Z32K型摇臂钻床变速箱的改进设计（有设计图纸）.pdf

有全套图纸 有全套图纸 目 录 中文摘要及关键词 1 英文摘要及关键词 2 第一章 概述 3 1 1 摇臂钻床的简介 3 1 2 摇臂钻床的国内发展动态及趋势 4 第二章 原动机的选择 5 2 1 常用原动机的运动形式 5 2 2 原动机的驱动形式 5 2 3 原动机选择应考虑的因素 5 2 4 原动机的性能比较 6 2 5 确定原动机的选择 7 第三章 机械传动设计方案的拟订与比较 8 3 1 传动设计方案评价的目的 8 3 2 传动设计方案评价的原则 8 3 3 系统设计方案的比较与确定 8 第四章 绘制变速箱中升降系统的传动机构运动简图 11 第五章 传动部分运动和动力分析 12 5 1 部分传动连接设计 12 5 2 传动比 各轴转速 功率及转矩的计算 12 5 3 齿轮材料的选择 14 5 3 1 齿轮材料的基本要求 14 5 3 2 常用材料及热处理 14 5 4 直齿圆锥齿轮的尺寸设计计算及校核 17 5 4 1 圆锥齿轮的各参数设计计算 17 5 4 2 受力分析 18 5 4 3 结构设计 18 5 4 4 计算载荷 19 5 4 5 齿面接触疲劳强度的校核 20 有全套图纸 有全套图纸 5 4 6 轮齿弯曲强度校核 21 5 5 锥齿轮轴的设计计算及校核 21 5 5 1 锥齿轮部分主要参数设计计算 21 5 5 2 轴端部分参数设计 23 5 5 3 锥齿轮轴的固定 23 5 6 机 4 齿轮设计计算及校核 24 5 6 1 尺寸设计计算 24 5 6 2 结构分析 25 5 6 3 受力分析 25 5 7 双联齿轮的设计计算 26 5 8 过渡轴的设计 27 5 8 1 轴的失效形式 27 5 8 2 轴的材料 27 5 8 3 过渡轴的强度校核 28 5 8 4 过渡轴的固定 31 第六章 轴承的选择与校核 32 6 1 轴承的分类 32 6 2 滚动轴承及类型 32 6 3 滚动轴承的失效形式 32 6 4 轴承的选择计算 33 第七章 键的选择和键联接强度计算 35 7 1 键的选择 35 7 2 键联结强度计算 35 第八章 设计小结 37 参考文献 38 致谢 39 中文摘要及关键词 有全套图纸 有全套图纸 摘要摘要 本次设计课题为 z32k 型摇臂钻床变速箱的改进设计 主要是对 z32k 型摇臂钻床的升降系统进行了改进 分析与设计 并对其主要传动零件进行设计 及强度校核 了解和掌握 z32k 型摇臂钻床在实际使用过程中出现的问题 在理 论分析 计算的基础上 针对 z32k 型摇臂钻床的升降系统是单手柄集中操作 操作起来比较麻烦 摇臂钻床体架太重 费力又费时 将其手动改进为自动升降 并提出了具体可行的解决方案 关键词关键词 摇臂钻床 手动 自动升降系统 电动机 齿轮 强度校核 英文摘要及关键词 有全套图纸 有全套图纸 abstraction this design topic is the z32k radial drill drilling machine gear box improvement design mainly was has made the improvement the analysis and the design to the z32k radial drill drilling machine jacking system and carried on the design and the intensity examination to its main transmission components understood and grasps the z32k radial drill drilling machine the question which appears in the actual use process in the theoretical analysis in the computation foundation in view of the z32k radial drill drilling machine jacking system is the single handle centralism operation operates quite troublesomely radial drill drilling machine body too is heavy takes the trouble to take time its manual improvement is the power elevation and proposed specifically the feasible solution keywords universal raidial drilling machine manual operating and automatic fluctuation system electric motor gear strength cheeks 第一章 概述 有全套图纸 有全套图纸 1 1 摇臂钻床的简介 机床的品种和规格繁多 为了便于区别 使用和管理 将各种机床都进行了 分类和和编制型号 分类方法也有多种 主要是按照加工的性质和所用的刀具进 行分类 根据国家规定的机床型号的编制方法 目前将机床分为 12 大类 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 铣床 刨插床 拉床 特种 加工机床 锯床及其他机床 在每一类机床中 又可以按照工艺范围 步型型式 和结构等等 可以分为若干组 每一组又可以分为若干系列 如钻床又包括 坐 标镗钻床 深孔钻床 摇臂钻床 台式钻床 立式钻床 卧式钻床 中心孔钻床 及其他钻床 在上述的基本分类方法的基础上 还可以根据机床的其他特征进一 步进行分类 同类型机床按照应用范围 通用性程度 可以分为通用机床 或 者称万能机床 专门化机床和专用机床三大类 其中通用机床是可以加工多种 工件 完成多种多样工序的加工范围较广的机床 如卧式车床 摇臂钻床等等 摇臂钻床是摇臂绕立柱回转和升降的 主轴箱在摇臂上作水平运动的钻床 对于大 中型工件上的孔 通常采用摇臂钻床加工 加工时工件固定不动 移动 主轴 刀具 可以方便地对准被加工孔的位置 摇臂钻床广泛用于大 中型零件 的多孔加工 摇臂钻床主要由立柱 摇臂 主轴箱 和底座等部分组成 主轴箱装在摇臂 上 可沿立柱上下移动 以适应加工不同高度工件的要求 此外 摇臂还可以随 外立柱在 360 范围回转 因此主轴很容易调整到所需要的加工位置 为了使主 轴在加工时保持确定的位置 摇臂钻床还具有内立柱 摇臂及主轴箱的夹紧机构 当主轴的位置调整确定后 可以快速将它们夹紧 摇臂钻床的其他变形如万向 摇臂钻床摇臂和主轴箱可以回转或倾斜 使主轴可在空间任意方向都可以进行钻 削 适用于重型机器 机车车辆 船舶和锅炉等制造业中加工大型工件 车式摇 臂钻床的底座有车轮 可以在轨道上移动 适用于桥梁和机床等行业窄长形工件 的孔加工 1 2 摇臂钻床的国内发展动态及趋势 有全套图纸 有全套图纸 目前国内摇臂钻床生产厂家有许多家 但是在这个行业做的较好的厂家不是 很多 其中沈阳机床股份有限公司中捷摇臂钻床厂的产品国内市场占有率高达 70 出口产品遍及中东 北美 西欧等 86 个国家和地区 进入市场经济后 国内机床行业竞争日趋激烈 与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有 40 多 家 中捷摇臂钻厂产品领先优势受到挑战 为了应对挑战 中捷摇臂钻厂在产品 卖得正火的时候 提出了进行跨越产品结构调整 第一 用先进技术改造传统产 品 如普通摇臂钻床实现了五轴联动 价格由几万元上升到几十万元 达到中国 摇臂钻床最高水平 第二 向国际先进水平靠拢 不断扩大产品领先优势 zk 系列 桥式和动桥系列产品 十几项技术居国内领先地位 zk3050 获得自主知 识产权 并成为国家重点新产品 z3580a 万向摇臂钻 在任何空间 任意方向 任意位置上实现钻削功能 不仅填补了国内空白 在国外也不多见 在国际著名 的芝加哥机床展览会上 中捷摇臂钻厂参展产品被一位美籍华商相中并当场拉 走 德国 意大利 西腊 瑞典 伊朗等国家和地区纷纷提出做中捷牌摇臂钻的 代理经销商 在上海国际机床展览会上 沈阳机床股份有限公司参展的数控钻铣 床 同时被国内三家企业看好 摇臂钻床和大多数机床一样 将向数控自动化 机电一体化和智能化方向发 展 摇臂钻床未来的发展趋势是 应用电子计算机技术 简化机械结构 提高和 扩大自动化工作的功能 使机床适应于纳入柔性制造系统工作 提高功率主运动 和进给运动的速度 相应提高结构的动 静刚度以适应采用新型刀具的需要 提 高切削效率 提高加工精度并发展超精密加工机床 以适应电子机械 航天等新 兴工业的需要 第二章 原动机的选择 有全套图纸 有全套图纸 机械系统通常是由原动机 传动装置 工作机和控制操纵部件及其它辅助部 件组成 工作机是机械系统中的执行部分 原动机是机械系统的中的驱动部分 传动装置则是把原动机和工作机有机地联系起来 实现能量传递和运动形式转换 不可缺少的部分 而其中原动机在机械系统中所起的作用是 1 把自然界的能 源变成机械能 2 把发电机等变能机所产生的各种形态的能量转换为机械能 2 1 常用原动机的运动形式 常用原动机有以下三种运动形式 具体见表 2 1 表 2 1 原动机运动形式 运动形式 实例 连续运动 电动机 液压马达 气压马达 柴油机 汽油机 往复运动 直线电动机 汽缸 液压缸 往复摆动 摆动油缸 摆动汽缸 2 2 原动机的驱动方式 原动机的驱动方式分为单机集中驱动和多机分别驱动 由一台原动机通过传 动装置驱动执行机构工作 叫做单机集中驱动 而多机分别驱动自然而然是用多 台原动机来驱动各执行机构工作 两种驱动方式中 单机集中驱动传动装置复杂 操作麻烦 功率大 但价格便宜 而多机分别驱动传动装置简单 电动机功率小 但成本比较高 2 3 原动机选择应考虑的因素 1 必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素 2 必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况 3 必须考虑到维修是否方便 操作是否简单 工作是否可靠 4 必须考虑到工作机对原动机所提出的起动 过载 运转平稳性等方面的 要求 5 必须考虑到其经济效益及其成本 这也是非常重要的一项 2 4 原动机的性能比较 表 2 2 原动机性能比较 有全套图纸 有全套图纸 类别 电动机 气缸马达 液压马达 柴油机 尺寸 较大 较小 较小 较大 功率及取范围 功 率 大 0 3 1000kw 范围广 功率比电动机 大 一 般 在 2 2kw 以下 尤 其适用于 0 75kw 以下的 高速传动 功率最大 受实 际油压和马达 尺寸的限制 功率大 5 38000kw 重量 大 比电动机大 最大 大 输出刚度 硬 软 较硬 较硬 运行温度控制 温度应低于许 应值 排气时空气膨 胀 噪声较大 排气处应安装 消声器 对油箱进行风 冷或水冷 调 整方法 和 性 能 直流电动机用 改 变 电 枢 电 阻 电压或改 变 磁 通 的 方 法 交流电动 机用变频 变 极或变转差率 的方法 用气阀控制 简 单 迅速 但不 够精确 通过阀或泵控 制改变流量 调 速范围大 较难 噪声 小 较大 较大 较大 维护要求 较少 少 较多 较多 初始成本 低 较高 高 高 运转费用 最低 最高 高 高 应用 很广 需要动 力电源 小功率高速场 合 较广 很广 如各种车 辆 船舶 农用机 械 工程机械和压 有全套图纸 有全套图纸 缩机等等 2 5 确定原动机的选择 考虑到 z32k 型摇臂钻床的现场工作环境及工作需求 z32k 型摇臂钻床的 起动力矩和调速范围等要求 我选择电动机作为其原动机 由于生产机械装置及 工作机所处的工作环境各不相同 电动机的 工作环境也自然而然就各不一样 在绝大多数情况下 电动机工作的周围大气中有不同分量的灰尘和水分 有的处 于潮湿之处甚至水下工作 有的周围含有腐蚀性气体甚至爆炸物 为了保证电动 机能在不同的工作环境中顺利地安全运行 电动机的外壳也就有多种型式 其型 式有 开启式 防护式 封闭式 防爆式 由于 z32k 型摇臂钻床工作常处于灰 尘较多的场合 其外壳选用封闭式 电动机型号为 y 系列 y90l 4 额定功率 1 5kw 满载转速 1400r min 额定转矩 2 2n m 质量 27kg 第三章 机械传动设计方案的拟定与比较 机械系统设计中的首要环节就是拟定传动设计方案 其拟定的合理与否 在 有全套图纸 有全套图纸 很大程度上决定了机械产品的合理 先进和具备市场竞争力的程度 在机械系统 设计中 为了达到预定的运动和动力要求 可以采用不同的传动方案 3 1 传动设计方案评价的目的 机械运动方案的拟定和设计 最终要求通过分析比较提供最优的方案 一个 方案的优劣只有通过系统能够方案的评价来确定 从工作机系统设计的全过程来 看 评价工作不仅在整个机械传动方案设计完成后是需要的 而且评价工作在设 计全过程中的每一阶段也是需要的 一个机械传动运动方案要求某一工艺动作过 程 这一工艺动作过程又可以分解成若干个动作 采用一些执行机构来加以实现 由于机械系统传动方案评价指标是多方面的 选用某一机构型式时往往对各评价 指标反应不一 有时也会相互矛盾 因此 需要建立一个评价体态 进行全面的 综合性的评价 由此可以得出整个最优机械传动运动方案 3 2 机械传动设计方案评价的原则 机械传动设计方案评价的原则有 1 保证评价的客观性 评价的目的是为 了决策 因此评价是否客观 就会影响决策是否正确 为了保证评价的客观性 要求评价资料的全面性和可靠性 要求防止评价人员的倾向性 评价人员组成要 有代表性等等 2 保证方案的可比性 各个方案要求在实现基本功能上要有可 比性和一致性 有的方案个别功能突出或有新颖之处 只能表明它在这个方面的 优越之处 不能代替其他方面的要求 更不能掩盖其它方面的不足 否则 会失 去综合评价的作用 陷入 突出一点 不顾其余 的错误 这种主观偏面的做法 显然不利于评选最优方案 3 要有评价指标体系 评价指标体系是全面反映系 统目标要求的一种评价模式 因此 评价体系应主要考虑机械传动运动方案总功 能所涉及到的对机构系统的各方面要求和指标 不考虑或少考虑其他方面的要求 建立的评价指标体系 不仅是定性的要求 而且应该将各个评价的指标进行量化 评价指标体系的建立要求依据科学知识和专家的经验 要体现评价指标体系的科 学性 全面性格外专家经验性 3 3 系统设计方案的比较与确定 根据 z32k 型摇臂钻床的工作情况 以及结合毕业设计课题 我现对摇臂钻 床的升降系统进行改进 现拟定以下三种传动方案供选择 有全套图纸 有全套图纸 方案一 手动升降系统 手柄 锥齿轮轴 锥齿轮 螺母 方案二 自动升降系统 新增电动机 齿轮 1 齿轮 2 锥齿轮 1 锥齿 轮 2 螺母 方案三 原电动机 齿轮 四联滑移齿轮 双联齿轮 齿轮 锥齿轮轴 锥齿轮 螺母 表 3 1 系统传动方案性能的比较 性能指标 具体项目 方案一 方案二 方案三 传动精度 高 高 高 功能 升降速度 慢 快 快 可调性 好 好 较好 运转速度 慢 快 快 工作 性能 承载能力 大 较大 较大 加速度峰值 小 较大 较大 噪声 较小 小 小 耐磨性 耐磨 耐磨 耐磨 动力 性能 可靠性 可靠 可靠 可靠 制造性 易 难 易 调整方便性 方便 不方便 方便 能耗大小 一般 一般 一般 经济 性 制造费用 便宜 贵 便宜 尺寸 小 小 小 重量 轻 重 较轻 结构紧凑 结构复杂性 简单 一般 一般 方案一 升降时费力又费时 再加上手柄长度较长 在实际操作过程中 当 拖板接近变速箱时 进给手柄与升降手柄容易打在一起 操作者易受伤 方案二 在丝杆的端头装上小型电动机和减速器 使丝杆转动 螺母固定实 现自动升降 那是一种传动的自动升降系统 很多机床都用的上 但是针对 z32k 型摇臂钻床来说 虽然弥补了自动升降的缺点 但又派生出另外的缺点 1 钻 床立柱的顶端面积是有限的 而附加的电动机和减速器体积较大 结构复杂 安 有全套图纸 有全套图纸 装困难 也增加了成本 再说提重吊环的安装问题也难以解决 2 增加一个动 力源 减速器和一组控制电路 使成本增加 方案三 直接利用原有电动机作为升降系统的动力源 在变速箱内附加若干 齿轮 在原有的主运动传动系统中 通过齿轮的变化啮合 把动力传到螺母上 使螺母转动 从而实现自动升降 方案的优点 1 利用原电动机作为动力源 成本低 2 附加零件部件结构简单 容易生产 3 充分利用了变速箱的有限 空间 使原机床的各部分结构和机床外观不受影响 4 控制电路部分保持不变 操作简单 方便 5 升降平稳 快捷 工作效率高 根据以上的评价比较和分析 最终选择方案三作为升降系统的传动方案 图 3 1 变速箱传动示意图 第四章 绘制变速箱中升降系统的传动机构运动简图 在生产中实际使用的各种机械在外形 构造和用途等各方面各不大相同 组 有全套图纸 有全套图纸 成机械 机器 的各种机构及各个机构和形状也是很复杂的 但各构件间的运动 是由原动件的运动规律及个运动副的类型和机构的运动尺寸来决定的 与各构件 之间的相对运动和整个机构的运动状态与机构中所包含的运动副数量 类型以及 运动副之间的相对位置 也即机构的运动尺寸 有关 而与组成构件的零件形状 和数量 构件的外形及其截面积的形状和尺寸以及运动副的具体构造等等因素都 无关 因此 在研究机构的运动时 为了便于分析 常常不计或者是略去那些与 机构运动无关的因素 而是用规定的运动副符号及代表构件的线条来表示机构的 运动特性 并根据运动学尺寸按比例画出各运动副之间的相对位置 如转动副中 心间的距离和移动副导路中心位置等等 这种简单的运动图形是机构分析和设计 的模型 如果仅仅以机构和运动副组成的符号表示机构 其图形若不按照精确比 例绘制 目的是为了进行初步的结构组成分析 弄懂动作原理等等 则称这种简 图为机构示意图或者机构简图 绘制机构运动简图的步骤与方法 1 为了将机构运动简图表示清楚 在绘 制时应该恰当地选择投影面 2 认清机架 输出机构和输入机构 3 搞清楚机 构运动传递路线 4 了解两构件间的相对运动关系 5 选用适当的比例 6 原动件标箭头表示运动方向 根据以上步骤 初步绘制出了 z32k 型摇臂钻床改进后的变速箱升降系统的 传动机构运动简图 机 机 机机 机 机 图 4 1 升降系统运动机构简图 1 电动机 2 机 2 轴 4 花键轴 3 5 机 4 直齿轮 机 3 双联齿轮 6 四联滑移齿轮 机 6 锥齿轮轴 7 锥齿轮 机 1 机 5 轴承 第五章第五章 传动部分运动及动力分析传动部分运动及动力分析 5 15 1 部分传动连接设计部分传动连接设计 有全套图纸 有全套图纸 由 z32k 型摇臂钻床变速箱装配图和升降系统机构运动简图可以知道 升降 系统的传动路线为 电动机 2 轴 4 轴 机 2 过度轴 机 6 锥齿轮轴 锥 齿轮 7 螺母 为了设计和加工方便 机 6 锥齿轮轴的各部分参数大部分上与 原来手动系统中与升降手柄相连接的圆锥齿轮轴相同 而在末端又将方头改为平 键槽 采用平键与机 4 齿轮连接 机 3 过度齿轮的产生 因为固定机 6 圆锥齿 轮轴径向位置的箱体孔中心高度受原有带动螺母及丝杆运动的圆锥齿轮位置的 限制 其箱体孔较接近箱体孔内壁 使得机 4 齿轮的分度圆直径受到限制 而 固定在花键径向位置的箱体孔的距离较远 所以必须在四联滑移齿轮和机 4 齿 轮之间加上过渡齿轮连接 从而这样产生了机 3 齿轮 我将机 3 齿轮设计为双 联齿轮 那是因为 为了提高工作效率 初定升降速度为 800mm min 已知 原 有丝杆螺距 p 6 原有带动螺母及丝杆运动的圆锥齿轮齿数 z 36 机 6 圆锥齿 轮齿数 z 20 通过计算得出 要求机 6 圆锥齿轮轴的转速 n 240r min 又已知 电动机的转速 n 1400r min 与电动机轴相连最近的齿轮齿数 z 18 为了方便下 面的计算 又 将其写成18z51 四联滑移齿轮的小齿数 70 z 28 假如机 3 过 渡齿轮为单联齿轮 那么机 6 的齿数 z 54 为了能让传动的模数一致 m 2 则 机 6 的齿轮分度圆直径为 108mm 而箱体孔内壁限于机 6 的齿轮的分度圆直径 为 72mm 所以必须将机 3 过渡齿轮设计为双联齿轮 以减少齿轮和分度圆直径 由于花键轴 机 2 过渡轴与机 6 圆锥齿轮轴径向位置的各箱体孔之间呈三角形 分布 因此机 3 双联齿轮的分度圆直径在设计上能作适当的调整 5 25 2 传动比传动比 各轴转速各轴转速 功率及转矩的计算功率及转矩的计算 已知假定了升降系统速度为 800mm min 又已知 18z51 55z69 28486659z70 36z7 20 6 机 z 电动机转速 n 1400r min 电动机功 率为 p 1500kw 圆锥齿轮的传递效率为 95 1 圆柱齿轮传递效率为 98 2 联轴器的传递效率为 5 99 3 电动机的转速min 1400 0 rn 所 以 min r1400nn 02 轴 kw4925 1995 05 1 pp 32 轴 有全套图纸 有全套图纸 18 55 i24 min r458 55 18 1400 i n n 24 2 4 轴 kw46265 198 04925 1 pp 224 轴轴 为了使 4 轴转速经过过渡轴机 2 传到机 6 锥齿轮轴上 min r240 20 36 6 800 inn 676 机机 初步确定各齿轮参数如下表 表 5 1 齿轮参数 名称 齿数 分度圆直径 模数 机 3 64 128 2 机 3 44 88 2 机 4 36 72 2 所以有 7 16 28 64 i 24 轴机 min r375 200 16 7 458 i n n 24 4 2 轴机 轴 机 kw433 198 046265 1 pp 242 轴机 11 9 44 36 i 62 机机 min r9 244 9 11 375 200 i n n 62 2 6 机机 机 机 kw405 198 0433 1 pp 226 机机 min r11 136 36 20 9 244 i n n 6 7 机 kw335 195 0405 1 pp 167 机 各参数确定之后 重新计算的升降速度为 136 11 6 816 66r min 各轴转矩为 电动机轴 mn23 10 n p 9550t 电 2 轴 mn179 10995 023 10tt 32 电轴 4 轴 mn48 30 18 55 98 0179 10itt 24 24 2 轴轴 机 2 轴 mn275 60 28 64 98 048 30itt 24 42 2 轴机轴机 有全套图纸 有全套图纸 机 6 锥齿轮轴 mn75 55 44 36 98 0275 60itt 62 26 2 机机机机 7 锥齿轮 mn33 95 20 36 95 075 55itt 1 67 机 各参数值列表如下 表 5 2 各轴参数 轴号 功率 kw 转矩mn 转速 r min 传动比 效率 电动机 1 50 10 23 1400 2 轴 1 49 10 18 1400 0 995 4 轴 1 46 30 48 458 3 06 0 975 机 2 轴 1 43 68 28 200 375 2 29 0 956 机 6 1 405 55 75 244 91 0 82 0 937 7 z 1 335 95 33 136 11 1 8 0 89 5 3 齿轮材料的选择 5 3 1 齿轮材料的基本要求 从对齿轮的失效分析可知 为了使齿轮能够正常工作 应对齿轮的材料提出 如下基本要求 1 齿面应有足够的硬度和耐磨性 以防止齿面磨损 点蚀 胶合以及塑性 变形等失效 2 轮齿心部应有足够的强度和较好的韧性 以防止齿根折断忽然抵抗冲击 载荷 3 应有良好的加工工艺性能及热处理性能 以便加工和提高力学性能 5 3 2 常用材料及热处理 适合制造齿轮的材料有很多 最常用的是钢 铸铁 有些场合也采用非金属 材料 1 钢 钢具有强度高 韧性好 便于制造和热处理等优点 大多数齿轮毛坯都采用 优质碳素钢和合金钢通过锻造而成 并通过热处理改善和提高力学性能 按热处 理后齿面硬度的不同 钢制齿轮分为软齿面齿轮和硬齿面齿轮两种 软齿面齿轮的齿面硬度小于或等于 350hbs 通常适用于一般用途 中小功 有全套图纸 有全套图纸 率以及精度要求不高的场合 例如一般用途的减速器 由于齿面硬度不高 这种 齿轮的毛坯在进行调质或正火的热处理之后再进行精加工 一般采用插齿或滚齿 等方法 对于一对软齿面的齿轮来说 在传动的过程中 小齿轮的轮齿啮合次数比大 齿轮的多 同时小齿轮的齿根较薄 使得小齿轮的轮齿弯曲强度较弱 因此 通 常使小齿轮的齿面硬度要比大齿轮的齿面硬度高 30 50hbs 或更多 以保证大 小齿轮的使用寿命相接近 在一般情况下 通常选用不同的材料或不同的热处理 可以实现这个要求 硬齿面齿轮的齿面硬度大于 350hbs 常用于高速重载及受有冲击载荷的或 要求结构紧凑的重要机械传动中 例如机床 汽车变速箱等 这种齿轮的毛坯在 进行调质或正火后 进行精切齿 然后再进行表面淬火处理 使得齿轮的耐磨性 提高 承载能力增大 硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较 其综合承载能力可提高 2 3 倍 或者说 在相同的承载能力下 硬齿面的齿轮传动要比软齿面的结构尺寸小得多 所以 除非受到工艺或生产等条件的限制 一般情况下应尽可能采用硬齿面齿轮 2 铸钢 对于齿轮的直径尺寸较大 大于 400 600mm 或结构复杂不易锻造的齿轮 毛坯 可用铸钢来制造 例如低速 重载的矿山机械中的大齿轮 3 铸铁 灰铸铁具有较好的减磨性和加工性能 而且价格低廉 但它的强度较低 抗 冲击性能差 因此 常用于开式 低速轻载 功率不大及冲击振动的齿轮的传动 中 球墨铸铁的力学性能和抗冲击能力较灰铸铁高 可代替灰铸铁 铸钢和调质 钢铸造大直径齿轮 4 非金属材料 非金属材料的弹性好 耐磨性好 可注塑成型 成本低 但承载能力小 适用高 速轻载以及精度要求不高场合 例如食品机械 家电产品以及办公设备等 常用齿轮的材料见下表 5 3 表 5 3 常用齿轮的材料及其力学性能 有全套图纸 有全套图纸 材料 牌号 热处 理方法 齿面硬度 强度极限 mpa b 屈服极限 mpa s 主要应用 正火 160 217hbs 580 290 低速轻载 调质 217 255hbs 650 360 低速中载 45 表面 淬火 48 55hrc 750 450 高速中载或 低速重载 优质 碳 素钢 50 正火 180 220hbs 620 320 冲击很小 40cr 调质 表 面 淬 火 240 260hbs 48 55hrc 700 900 550 650 中速中载 高速中载无 剧烈冲击 42simn 调质 表 面 淬 火 217 269hbs 45 55hrc 750 470 高速中载无 剧烈冲击 20cr 渗 碳 淬 火 56 62hrc 650 400 合金 钢 20crmnti 渗 碳 淬 火 56 62hrc 1100 850 高速中载 承受冲击 zg310 570 正活 表 面 淬 火 160 210hbs 40 50hrc 570 320 铸钢 zg340 640 正火 调质 170 230hbs 240 270hbs 650 700 350 380 中速 中载 大直径 球墨 铸铁 qt600 2 qt500 5 正火 220 280hbs 147 241hbs 600 500 低中速轻载 有小的冲击 灰铸 铁 ht250 ht300 人 工 时 效 170 240hbs 187 235hbs 200 300 低速轻载冲 击很小 根据上述齿轮材料的介绍 我设计改进后新增的齿轮中 机 6 锥齿轮材料选 有全套图纸 有全套图纸 用 40cr 直齿轮机 4 的材料选用 20crmnti 机 3 双联齿轮选用 20crmnti 5 4 直齿圆锥齿轮的尺寸设计计算及校核 圆锥齿轮传动用于传递两个相交轴之间的运动和动力 圆锥齿圆按照分度圆 上的饿齿向 圆锥齿轮可以分为直齿 斜齿和曲齿齿轮三种类型 直齿圆锥齿轮 易于制造 则安装也比较简单 适用于低速 轻载传动的场合 应用也比较广泛 斜齿圆锥齿轮应用较少 而曲齿圆锥齿轮传动平稳 承载能力高 常应用于高速 重载的场合 但是设计和制造较为麻烦 复杂 圆锥齿轮 7 是直齿圆锥齿轮 5 4 1 圆锥齿轮的各参数设计计算 已知 齿数 1 z 36 模数 1 m 2 配对齿轮齿数 2 z 20 模数 2 m 2 分度圆直径 72362zmd 111 分度圆锥角 29 36 20 arcctg z z arcctg 1 2 1 齿顶高 221mhh 1 齿根高 4 22 2 01 m ch h 1f 全齿高 4 44 22hhh 1f1 顶隙 c 4 022 0mcc 齿顶圆直径 498 7529cosh2dd 111a 齿根圆直径 802 6729sinh2dd 1f11f 锥矩 4397 74dd 2 1 r 2 1 2 1 齿顶角 54 1 r h arctg 齿根角 85 1 r h arctg f f 当量齿角 16 41 cos z z 1 1 1v 根锥角 15 27 1f1f 有全套图纸 有全套图纸 顶锥角 54 30 11 当量齿轮分度圆半径 16 41 cos2 d r 1 1 1v 当量齿轮齿顶圆半径 16 43hrr 11vv 当量齿轮齿顶压力角 48 33 r cosr arccos 1v 1v 1v 不发生根切的最少齿数 15cos sin h2 z 2 min 5 4 2 受力分析 进行受力分析 为了简便起见 近似假定载荷沿齿宽分布均匀 并集中作用 于齿宽中点节线处的法向平面内 和圆柱齿轮传动机构相似 齿面的法向为 n f 也可以分解为圆周力 t f 径向力 r f 和轴向力 a f 求得各分力公式为 1r 1 1 t d 5 01 t2 f 5 1 11 t1r costgff 5 2 11 t1a sintgff 5 3 cos ff 1tn 5 4 计算结果如下 n87 1788 1072 44 74 20 5 01 75 552 d r b 5 01 t2 d 5 01 t2 f 3 1 1 1 1r 1 1 t n46 56929cos20tg87 1788costgff 11 t1r n66 31520sin20tg87 1788sintgff 11 t1a n68 190320cos 87 1788cos ff 1tn 5 4 3 结构设计 结构设计大体如下图 5 1 所示 各详细参数具体见锥齿轮 7 零件图 见 cad 图纸 ybzc 05 有全套图纸 有全套图纸 图 5 1 锥齿轮 5 4 4 计算载荷 上面所述的 n f t f 和 r f 等均是作用在齿轮上的名义载荷 在实际工作中 还应该考虑原有动力机和工作机的振动和冲击 轮齿啮合过程中产生的动载荷 由于制造安装误差或者受载后轮齿产生的弹性变形以及轴套 轴承箱体的变形 使得载荷沿齿宽方向分布均匀 同时啮合的各轮齿之间载荷分布不均匀等等 为 此 应该将名义载荷乘以载荷系数 作为计算载荷 进行齿轮的强度计算时 按 计算载荷进行计算 与圆周力对应的计算载荷为 ttc fkf 5 5 式中 载荷系数 kkkk va 5 6 其中 a k 使用系数 用来考虑原动机和工作机的工作特性等引起的动力过载 对齿轮受载的影响 其值可以查如下表 5 4 表 5 4 使用系数 a k 原动机的工作特性及其示例 工作机的 工作特性 均匀平稳 电动机 均速转动的汽轮机 轻微冲击 汽轮 机 液压马达 中等冲击 多缸内燃机 严重冲击 单缸内燃机 均匀平稳 1 00 1 10 1 25 1 50 轻微冲击 1 25 1 35 1 50 1 75 中等冲击 1 50 1 60 1 75 2 00 有全套图纸 有全套图纸 根据上述表格 我设计计算时取使用系数 a k 1 25 v k 动载系数 用来考虑齿轮副在啮合过程中 因啮合误差 基节误差 齿形 误差和轮齿变形等 所引起的内部附加动载荷对轮齿受载的影响 其值 对于直 齿圆柱齿轮传动 可以取 v k 1 05 1 4 斜齿圆柱齿轮传动 可以取 v k 1 02 1 2 直齿锥齿轮传动 可以取 v k 1 1 1 4 齿轮精度低 速度高时 v k 取大 值 反之取小值 因而我设计计算时取 v k 1 3 k 齿向载荷分布系数 用以考虑由于轴的变形和齿轮制造误差等引起的载荷 沿齿宽方向分布不均匀的影响 对于直齿圆柱齿轮传动 若两轮之一为软齿轮时 取 k 1 1 2 两轮均为硬齿面时 取 k 1 1 1 35 直齿圆锥齿轮传动 可 以取 k 1 1 1 3 宽径比 b d1较小 齿轮在两支承中间对称布置 轴的刚性 大时 k取小值 反之 取大值 因而我在设计计算时取 k 1 2 k 齿间载荷分配系数 用以考虑同时啮合的各对齿轮轮齿间载荷分配不均匀 的影响 对于直齿圆柱齿轮传动 取 k 1 1 2 斜齿圆柱齿轮传动 齿轮精度 等级高于 7 级 含 7 级 k 1 1 2 齿轮精度等级低于 7 级 k 1 2 1 4 直齿圆锥齿轮传动 可以取 k 1 齿轮制造精度等级低 齿面为硬齿面时 k 取大值 精度等级低 齿面为软齿面时 k 取小值 因而我在设计计算时取 k 1 所以 kkkk va 1 25 1 3 1 2 1 1 95 29 348887 178895 1 kff ttc n 5 4 5 齿面接触疲劳强度的校核 1 确定许应力 查 机械设计原理与方法 p368 页图 10 38 得 limh 1500mpa limh s 1 0 1 2 取 limh s 1 1 st y 2 所以 mpa6 1363mpa 1 1 1500 s limh limh hp 有全套图纸 有全套图纸 2 验算齿面接触疲劳强度条件 计算工作转矩 t 9 55 mmn 94019 11 136 34 1 106 确定载荷系数 k 1 95 查图 h z 2 5 e z mpa8 189 因为不是很多 z 0 90 计算齿面接触应力 ubd 1u tk2 zzz 2 1 ehh mp 8 13827 46 18 1 9401995 1 2 9 08 1895 2 2 1247 75mp hp 所以齿面接触疲劳强度满足要求 5 4 6 轮齿弯曲强度的校核 1 确定许应力 查 机械设计原理与方法 p368 页图 10 38 得 limf 480mpa limf s 1 4 1 5 取 limf s 1 5 u 1 8 所以 mpa640mpa 5 1 2480 s y limf stlimf fp 2 验算轮齿弯曲强度条件 计算工作转矩 t 9 55 mmn94019 11 136 34 1 106 确定载荷系数 k 1 95 05 4 62 1 5 2yy 1sa1fa 85 0 65 0 y 取 0 80 计算轮齿弯曲应力 8 062 15 2 23827 46 9401995 12 yyy bdm tk2 1sa1faf 33 78 fp 所以轮齿弯曲强度满足要求 5 5 锥齿轮轴机 6 的设计计算及校核 5 5 1 锥齿轮部分主要参数设计计算 有全套图纸 有全套图纸 已知 齿数 2 z 20 模数 2 m 2 配对齿轮齿数 1 z 36 模数 1 m 2 分度圆直径 40202zmd 222 分度圆锥角 61 20 36 arcctg z z arcctg 2 1 2 齿顶高 221mhh 2 齿根高 4 22 2 01 m ch h 2f 全齿高 4 44 22hhh 2f2 顶隙 c 4 022 0mcc 齿顶圆直径 94 4161cosh2dd 222a 齿根圆直径 07 3661sinh2dd 2f22f 锥矩 4397 74dd 2 1 r 2 1 2 1 齿顶角 71 1 r h arctg 齿根角 05 2 r h arctg f f 当量齿角 253 41 cos z z 2 2 2v 根锥角 2145 59 2f2f 顶锥角 4714 62 22 当量齿轮分度圆半径 253 41 cos2 d r 2 2 2v 当量齿轮齿顶圆半径 253 43hrr 22vv 当量齿轮齿顶压力角 458 62 r cosr arccos 2v 2v 2v 5 5 2 轴端部分参数设计 有全套图纸 有全套图纸 轴端部分设计的目的是合理地确定轴端部分的外部形状和全部尺寸 由于影 响轴端部分结构设计的因素很多 固轴端部分没有标准的结构型式 在满足规定 的功能要求和设计约束的前提下 其结构设计方案具有较大的灵活性 设计时应 该多加考虑如下因素 1 便于轴上各零件 如轴承等 的装拆和调整 2 保证轴承上的各零件的定位和固定可靠 3 具有良好的加工工艺性 4 力求 受力合理 应力集中小 工作能力强 节约材料和减轻重量 基于上述要求 将 锥齿轮轴端的结构设计大体如下图 5 2 所示 各详细参数具体见 cad 图纸 ybzc 04 图 5 2 锥齿轮轴 5 5 3 锥齿轮轴的固定 为了保证装配质量 机 6 齿轮轴与手动升降系统的齿轮轴的轴心中心高等 高 由于机 6 的径向受载荷一般 所以由滚动轴承的支承轴向位置 轴向位置 由卡簧固定 为了方便调整机 6 齿轮轴轴向位置 因轴承套与箱体孔的配合面 较大 所以对机 6 圆锥齿轮与 210 圆锥齿轮的轴心的垂直度影响不大 5 6 机 4 齿轮设计计算及校核 5 6 1 尺寸设计计算 已知 机 4 齿轮的齿数 z 36 模数 m 2 齿轮机 4 选渐开线标准直齿圆柱齿轮 下面对机 4 齿轮各部分参数进行设 有全套图纸 有全套图纸 计计算 1 齿数 齿数一般应为整数 已知 z 36 2 模数 模数也是已知的 m 2 3 压力角 渐开线齿廓上的各点的压力角 规定为标准值 当只提 压 力角 而不指明哪个外圆时 即指分度圆压力角为 20 4 分度圆直径 分度圆就是具有标准模数和标准压力角的圆 d mz 72 5 齿顶高 分度圆与齿 顶圆间的间的径向距离 齿顶高用齿顶高系数和模数的乘积表示 即 2mhh 6 齿 根 高 分 度 圆 与 齿 根 高 的 径 向 距 离 即 5 2m ch hf 7 顶隙 齿根高比齿顶高大一些 以便上顶圆和另一 齿轮的齿根圆间形成间隙 顶隙 c 既有利于储存的润滑油 也避免两齿轮卡死 顶隙用顶隙系数 c 和模数的乘积来表示 即5 0225 0 mcc 8 齿 顶圆 直径 过 所有齿顶端的圆称为齿顶圆 齿顶圆直径用 d 表 示 h2dd 1 76 9 齿根圆直径 过所有齿槽底部的圆称齿根圆 齿根圆直 径用 f d表示 675 2272h2dd ff 10 齿高 齿高等于齿顶高加 上齿根高 即5 4hhh f 11 基圆直径 产生渐开线的圆称基圆 基圆 直径用 b d 表示 66 6720cos ddb 12 齿距 相邻两个轮齿同侧齿廓之 间的弧线长度称该圆上的齿距 用 p 表示 p m 6 28 13 齿厚 在任意半 径圆周上 一个轮齿两侧齿廓之间的弧线长度称齿厚 用 s 表示 s p 2 3 14 14 齿槽宽 一个齿槽两侧齿廓之间的弧线长度称齿槽宽 用 e 表示 e p 2 3 14 15 标准中心距 中心距是齿轮传动的基本尺寸 齿轮箱体上轴 承孔的尺寸就由中心距来决定的 为了使一对渐开线标准齿轮传动平稳 在确定 中心距时 应该保证相啮合的两轮齿的齿侧无间隙存在 对于一对模数相等无间 隙啮合的标准齿轮 其分度圆上的齿厚和齿槽宽相等 其齿轮中心距为标准中心 距 计算公式为80rrrra 21 2 1 将各参数列表如下 表 5 5 齿轮设计参数 齿数 36 齿顶圆直径 76 模数 2 齿根圆直径 67 有全套图纸 有全套图纸 压力角 20 齿高 4 5 分度圆直径 70 基圆直径 67 66 齿顶高 2 齿距 6 28 顶隙 0 5 齿厚 3 14 齿根高 2 5 齿槽宽 3 14 分度圆直径 72 5 6 2 结构分析 机 4 齿轮结构设计大体如下图 5 3 所示 各详细参数具体见 cad 图纸 ybzc 06 图 5 3 齿轮 5 6 3 受力分析 对轮齿上的作用力进行分析是进行齿轮承载能力的计算 设计支承齿轮的轴 以及选用轴承的基础 在工程上为了简化计算 常把作用在齿面上沿齿宽接触线 上分布的全部作用力用一个作用在齿宽中点处的集中力来代替 当润滑较好时 可以忽略接触面上的摩擦力的影响 该集中力即法向力 n f 它的方向是沿着两 齿廓接触点的公法线方向 即啮合线方向 方向力 n f 有可以分解为圆周力 t f 和 径向力 r f 其计算公式分别为 有全套图纸 有全套图纸 d t2 ft 5 7 20tgff tr 5 8 cos f f t n 5 9 计算结果为 n75 1548 d t2 ft n70 56320tgff tr n14 1648 cos f f t n 5 7 双联齿轮的设计计算 双联齿轮的两齿均设计为渐开线标准圆柱齿轮 现将其主要参数设计如下表 5 6 表 5 6 双联齿轮设计计算 基本参数 机 3 2 齿数 64 机 3 4 齿数 44 模数 m 均为 2 配对齿轮参数 与机 3 2 4 配对齿轮齿数分别为 28 和 36 模数 m 均为 2 名称 符号 计算公式 机 3 2 机 3 4 分度圆直径 d d mz 128 88 中心距 a a dd 2 1 21 92 80 齿顶高 h mhh 2 2 齿根高 f h m ch hf 2 5 2 5 全齿高 h f hhh 4 5 4 5 齿顶圆直径 a d mh2dda 132 84 齿根圆直径 f d mh2dd ff 87 75 基圆直径 b d cosddb 120 28 82 69 分度圆齿距 p p m 6 28 6 28 有全套图纸 有全套图纸 分度圆齿厚 s s m 2 3 14 3 14 分度圆槽宽 e e m 2 3 14 3 14 顶隙 c mcc 0 5 0 5 基圆齿距 b p b p mcos20 5 90 5 90 节圆处齿廓的曲率 半径 sin 2 d 21 89 15 05 5 8 过渡轴的设计 传动零件必须通过其他零件被支承起来才能进行工作 这种支承作用的零件 称为轴 轴是组成机器的重要作用之一 它的主要功能是支承做回转运动的零件 并传递运动和动力 5 8 1 轴的失效形式 机械中的轴大多为转轴 同时承受弯曲应力和扭转切应力 且均为交变应力 在交变应力的作用下 轴的主要失效形式为疲劳断裂 因此 轴的材料应具有足 够的疲劳强度 较好的应力集中敏感性和良好的加工性能 5 8 2 轴的材料 根据上述这些要求 轴的材料一般宜选用中碳钢和中碳合金钢 对于一般以 内国土和较重要的轴 多采用优质碳素结构钢来制造 如 45