机工作台的最大移动行程为。本毕业设计的插齿机的工作台一侧设置有手柄轴，转动手柄轴时，运动经锥齿轮副至圆柱齿轮副（从动齿轮轴向固定于工作台的支架中，可绕支架孔轴线转动）传递到凸轮推杆的螺杆上，螺杆上设置有导向键槽，齿轮中心孔直径与凸轮推杆的螺纹大径相等，且设置有传动键，这样齿轮可驱动凸轮推杆转动，齿轮可相对于凸轮推杆移动；当转动手柄轴时，圆柱齿轮驱动凸轮推杆转动，凸轮推杆端部的螺纹副的配合长度改变，进而改变活塞杆与凸轮推杆的总长度，在液压油进出油口封闭（液压油缸换向阀滑阀机能为M型，油泵卸载，两油腔封闭）时，工作台微量移动，即活塞杆端部内螺纹带动工作台微量移动；此时工作台也带动圆柱齿轮副在凸轮推杆上微量移动。手柄旋转一圈，工作台的移动距离为式中 凸轮推杆螺纹导程。为便于工作台靠近齿坯，插齿主运动链中也设有手动机构，在此不再赘述。2.7 让刀运动曲柄轴的旋转运动经齿形带传递到让刀凸轮轴，使让刀凸轮轴与曲柄轴同步旋转，在插齿刀位于向上的冲程时，让刀凸轮推压滚轮推动让刀轴压缩弹簧上下移动，经连杆使插齿刀轴摆动，实现让刀运动。如本毕业设计的插齿机刀架结构简图所示。插齿机中最复杂的部件是插齿机刀架，插齿刀的往复冲程运动、展成运动以及让刀运动是靠它实现的。曲柄盘传动轴带动曲柄盘转动，曲柄经球头拉杆机构带动插齿刀轴沿蜗轮中的滑动导轨往复冲程运动；调节曲柄至曲柄盘轴心线的距离，可改变往复冲程的大小；调节球头上端螺杆，可调节往复冲程的位置。精度较高的蜗杆蜗轮副带动插齿刀轴转动，实现展成运动。曲柄盘传动轴驱动插齿刀往复冲程的同时，将旋转运动经同步齿形带传递到让刀凸轮上，让刀凸轮又将运动传递到滚轮上，当插齿刀为工作冲程时，让刀凸轮旋转，让刀凸轮对应的半圆上为凸轮升程，让刀凸轮推压滚轮使让刀轴下移，让刀轴经连杆推动插齿刀轴靠紧齿坯；插齿刀为返回冲程时，让刀凸轮同样旋转，此时让刀凸轮对应的半圆上为凸轮回程，这样让刀轴下方的压缩弹簧推动让刀轴上移，让刀轴经连杆拉动蜗杆蜗轮副及插齿刀轴离开齿坯，实现让刀。当插削内齿轮时，让刀运动方向与铣削外圆柱齿轮相反，应将曲柄滑块向曲柄盘的反方向调节，使插齿刀为工作冲程时，让刀轴上移。2.8 插齿机工作台工作台是展成运动的末端件，也是径向进给运动及快速运动的末端件。在插削过程中，承受断续的冲击负荷。如本毕业设计的插齿机工作台结构示意图所示。工作台的轴向支承为环形滑动导轨，径向承载轴承为锥度为的滑动轴承，内锥孔滑动轴承与工作台转轴的径向间隙靠修磨环形道轨面调节。蜗杆蜗轮副实现工作台的展成运动。最后确定 插齿机模型实验平台设计方案如图2.9所示。图 2.9 插齿机模型实验平台设计方案简图图2.10 插齿机传动线路图3. 主要传动元件的选择与计算3.1电机的选择与校核电机的选择原则：1） 考虑到马达起动器的主要性能参数、额定速度、额定功率和结构的尺寸，以满足生产机械的要求。2） 运行可靠,结构简单,维修方便。3） 插齿机在特定的工作环境中，考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。4） 电动机的电压等级和类型，根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求而定。5） 电动机的额定转速，我们根据机械的最高转速、电力传动调速系统过渡过程性能的要求以及减速机构的复杂程度而确定。不仅仅如此，我们还要考虑到考虑运行可靠性，能源的节约，考虑设备供货情况，考虑备品备件的通用性，考虑装修的难易程度、产品的价格、建造的费用、运行和维修费用、前后期电动机功率变化关系等各种因素。根据机械设备的负载性质选择电动机类型：一般调速要求不高的生产机械应优先选用交流电动机。负载平稳、长期稳定工作的设备，应采用一般笼型三相异步电动机。 额定电压的选择：电动机额定电压一般选择与供电电压一致。普通工厂的供电电压为380V或220V，因此中小型交流电动机的额定电压大部都是380V或220V。本课题插齿机选择380v的供电电压。 电动机容量的选择： 电动机所需要的工作功率Pd = kWPW= kW所以Pd= kW由电动机至输送链的传动总效率为a=1 233式中：1、2、3分别为带传动、闭式圆柱齿轮传动、联轴器的传动效率。式中1=0.98，2=0.975，3=0.96则a=0.98*0.9753*0.96=0.87所以pd=Fv/1000*0.87 =3.81Kw确定电动机转速:本毕业设计的插齿机所规定的插齿刀冲程为200次每分钟，主运动链传动路线为 电动机100/300从而确定电动机转速为400r/min，本毕业设计的插齿机为连续工作制，根据相关手册查出符合要求的电动机型号为Y112M-4，额定功率为400w，额定转速为400r/min。3.2同步带的传动设计带传动是两个或多个滑轮之间皮带传动,并采取灵活拉工件。在工作的时候，往往通过带与零件之间靠摩擦来传递转速或动力。同步带是工作面有齿的，同步带传动和齿轮传动一样具有一样的传动比。同步带由于其效率较高，其使用范围越来越广泛。但是其安装困难，中心距难调等缺点在一定程度上限制了其使用。以下是同步带的设计过程：计算项目 设计公式计算功率Pc 选择带型和节距 选择H型重型带，节距p为12.600mm小带轮齿数Z1 ，取值为52大带轮齿数Z2 ，取值为156带轮节圆直径 带速V 所以初定中心距 0.7（D1+D2）a2（D1+D2），即280a800， 暂选a为500mm带长及齿数 ， =（D2-D1)/a=0.4，所以 L=1648mm标准节线长度 Lp=4445mm，齿数为200实际中心距a a=551.5mm小齿轮啮合齿数Zm ， 圆整后为18基本额定功率Po 带宽b b=73mm轴上载荷Fq 3.3齿轮传动齿轮传动在各行各业得到广泛的应用，传动功率很高，和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是：瞬时的传动比为常数，使用寿命长且十分可靠；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。缺点是：制造齿轮的设备，成本较高；不高精度的噪声震动较高；轴之间距离大的传动不适合。由于本毕业设计的插齿机的运动是由两个直线方向上的运动和转动构成，而且齿轮传动精度较高，配合准确；传递动力不大，故采用齿轮、齿条想啮合的方式传动。同时齿轮齿条传动平稳，瞬时传动比不变，冲击震动和噪音都较小；承载能力较高，在尺寸小、重量轻的前提下，轮齿的强度高、耐磨性好。 齿轮传动的时间很长后，会导致齿轮齿面的损伤甚至齿的折断。齿面损伤也有很多种：齿面接触疲劳磨损即点蚀、齿面胶合、齿面磨粒磨损和塑性流动等。封闭起来传动的齿轮，时间长了会有接触疲劳磨损、疲劳折断和胶合。对齿轮要进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的计算。暴露在外面传动的齿轮，时间长了会失效，形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，进行弯曲疲劳强度的计算，考虑磨粒磨损的影响要适当加大模数。普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好，价廉、抗点蚀和抗胶合能力强，但弯曲强度低、冲击韧性差，常用于低速、无冲击和大尺寸的场合。铸铁中的石墨有自润滑作用，尤其适用于开始传动。铸铁性脆，为避免载荷集中引起齿端折断，齿宽宜较窄。常用牌号为HT200HT350。此处的齿轮齿条以及减速器中的齿轮采用45钢，经过调质处理。以下是曲柄轴上外啮合齿轮的校核：3.3.1 齿面接触疲劳强度计算1.初步计算转矩T1 齿宽系数 接触疲劳 极限 初步计算的许用应力 接触应力 Ad值 Ad=85初步计算, 根据公式可得: 小齿轮直径d1 所以 取d1=86mm初步齿宽b 2.校核计算圆周速度 v 精度等级 由手册可得 选8级精度齿数z和模数m 初选齿数； 使用系数动载系数 齿间载荷分配系数 由此可得 齿向载荷分布系数载荷系数弹性系数节点区域系数接触最小安全系数总工作时间应力循环次数Nl 接触寿命系数Zn 许用接触应力 验算 计算结果表明，接触疲劳强度在规定的范围之内。3.确定传动主要尺寸 实际分度圆直径D 因模数取标准值时，齿数已重新确定， 但并未圆整，故分度圆直径不会改变，即 d1=mz1=243=86mm d1=86mm d2=mz2=247=94mm d2=94mm中心距a a=m（Z1+Z2）=2（43+47）=180mm a=180mm齿宽b b1=jd d1=86mm， b2=94mm3.3.2齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数Y Y=0.25+0.75/a Y=2.173齿间载荷分配系数 Kfa=0.46齿向载荷分布系数载荷系数K K=KaKvKfaKf K=1.14齿形系数Yf Yfa1=2.46 Yfa2=2.19应力修正系数Ysa Ysa1=1.65 Ysa2=1.8弯曲疲劳极限 弯曲最小安全系数弯曲寿命系数Yn Yn1=0.95 Yn2=0.97尺寸系数Yx Yx =1.0许用弯曲应力 验算 由于没有超载，所以不需要对其作静载荷处理。3.4轴的选用与校核轴的材料主要是碳钢和合金钢，碳素钢，合金钢比在应力集中灵敏度便宜小，所以被广泛使用。普通碳钢3050钢，最常用的45号钢。为了保证其机械性能，应回火或归一化。这里的材料为45钢轴，调质处理。在一般情况下，轴的工作能力约定于它的强度和刚度，对于机床主轴，后者尤为重要。高速转轴则还决定于它的震动稳定性。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还须满足其他一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上作轴向移动，需要轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；2）为传递转矩，轴上零件还应作周向固定；3)对轴与其他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、维修等都应有良好的工艺性；5）对重型轴还须考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。轴的强度校核主要有三种方法：许用切应力计算、许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。此处用安全系数计算法来校核轴：a) 轴结构图b) 垂直面受力图d)水平面受力图e)垂直面弯矩图f) 水平面弯矩图 i）当量弯矩图N.mm校核过程： 对称循环疲劳极限 轴材料选用45钢调质，b=650MPa， s=360MPa，由手册可求得疲劳极限： 脉动循环疲劳极限 等效系数 弯矩（截面） 弯曲应力幅 弯曲平均应力 扭曲切应力 扭转切应力幅 弯曲安全系数 扭曲安全系数 复合安全系数 结论：根据校核，截面足够安全，其他截面尚需作进一步的分析与校核。此外，安全系数较大时，对轴作全面分析后应考虑有无可能减小直径。对于重要的轴，所有可能出现危险的截面都应校核。轴上有过盈配合零件的还应考虑过盈配合对应力集中的影响，不能忽略。 3.5键连接键主要用于轴和带毂零件（如齿轮、涡轮，等）实现周向固定以传递转矩的轴毂联接。键是标准件，可以分为两大类：平键和半圆键，构成松联接；斜键，构成紧联接。普通平键用于静联接，按结构分为圆头的、方头的和一端圆头一端方头的。圆头键牢固地卧于指状铣刀铣出的键槽中，一端圆头一端方头的键用于轴伸处。在火焰切割机中，减速器的轴上采用的是由普通平键构成的松联接。工作时，靠键与键槽的互压传递转矩。键与其相对滑动的键槽之间的配合为间隙配合。键与键槽的滑动面应有较低的粗糙度值，以减少移动时的摩擦阻力。通常被联接件的材料、构造和尺寸已初步决定了，才会设计键槽连接，而且联接的载荷也已求得。所以我们可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择键的类型，根键的截面尺寸据轴颈从标准中选出，键的长度根据轮毂长度选出，然后根据校核计算公式作强度验算。对于平键联接，如果忽略摩擦，则当联接传递转矩时，键轴一体的受力不对称。可能的失效有：较弱零件（通常为毂）的工作面被压溃（静联接）或磨损（动联接，特别是在载荷作用下移动时）和键的剪断等。对于实际采用的材料组合和标准尺寸来说，压溃和磨损常是主要失效形式。因此，通常只作联接的挤压强度或耐磨性计算，但在重要的场合，也要验算键的强度。但在此机器中，键的受力很小，可以不进行验算。3.6销联接销联接通常只传递不大的载荷，或者作为安全装置。销的另一重要用途是固定零件的相互位置，它是组合加工和装配时的重要辅助零件。销的材料一般用强度极限不低于500MPa600MPa的碳素结构钢和易切钢等。用作联接的销在工作时通常受到挤压和剪切，有的还受弯曲。设计时，可先根据联接的构造和工作要求来选择销的类型、材料和尺寸，再作适当的强度计算。定位销通常不受或只受很小的载荷，其尺寸由经验决定。3.7螺纹联接螺纹紧固件是标准的，有两个螺栓，双头螺栓，螺钉和固定螺钉等。所谓拧紧耦合螺栓连接，连接不紧的松散耦合，这是较少采用。连接的螺栓是受力的，有的受拉力有的受剪力，所用螺栓的结构型式和联接的结构细节也有所不同，前一种制造和装拆方便，应用广泛；后一种多用于板状件的联接，有时兼起定位作用。外螺纹的公差带为e、f、g、h四种，外螺纹的配合选H/g。拧紧联接能增强联接的刚性、紧密性和防松能力。螺栓受拉力，可以提高螺栓的疲劳强度；螺栓受剪力，有利于增大联接中的摩擦力。控制拧紧力矩由许多方法，例如：使用测力矩扳手，装配时测量螺栓的伸长，使用定力矩扳手，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。比较大型的螺栓联结可采用液压装置实现，或加热使螺栓伸长到需要的变形量再把螺母拧到与倍联接件相贴合。在插齿机中螺栓联接主要用于固定连接件，螺栓主要承受拉力，很少成少剪力，故需要拧紧。但考虑到螺栓的强度问题，过度拧紧也是不适当的。螺栓联接的防松：在静载荷下，螺栓联接能满足的自锁条件为v。螺母、螺栓头承受压力，产生摩擦力能够防松。但有的时候会有冲击、震动等变载荷，时间长了再加上温度变化,螺栓就会松动，甚至松开，可能会造成事故。所以螺栓的防松问题在设计螺纹联接时必须要考虑。但是怎么样才能使螺纹对转动呢。可以利用摩擦、直接锁住和破坏螺纹副来做到。利用摩擦防松简单方便，而直接锁住则较可靠；两者还可以联合使用，例如用金属丝绕在螺栓上以挡住对顶螺母。至于破坏螺纹副关系的方法，多用于很少拆开或不拆的联接。横向压紧的锁紧螺母没有预紧力也能锁住，它可在任意旋合位置箍紧，即使工作时回松少许，也不致很快继续松开。利用强力拧紧联接以防松，效果也好。提高螺栓联接强度的措施：影响螺栓强度的因素有很多，有材料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等。就其影响而言，涉及螺纹牙受力分配、附加应力、应力集中、应力幅、材料、机械性能、制造工艺等方面。受拉螺栓的损坏多属于疲劳性质，应从以下几个方面分析各种因素对螺栓疲劳强度的影响和提高疲劳强度的措施。均匀螺纹牙受力分配：悬置螺母，内斜螺母，环槽螺母；减小附加应力；减轻应力集中；降低应力幅；选择恰当的预紧力并保持不减退；改善制造工艺等。3.8圆锥齿轮的设计3.8.1锥齿轮设计输入参数 1. 传递功率 P 0.37 (kW) 2. 传递转矩 T 19.20 (N.m) 3. 齿轮1转速 n1 184.00 (r/min) 4. 齿轮2转速 n2 184.00 (r/min) 5. 传动比 i 1.00 6. 齿数比 U 1.00 7. 预定寿命 H 10000 (小时) 8. 原动机载荷特性 均匀平稳 9. 工作机载荷特性 轻微振动 3.8.2材料及热处理 1. 齿面类型 硬齿面 2. 热处理质量要求级别 MQ 3. 齿轮 1 的材料及热处理 材料名称 20CrMnTi 热处理 渗碳 硬度范围 5662(HRC) 硬度取值 60 (HRC) 接触强度极限应力 b(H1) 1250 MPa 接触强度安全系数 S(H1) 1.10 弯曲强度极限应力 b(F1) 411 MPa 弯曲强度安全系数 S(F1) 1.40 4. 齿轮2的材料及热处理 材料名称 20CrMnTi 热处理 渗碳 硬度范围 5662(HRC) 硬度取值 59 (HBS) 接触强度安全系数 S(H2) 1.10 弯曲强度极限应力 b(F2) 409 MPa 弯曲强度安全系数 S(F2) 1.40 弯曲强度许用应力 (F2) 571 MPa 3.8.3齿轮基本参数项目名称符号单位齿轮1齿轮2大端模数mmm2.002.00齿 数z2727大端分度圆直径mm5454分 锥 度（）45.000045.0000切向变位系数0.000.00法向变位系数x0.000.00外 锥 距Remm38.1838.18齿宽系数R0.300.30齿 宽Bmm11.4611.46轴线夹角（）90.000090.0000顶 隙不等顶隙平均分度圆直径mm45.9045.90中 锥 距mm32.4632.46平均模数mm1.701.70齿 顶 高mm2.002.00齿 根 高mm2.402.40齿 顶 角（）2.99832.9983齿 根 角（）3.59653.5965顶 锥 角（）47.998347.9983齿根顶角（）41.403541.4035齿顶圆直径mm56.8356.83冠 顶 距mm25.5925.