齿轮传动效率与强度试验综合试验台研制【2013年最新整理毕业论文】

浙江理工大学毕业设计论文 1 摘 要 齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件 ,它是机械传动领域的一个重要组成部分。在 2000 多年前的中国就已经出现了齿轮的应用，从早期的指南车到明初的水车，再经过近现代世界各国工业化的日益发展，各种各样的齿轮机构也随之出现，并向着高强度、高效率、高载荷和高精度的方向发展。此课题正是基于封闭式齿轮试验台，检测一齿轮箱的传动效率与强度的综合性能，以实现快捷有效地对齿轮性能进行分析，获得符合设计要求的齿轮。本文先对齿轮箱作传动效率试验，再对齿轮作疲劳试验与有限元分析计算，综合两方面结果对齿轮传动效率与强度性能进行研制。 关键词 ： 齿轮；效率；强度；有限元分析；研制 浙江理工大学毕业设计论文 2 Abstract Gear is to mesh each other toothed machine part, It is an important part in the field of mechanical transmission. In more than 2000 years ago in China has been the application of the gear, from the early south to the Ming dynasty in the early of the water wheel, after again the development of the modern industrialized world, all kinds of gear has been invented, and toward a high strength and high precision, high efficiency, high load direction development. This topic is based on the enclosed gear test bench, detection of a gear box transmission efficiency and strength of comprehensive performance, in order to realize fast and effectively on gear performance is analyzed, comply with the design requirements of gear. This article will first to the gearbox transmission efficiency test, then on gear for fatigue test and finite element analysis and calculation, results two respects strength of gear transmission efficiency and the performance is developed. Key words： Gear； efficiency； strength； the finite element analysis； to develop 浙江理工大学毕业设计论文 3 目 录 摘 要 Abstract 第一章 绪论 . 3 1.1 齿轮的出现及其发展 . 5 1.2 研究齿轮传动性能的意义与方法 . 6 1.3 本次课题研究的主要内容 . 7 1.4 试验方案的选择 . 7 1.5 本章小结 . 8 第二章 实验台测试控制系统及实验部件的联接关系 . 7 2.1.测试控制系统组成 . 9 2.2 测试系统各部件的组成、结构与联接 . 9 2.2.1 动力源的组成、结构与联接 . 9 2.2.2 加载装置的组成、结构与联接 . 10 2.2.3 圆柱齿轮组的组成与结构 . 11 2.3 本章小结 . 12 第三章 实验台器材的选用与安装说明 . 12 3.1 实验台器材的选用 . 13 3.1.1 传动方案拟定 . 13 3.1.2 电机的选择 . 13 3.1.3 扭矩传感器的选用与特性 . 14 3.1.4 联轴器的选择 . 15 3.1.5 主动轴与其轴承的选择 . 15 3.1.6 键联接的选择及校核计算 . 16 3.1.7 齿轮箱箱体、箱盖及附件的选用与计算 . 17 3.2 齿轮传动效率实验台的安装说明 . 18 3.2.1 按图所示安 装效率实验台。 . 18 3.2.2 安装及调试 . 19 3.3 本章小结 . 20 第四章 齿轮传动效率与强度试验综合实验过程与结果 . 20 4.1 齿轮传动效率及其测定 . 21 4.2 齿轮传动效率的计算 . 24 4.3 齿轮疲劳的形成及表现 . 24 4.3.1 轮齿折断 . 25 4.3.2 齿面点蚀 . 25 4.3.3 齿面胶合 . 26 4.3.4 齿面磨损 . 26 4.3.5 齿面塑性变形 . 27 浙江理工大学毕业设计论文 4 4.4 齿轮的强度要求与计算 . 27 4.4.1 齿轮受力分析 . 27 4.4.2 齿面接触疲劳强度计算 . 29 4.5 本章小结 . 32 第五章 齿轮三维模型建立与应力分析 . 33 5.1 齿轮三维模型的建立 . 33 5.2 应力分析 . 34 5.2.1 网格的建立 . 34 5.2.2 应力分析 . 35 5.3 本章小结 . 37 第六章 结论 . 37 参考文献 . 38 致谢 附录一： JCZS-机械传动性能综合实验台组件清单（单位：件 /套） 附录二：齿轮常用材料及其机械性能 全套资料带 CAD 图， QQ 联系 414951605 或 1304139763 浙江理工大学毕业设计论文 5 第一章 绪论 1.1 齿轮的出现及其发展 齿轮的出现及运用历史悠久，最 古老的齿轮运用历史可追溯到 30005000年以前，几乎和人类文明史同步。随着科技的发展和近代工业革命的兴起，齿轮作为机械设备的重要传动装置，得到了广泛的应用和发展。为了适应高速、重载、小型、轻量以及大传动比和其他运动特性的要求，各种各样新型的齿轮传动机构不断出现。 据史料记载，远在公元前 400多 年的中国古代就已开始使用齿轮，而在此百多年后 古希腊哲学家亚里士多德在机械问题中阐述了用青铜或铸铁的齿轮传递旋转运动的问题。 在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的 指南车 就是以齿轮机构为核心的机械装置。 17世纪末，人们才开始提出 外摆线做齿轮曲线 ，能正确传递运动的轮齿形状。 18世纪，欧洲工业革命以后， 齿轮传动 的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到 20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。 早在 1694年，法国学者 Philippe De La Hire首先提出渐开线可作为齿形曲线。 1765年，瑞士的 L Euler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。对渐开线齿形应用做出贡献的是 Roteft Wulls，他提出 中心距 变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点。 1873年，德国工程师 Hoppe提出，对不同 齿数 的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代 变位齿轮 的思想基础。 19 世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与 刀具 的相继出现，使齿轮加工具有较完备的手段后 ，渐开线齿形更显示出巨大的优越性。切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍加移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮。 1908年，瑞士 MAAG研究了变位方法并制造出展成加工 插齿机 ，后来，英国 BSS、美国 AGMA、德国 DIN 相继对齿轮变位提出了多种计算方法。 目前广泛应用渐开线齿轮。渐开线齿轮的优点很多，理论成熟，加工方便，传动时受中心距安装变化影响极小（不影响传动比的准确 性）。但是，渐开线齿轮的致命弱点是承载力不强，由于一对齿轮是凸齿面（外啮合），造成接触强度浙江理工大学毕业设计论文 6 低、润滑条件差（不易形成楔形油膜）、齿根形状不好（轮齿抗弯强度低），圆弧齿轮的齿形有凸有凹，接触强度高，易形成楔形油膜、润滑好，齿根“粗壮”。在大型、重载传动设备中，越来越多的替代了渐开线齿轮。圆弧齿轮理论的出现比渐开线齿轮晚了一、二百年，虽然还有许多问题有待解决，但圆弧齿轮是齿轮发展的方向。 齿轮机构的研究发展一直追求高载荷、高速度、高精度和高效率的方向，并力求使它的尺寸更小、重量更轻、寿命更长，更经济可靠。研究齿轮的传动效率与强度是研究齿轮传动性能的必不可少的部分，结合试验平台研制结果与计算结果，方能够获得更优型齿轮。 由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了。如高速齿轮的传递功率为 1000-30000kw，齿轮圆周速度为 20200m s（ 1200-12000r min），设计工作寿命为 5X104-10X104 小时；轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到20m/s，甚至 30 50m/s，传递扭矩达到 l00200t.m, 要求使用寿命在 20 30年以上。这些齿轮的精度等级一般在 3 8级，并对平稳性与噪声有较高的要求。其次，对于低速重载齿轮 ， 如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。这种对齿轮轮齿修形技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。 此外，齿轮制造工艺也在随着齿轮各项要求的发展而发展，其很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高。近些年硬齿面齿轮广泛应用，以及高 速、高性能要求的齿轮日益增多，因此要求磨齿加工，在效率和质量上都要提高。当然，齿轮的材料选用及热处理也是人们对齿轮设计不可缺少的考虑因素。 1.2 研究齿轮传动性能的意义与方法 齿轮是各种机器上必不可少的传动零件，对齿轮的各种性能进行测试是保证齿轮可靠的必经之路。齿轮轴承试验装置能按照设计对各零件进行组装，使之成为一套完整的传动系统，并对传动系统中的各零件进行多项实验，如结合检测系统，可以试验齿轮制造精度对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试验轴承精度、支撑刚度等对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试 验齿轮润滑和轴承润滑对传动震动温升和噪声的影响。 浙江理工大学毕业设计论文 7 我国的工业化发展较晚，齿轮制造业在今后几十年里仍将是我国机械行业中的重要组成部分，从基础的农业机械、工程机械、建筑、起重运输到航空航天、车辆船舶、开矿冶金和高科技武器等诸多行业，齿轮制造业有着很大的发展空间。在第二次工业革命之后，非再生资源消耗严重，环境污染加剧，在未找到新型能源的基础上，提高齿轮传动效率和抗疲劳性对提高生产效率，减少资源消耗有着重大意义。 从齿轮自身的制造工艺上来说，一个是各种新型材料的不断产生使得齿轮可以满足更高的精度要求；二是刀具材料的 改善与刀具的多元化加工使得中小型齿轮的精度更高；三是对齿轮的制造技术的改进和热处理工艺的发展也使得齿轮向着多功能化发展。从成型的齿轮的性能来说，对齿轮的传动效率与强度试验分析是研究齿轮性能的一种重要手段，尤其在当前电子计算机技术飞速发展并在各工业领域广泛应用，齿轮的设计、计算方面进展也很快，人们利用计算机能对各种可能的设计方实进行计算、分析和比较，并通过优选，取得较为理想的结果。例如在分析齿面接触区，求啮合线与相对速度夹角中，对弹流润滑计算以及几何参数计算等方面编制了程序。还有，在齿轮修形计算与齿轮承载能力 计算方面都编有程序。我国已编制了 GB3480-83 渐开线圆柱齿轮承载能力计算标准的程序软件 ,供生产应用。在齿轮加工方面，可以利用计算机控制整个切齿过程，使制造质量稳定可靠。 1.3 本次课题研究的主要内容 本次课题主要内容有三点：一是通过对该实验台测试系统中的电机、扭矩传感器、负载以及被测传动机构（齿轮箱）进行测绘制图；二是在实验台上进行齿轮传动效率与强度试验，并得到最初数据；三是运用有限元对齿轮进行应力分析，与实验台上得到的结果相比较。 为便于此次的实验台测试及之后的应力分析，本次选用被测传动机构是两个直齿 圆柱齿轮组成的齿轮箱，可看成一级减速器。 1.4 试验方案的选择 目前实验室提供的齿轮传动性能实验台有两种，即开放式和封闭式。所谓开放式功率流，就是齿轮传动所传递的功率由电动机传来，经过齿轮传动和实验装浙江理工大学毕业设计论文 8 置中的所有传动件，最后传到耗能装置，即加载装置。开放式试验台加载之后，所需功率全部消耗在加载中，损失功率大，它只适合用于小功率短周期工作的齿轮实验装置。封闭式试验台由电动机、陪试齿轮箱、被试齿轮箱、加载装置、转矩转速传感器五大部分组成，所有实验台零部件都安装在工作台上，再设计中采用两个相同的被试齿轮。一个减速 ，一个加速，且速比相同。当被测对象的中心距不同时，改变的仅仅是两个被试齿轮的中心距，而对于整个试验台的传动路线不会产生影响。这种加载方法具有简单可靠，操作方便，加载范围大等优点。 综上两种传动方案，封闭式实验台具有更好的操作性和试验性，测得结果较为准确，不足之处是在测试齿轮强度时会消耗更多的时间和电能。相比较，本课题选用封闭式实验传动装置。 1.5 本章小结 本章通过对齿轮的出现及发展历程，阐述了齿轮在日常生活中的重要性，并详细分析其研究现状和发展趋势，明确了齿轮研究的必要性，引出了此次课题研究的目的和主要内 容，为接下来的研究方向确立了整体的框架。 浙江理工大学毕业设计论文 9 第二章 实验台测试控制系统及实验部件的联接关系 2.1.测试控制系统组成 该实验台主要由控制 (配件 )柜、安装平板、驱动源、负载以及减速器、联轴器、传动支承组件、带、链、三角带轮、链轮库等组成。可根据需要按一定的形式组合成 13 大类 30 几种机械传动系统。 其中底座控制 (配件 )柜、安装平板、驱动源、负载、减速器、传动支承组件为整体结构。安装平板上加工了 T型槽 (横向 4根纵向 6 根 )可满足不同机械传动系统安装的需要。根据实验室器材可组成的减速器有蜗轮减速器、圆柱齿轮减速器、摆线针轮减速器等三种。本次课题所选齿轮为一对直齿圆柱齿轮，其组成的齿轮组可作为一级圆柱齿轮减速器来组装分析。 测试控制系统组成如下图： 图 2.1 实验台测试控制系统 本次课题为机械设计方向的研究课题，暂不涉及控制系统程序方面，因此以下的研究主要是由图 2.1 中的上半部实验台测试系统完成，计算机只作为系统参数的输入和输出。 2.2 测试系统各部件的组成、结构与联接 2.2.1 动力源的组成、结构与联接 浙江理工大学毕业设计论文 10 16212345图 2.2 动力源与扭矩传感器 1.电机底板 2.变频调速电机 3.弹性柱销联轴器 4.扭矩传感器 5.弹性柱销半联轴器 动力源是由安装在电机底板 (1)的变频调速电机 (2)和转矩转速传感器 (4)等组成。变频调速电机 (2)和转矩转速传感器 (4)采用弹性柱销联轴器 (3)联接并传递扭矩。转矩转速传感器 (4)上的弹性柱销半联轴器 (5)用于与其他传动件联接并输出变频调速电机 (2)的动力。通过调节变频器可改变变频调速电机 (2)的转速。 2.2.2 加载装置的组成、结构与联接 浙江理工大学毕业设计论文 11 12345162图 2.3 加载装置结构 1.负载底板 2. 弹性柱销半联轴器 3. 扭矩传感器 4. 弹性柱销联轴器 5.磁粉制动器 加载装置由安装在负载底板 (1)的转矩转速传感器 (3)和磁粉制动器 (5)等组成。转矩转速传感器 (3)和磁粉制动器 (5)采用弹性柱销联轴器 (4)联接并传递扭矩。转矩转速传感器 (3)上的弹性柱销半联轴器 (2)用于与其他传动件联接。通过调节磁粉制动器控制器可改变磁粉制动器 (5)的制动力的大小。 2.2.3 圆柱齿轮组的组成与结构 浙江理工大学毕业设计论文 12 图 2.4 圆柱齿轮箱的结构 1.圆柱齿轮箱 2.支座 以上部件是该实验台测试系统的五个主要组成部件，即电机，扭矩传感器，被测齿轮箱，扭矩传感器和磁粉制动器，还需要轴、轴承、销钉联轴器等配件方能装配出完整的测试齿轮传动性能实验台。除被测传动机构齿轮箱外，其余部件或选择标准件，或需根据一定的条件进行选择，这将在下一章中说明。 2.3 本章小结 本章先通过对该测试系统图框的整体进行分析，再详细说明了各个组件的结构和联接关系，引出了五大部件和其余配件的装配 关系，为接下来的课题研究工作点明了方向。 浙江理工大学毕业设计论文 13 第三章 实验台器材的选用与安装说明 3.1 实验台器材的选用 影响齿轮箱传动性能和寿命的因素有很多，基本上包括电动机、主动轴、滚动轴承、联轴器等主要构件，此外还有箱体、键和传动零件等因素，密封和润滑方式也会影响其性能。 3.1.1 传动方案拟定 1） 拟设计为带式输送机传动装置中的一级圆柱齿轮减速器。 2）工作条件：使用年限两年，每年按 300 天计算，两班制工作，载荷平稳，工作环境为正常车间温度，无较大噪音因素的影响。 3.1.2 电机的选择 1）根据实验室原有电动机与已知的工作要求和条件，选用 Y系列三相异步电动机。 2）传动装置的总效率： 总 =带 2 轴承 齿轮 联轴器 滚筒 = 0.96 0.992 0.97 0.99 0.95 =0.86 3）电机所需的工作功率： Pd=FV/1000总 =1700 1.4/1000 0.86 =2.76KW 4）确定电动机转速： 滚筒轴的工作转速： Nw=60 1000V/ D =60 1000 1.4/ 220 =21.5r/min 根据以上四点，在 Y系列三相异步电动机中，可选定电动机的型号为Y10012-4。 该 Y10012-4 电动机的主要参数为：额定功率 3KW，满载转速 1420r/min，额浙江理工大学毕业设计论文 14 定转矩 2.2。 3.1.3 扭矩传感器的选用与特性 试验台使用的传感器是北京金顺达源仪器有限公司生产的 sty 扭矩传感器 ,与该公司生产的扭矩测量卡 ,计算机配套使用 ,这是一种性能优良 ,使用方便的扭矩传感器。该扭矩传感器可排除转速的高低的影响，无需反复调零，温差变化时能进行一定的温度补偿，并具有体积小，重量轻，易于安装使用的优点。 1） STY 扭矩传感器的基本原理 在 sty 系列扭矩传感器的轴上安装有两组旋转变压器，其中一组传递电源，另一组传递扭矩信号 .旋转轴上的应变桥检测到的 m级扭矩信号被高精度仪表放大器放大后 ,再经过 /转换器变换成与扭矩成正比的方波信号。通过轴上的旋转变压器 ,非接触地传递到轴外接受器上，从而输出同扭矩成正比的方波频率的数字信号。 2）扭矩传感器技术性能指标 工作范围 ： 0.1 m-5万 N m（分若干档） 扭矩测量精度： 0.1%， 0.2%（ F S） 环境温度： 0 度 -50度 响 应 ： 100 s 温度稳定度： 0.01 /度 输出信号 : 频率输出： 零扭矩 :10KHZ 左右 正向满量程 :15KHZ 左右 反向满量程 :5KHZ 左右 0-12v 负载电流 10mA 4 20mA 电流输出： 4mA 对应负满量程扭矩 12mA 对应负零扭矩 20mA 对应正满量程扭矩 过载能力： 在 120额定扭矩范围内保精度测量。 浙江理工大学毕业设计论文 15 瞬时冲击不高于 300额定扭矩，不损坏传感器。 3.1.4 联轴器的选择 1）可采用弹性柱销联轴器，弹性联轴器除了能补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动。从电机和扭矩传感器的规格可得联轴器的型号为 HL3 联轴器： 35 82 GB5014-85。 2）确定轴上零件的位置与固定方式 一级减速器中，可以将齿轮安排在箱体中央，轴承对称布置在齿轮两边。轴外伸端安装联轴器，齿轮靠油环和套筒实现轴向定位和固 定，靠平键和过盈配合实现周向固定，两端轴承靠套筒实现轴向定位，靠过盈配合实现周向固定 ，轴通过两端轴承盖实现轴向定位，联轴器靠轴肩平键和过盈配合分别实现轴向定位和周向定位。 3.1.5 主动轴与其轴承的选择 选取轴的材料为 45 号钢，调质处理。一级齿轮减速器的低速轴为转轴，输出端与联轴器相接。 由初选的轴承的型号为 :6206。查 1表 14-19 可知 :d=30mm,外径 D=62mm,宽度 B=16mm,基本额定动载荷 C=19.5KN,基本静载荷 CO=111.5KN,查 2表 10.1 可知极限转速 13000r/min。 根据已知条件，进行轴承计算： 轴承预计寿命： Lh=2 300 16=9600h 1)已知 nI=473.33(r/min) 两轴承径向反力： FR1=FR2=1129N 根据课本 P265（ 11-12）得轴承内部轴向力 FS=0.63FR 则 FS1=FS2=0.63FR1=0.63x1129=711.8N 2) FS1+Fa=FS2 Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取 1 端为压紧端 FA1=FS1=711.8N FA2=FS2=711.8N 3)求系数 x、 y FA1/FR1=711.8N/711.8N =0.63 浙江理工大学毕业设计论文 16 FA2/FR2=711.8N/711.8N =0.63 根据课本 P265 表（ 14-14）得 e=0.68 FA1/FR1e x1=1 FA2/FR29600h 预期寿命足够 3.1.6 键联接的选择及校核计算 1）根据轴径的尺寸，由 1中表 12-6： 高速轴 (主动轴 )与 V带轮联接的键为：键 8 36 GB1096-79 大齿轮与轴连接的键为：键 14 45 GB1096-79 轴与联轴器的键为：键 10 40 GB1096-79 2）键的强度校核： 大齿轮与轴上的键：键 14 45 GB1096-79 b h=14 9,L=45,则Ls=L-b=31mm 圆周力： Fr=2TII/d=2 198580/50=7943.2N 挤压强度： 56.93125150MPa= p 因此挤压强度足够 剪切强度： 36.60120MPa= s 浙江理工大学毕业设计论文 17 因此剪切强度足够 键 8 36 GB1096-79 和键 10 40 GB1096-79 根据上面的校核，并且符合要求。 3.1.7 齿轮箱箱体、箱盖及附件的选用与计算 1）箱体的主要尺寸： 1 箱座壁厚 z=0.025a+1=0.025 122.5+1= 4.0625（取 z=8） 2 箱盖壁厚 z1=0.02a+1=0.02 122.5+1= 3.45 （取 z1=8） 3 箱盖凸缘厚度 b1=1.5z1=1.5 8=12 4 箱座凸缘厚度 b=1.5z=1.5