车轴齿轮箱.doc

3.2.3.6车轴齿轮箱车轴齿轮箱位于轨道车轮对两轮之间的车轴上，是轨道车传动系统的最后一个总成。车轴齿轮箱的功用是将动力传递方向改变90度，并将输入扭矩放大，并将输入扭矩放大，转速降低，驱动轮对，使轨道车行驶。车轴齿轮箱有单级齿轮式和双级齿轮是两种。该车轴齿轮箱采用双级齿轮（见图3-14）。主要结构有上箱体、下箱体、一对螺线散齿轮、一对圆柱斜齿轮、剖分试密封圈和法兰盘等。二级减速，速比6.55。车轴齿轮箱两端车轴处，采用两个圆锥滚子滚动轴承，背靠背安放，共同承担来自外界的径向力，轴向力。车轴两端采用剖分试密封圈密封，前端采用骨架油封密封，轴承及螺旋散齿采用飞溅润滑方式，上侧面有加油透气孔下面有油标，便于检查油面高度，底部安放了放油堵，以便清洗和换油。摘要随着铁路事业的发展，尤其近年来电气化铁路的快速发展，轨道车辆作为专用运输和铁路养护设备逐渐成为铁路工务，工程施工，机务牵引供电及其他建设养护部门不可替代的设备。同时也被厂矿企业和一些铁路车站用在小型调车作业。发动机输出的转矩和转速变化范围很小，而汽车在行驶时所遇到的复杂的道路条件和使用条件要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化。齿轮箱是传动系的重要组成部分，应用在车辆上主要是起到减速增扭作用。 本设计采用传统机械设计与计算机辅助设计相结合的办法对轨道施工车驱动齿轮箱系统设计与分析。通过广泛查阅文献资料，参考图纸，利用汽车理论、汽车构造和汽车设计的相关知识设计齿轮箱系统的结构形式，对齿轮箱的齿轮进行了参数选择、几何尺寸计算、强度校核；选择了轴的材料，并计算了轴的直径；对所用轴承进行了载荷和寿命计算；运用Solid Edge软件绘制了部分零件的零件图和装配图，并建立三维实体模型。关键词：齿轮箱，轨道施工车，强度校核，计算机辅助设计Design and Analysis of Track Construction Vehicles Gear boxAbstractWith the development of railway, especially the electrization railway, the railcar as a kind of transportation and railway service equipment is gradually becoming a vital one for railway business, construction, railway traction and other construction and service department. It is also used on the the task of miniature maneuvering vehicle of mining factory and some railway stations. The modern automobile engine is a powerful, but do not produce much torque at low engine speeds. The gear box system is a vital device that makes better use of engine power and torque.In this paper, the traditional mechanical design and computer-aided design approach that combines the construction of the track drive gear box car design and analysis system. Through extensive literature, reference drawings, the use of automotive theory and design of vehicle structure and vehicle design-related knowledge of the gear box system structure, the gear on the gear box to choose the parameters, geometric dimensions, the intensity calibration; chosen axis materials, and calculate the diameter of the shaft; of bearings used in the calculation of loads and life expectancy; the use of AutoCAD software rendering some parts of the parts drawing and assembly drawing.Key Words：Gear box, Track Constraction Vehicles, Strength Analysis, Computer-aided design3- -目录摘要1Abstract2引言11概述21.1课题来源21.2课题背景21.2.1 选题背景21.2.2本课题的国内外研究进展31.3轨道车概述31.3.1轨道车分类41.3.2轨道车的基本结构41.4齿轮箱概述51.4.1齿轮箱的作用61.4.2 齿轮箱的特点61.5 任务内容及研究意义和方法71.5.1任务内容71.5.2课题研究意义和方法71.5.3预期成果72 齿轮箱的初步设计计算82.1 齿轮箱传动方案的选择82.2 设计要求及初步分配传动比83 齿轮传动设计93.1 圆锥齿轮传动设计93.1.1 选择齿轮材料，热处理方法，并确定许用应力93.1.2 分析失效，确定设计准则103.1.3按齿面接触疲劳承载能力计算齿轮的主要参数103.1.4 精确计算计算载荷113.1.5 验证轮齿接触疲劳承载能力123.1.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力123.1.7 锥齿轮设计图和参数表133.2 斜齿圆柱齿轮的设计与计算153.2.1 选择材料和热处理方法确定许用应力153.2.2 分析失效，确定设计准则。163.2.3 按轮齿的弯曲疲劳承载能力计算齿轮主要参数163.2.4 精确确定计算载荷。173.2.5 验算轮齿接触疲劳承载能力173.2.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力183.2.7 斜齿轮传动设计图与几何参数表194轴的设计与校核214.1 输入轴的设计与校核214.1.1 轴的直径设计214.1.2 计算轴上受力214.1.3确定危险点224.1.4 计算当量弯矩224.1.5选择轴的材料确定许用应力并校核强度224.2中间轴的设计与校核234.2.1 轴的尺寸设计234.2.2 计算轴上受力244.2.3 确定危险截面并计算合成弯矩254.2.4 计算当量弯矩264.2.6 选择轴的材料，确定许用应力并校核强度264.3 输出轴的设计与校核274.3.1 轴的尺寸设计274.3.2 计算轴上受力284.3.3 确定危险截面并计算合成弯矩284.3.4 计算当量弯矩294.3.5选择轴的材料，确定许用应力并校核强度305轴承的计算与校核305.1输入轴滚动轴承的选择305.2中间轴滚动轴承的选择305.3输出轴滚动轴承的选择与校核326 三维模型的建立346.1 Solid Edge简介346.2 建立部分零件和转配体的三维模型35结论38参 考 文 献39附 录41附录A 外文文献原文41附录B 外文文献译文50致谢58北京科技大学本科生毕业设计（论文）引言齿轮箱是传动系的重要组成部分，齿轮箱设计的好坏，直接影响到汽车的整体性能、运行和维修成本。成功的设计不仅能够解决企业设计生产中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导，更能够为企业在降低产品和生产成本，提高产品的质量和设计水平，减少维修时间，从而提高企业核心竞争力方面提供思路和方法。Solid Edge是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配设计、产品制造信息管理、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经成功应用于机械、电子、航空、汽车、仪器仪表、模具、造船、消费品等行业的大量客户。简单地说，本文采用传统设计与计算机辅助设计软件相结合的办法。具体而言，首先通过广泛查阅文献资料，参考图纸，利用汽车理论、汽车构造和汽车设计的相关知识设计齿轮箱系统的结构形式，并计算设计出各部件的尺寸，通过强度理论校核各部分的强度和刚度。然后，使用Solid Edge软件画出零件图和装配图。 1概述1.1课题来源本课题来源于一个实际设计项目。1.2课题背景1.2.1 选题背景我国铁路交通发展迅速，近几年国家极力加大铁路建设方面的投入。2009年，我国将实施6000亿元的铁路建设计划。2006年我国在铁路建设全年完成投资1553亿元，完成新线铺轨1040公里、复线铺轨997公里，投产新线1605公里、复线705公里、电气化铁路3960公里。到“十一五”末的2010年，铁路运营里程将由2005年的7.5万公里增加到9.2万公里以上，发达完善的铁路网初具规模。到2020年，铁路运营里程将达到10万公里。 铁路交通的发展要求其相应配套设施也要有相应发展。铁路运营里程数不断的增加，高速铁路的不断新建，不仅会促进整个国民经济的发展，而且也让我们看到轨道施工车辆将会有很大的发展空间。 轨道车主要是施工及检查用的。主要用于铁路设备维修、大修、基建等施工部门执行任务的主要运输工具。轨道车分重型和轻型两种，能由搭乘人员随时撤出线路的，称为轻型轨道车；不能由搭乘人员随时撤出线路的，称为重型轨道车1。和平时坐的火车有很大不同，它自带动力，根据需要，重型轨道车可加挂2个平板车。平时可在一些车站看到。它运行时一样的排运行图，获得行车调度批准后才能按点上道，审批手续非常严格。只有铁路运营单位和施工单位才能拥有。随着铁路事业的发展，尤其今年来电气化铁路的快速发展，轨道车辆作为专用运输和铁路养护设备逐渐成为铁路工务，工程施工，机务牵引供电及其他建设养护部门不可替代的设备。同时也被厂矿企业和一些铁路车站用在小型调车作业。轨道车已经从当初的牵引运输功能单一的产品发展成为工程施工牵引，专业施工，专业检测检察，专业养护的多功能系列产品。1.2.2本课题的国内外研究进展当今世界各国减速器及齿轮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2。自20世纪60年代以来，我国先后制订了JB113070圆柱齿轮减速器等一批通用减速器标准，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器生产厂。我国现有齿轮生产企业613 家(其中国有与集体所有的大中型企业110家，国有、集体所有的小企业435 家，私有企业48家，三资企业25家)。生产减速器的厂家有数百家，年产通用减速器75万台左右，年生产总值约250亿元。这些企业和厂家对发展我国的机械产品作出了贡献。20世纪60年代的减速器大多数是参照前苏联20世纪4050年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于当时的设计、工艺及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距。改革开放以来，我国引进了一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。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可从JB 17960的89级提高到GB 1009588的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在45级。部分减速器采用硬齿面后，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，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。从1988年以来，我国相继制定了5060种齿轮和蜗杆减速器的标准，研制了许多新型减速器，这些产品大多数达到了20世纪80年代的国际水平。目前，我国可设计制造2800kW的水泥磨减速器、1700mm轧钢机的各种齿轮减速器。各种棒材、线材轧机用减速器可全部采用硬齿面。但是，我国大多数减速器的水平还不高，老产品不可能立即被替代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。1.3轨道车概述轨道车是自轮运转特种设备，即自带驱动装置。通常装机功率在736千瓦以下，能在铁路线路上运行和牵引，作业的专用小型内燃机车。他是伴随着铁路发展应运而生的铁路运送和养护设备，主要用于铁路施工养护，材料机具和人员的运送以及其他特殊用途，成为铁路工务，工程，机务牵引供电及其他建设养护部门不可替代的设备。1.3.1轨道车分类按照轨道车作业的不同性能，作用和传动方式，可将轨道车分为以下几种类型：按运用的性质分类，根据轨道车的质量牵引力与功率及运用中是否按列车办理等运用性质可分为重型轨道车和轻型轨道车，通常我们所说的轨道车是重型轨道车。按传动类型分类，可分为机械传动轨道车，液力传动轨道车，液力-机械传动轨道车，电传动轨道车。按轴列式分类，轴列式是机车，轨道车等行走部分的特征。轴式的表示方法有数字表示和字母表示法两种。轨道车按轴列分类有两轴轨道车，三轴轨道车和四轴轨道车。两轴轨道车是两轴驱动方式轨道车，两个轮均为动轮。三轴轨道车是两轴方式驱动并由一根辅助承重车轴的轨道车，常见与轨道起重吊车。四轴轨道车是指由两轴转向架方式构成的轨道车。分为两轴带动力型和双转向架四轴带动力型。我所研究的轨道架线车既是属于两轴式轨道车，由前后桥驱动。按用途分类，主要有轨道车辆系列，电气化铁路施工、检测、维修设备系列和大中型养路机械系列等。具体说来主要有：1、轨道车系列，可牵引轨道平板车或通用车辆，适用于运输牵引，调车作业，区间通勤，指挥教授抢险和线路巡视办公等。2、电气化作业车，具备轨道车运输牵引功能，主要用于电气化铁路接触网的架线，放线，检测，检修，日常维护和故障处理。我所研究的轨道架线车既是属于电气化作业车的类型。3、轨道起重车，适用于电气化铁路立杆作业线路维修和沿线起重装卸作业。4、接触网巡检车5、钢轨探伤车6、绝缘子清洗车，属于电气化铁路接触网绝缘日常维护车。1.3.2轨道车的基本结构轨道车一般由车体、车架、动力及传动系统、行走部、制动系统、电气系统和其他辅助功能部分组成。我要研究的是车架的设计。车体、车架：为司乘人员提供工作场所，满足动力，辅助，缓冲等各种装置的安装，可分为非承载式车体车架，承载式车体车架。目前大多数轨道车都采用承载式车体车架，具有较强的刚度和抗变形能力。动力与传动系统：由发动机，机械传动系统，液力传动系统，传动轴总成，车轴齿轮箱，辅助动力箱传动等组成。走行部：承受上部重量，将传统系统动力传递到轮对转变为轨道车的牵引力和速度。制动系统：制动系统的功能是轨道车在行驶过程中，为了保证安全作业，正点运行，使轨道车准确的减速或在制定位置停车，制动系统由空气制动，基础制动和手动制动组成。电气系统，主要承担照明，启动，仪表，信号控制及其他相关工作。辅助功能泛指用于各个用途轨道车的附加功能，例如作业车的升降部分，轨道车的起重部分及行走部分，巡检车对接触网检查的记录控制部分等。不管轨道车的车型如何构成和变化还是由柴油机，传动系统，车体，车架，走行部，电气系统，制动系统等最基本的系统构成。不同类型的轨道车包含的组成部分略有不同，但关键最主要部分是相同的。二轴机械传动型轨道车由柴油机，离合器，变速箱，传动轴，换向箱，前后传动轴，前后车轴齿轮箱，轮对，轴箱，拉杆，车架，车钩等组成。二轴机械传动型轨道车基本组成机械传动型轨道车动力传动路线如下：柴油机离合器变速箱传动轴换向箱前后传动轴前后车轴齿轮箱轮对轴箱拉杆车架车钩。1.4齿轮箱概述齿轮箱分为行星式和直尺式，齿轮箱应用在车辆上主要是起到减速增扭作用，由于发动机的转速过高，输出的扭矩无法驱动车辆行走，必须通过齿轮箱齿轮副的减速增扭作用来实现，故也将齿轮箱称之为减速箱。1.4.1齿轮箱的作用1、加速减速，就是常说的变速齿轮箱。2、改变传动方向，例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴。3、改变转动力矩，同等功率条件下，速度转的越快的齿轮，轴所受的力矩越小，反之越大。 4、离合功能，我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮，达到把发动机与负载分开的目的。比如刹车离合器等。5、分配动力，例如我们可以用一台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴，从而实现一台发动机带动多个负载的功能3。1.4.2 齿轮箱的特点1、分配动力，例如我们可以用一台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴，从而实现一台发动机带动多个负载的功能。1. 齿轮箱采用通用设计方案，可按客户需求变型为行业专用的齿轮箱。2、实现平行轴、直交轴、立式、卧式通用箱体，零部件种类减少，规格型号增加。3、采用吸音箱体结构、较大的箱体表面积和大风扇、圆柱齿轮和螺旋锥齿轮均采用先进的磨齿工艺，使整机的温升、噪声降低、运转的可靠性得到提高，传递功率增大。4、输入方式，电机联接法兰、轴输入。5、输出方式，带平键的实心轴、带平键的空心轴、胀紧盘联结的空心轴、花键联结的空心轴、花键联结的实心轴和法兰联结的实心轴。6、齿轮箱安装方式，卧式、立式、摆动底座式、扭力臂式。7、齿轮箱系列产品有326型规格，减速传动级数有14级，速比1.25450;和R、K、S系列组合得到更大的速比4。1.5 任务内容及研究意义和方法1.5.1任务内容研究内容包括：选择齿轮箱结构形式，选择齿轮箱齿轮的基本参数，绘制零件图和装配图，并建立三维实体模型。1.5.2课题研究意义和方法齿轮箱是传动系的重要组成部分，齿轮箱设计的不好，汽车的整体性能就会受到影响，增大汽车的运行和维修成本，有时还可能发生安全事故。成功的设计不仅能够解决企业设计生产中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导，更能够为企业在降低产品和生产成本，提高产品的质量和设计水平，减少维修时间，从而提高企业核心竞争力方面提供思路和方法。Solid Edge是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配设计、产品制造信息管理、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经成功应用于机械、电子、航空、汽车、仪器仪表、模具、造船、消费品等行业的大量客户。简单地说，本文采用传统设计与计算机辅助设计软件相结合的办法。具体而言，首先通过广泛查阅文献资料，参考图纸，利用汽车理论、汽车构造和汽车设计的相关知识设计齿轮箱系统的结构形式，并计算设计出各部件的尺寸，通过强度理论校核各部分的强度和刚度。然后，使用Solid Edge软件画出零件图和装配图。 1.5.3预期成果完成齿轮箱系统结构及尺寸设计，画出相关的CAD图纸，进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作用力等等。通过设计，解决企业设计生产中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导。2 齿轮箱的初步设计计算2.1 齿轮箱传动方案的选择减速器主要由传动零件（齿轮），轴，轴承，箱体及其附件所组成10。轨道车车轴齿轮箱位于轨道车同一轴两轮之间的的车轴上，是轨道车传动系统的最后一个总成。图2. 1 传动示意图它的功用是将传动方向改变90，并将输入扭矩变大，驱动轮对使轨道车行驶。本课题的重型轨道车车轴齿轮箱，设计采用两级齿轮传动，第一级为圆锥齿轮传动，第二级为圆柱齿轮传动。结构上主要由上箱体，下箱体，前箱体，锥齿轮和圆柱齿轮等组成12。如右图是车轴齿轮箱的工作简图转矩由右端的锥齿轮齿轮轴输入，由左端的圆柱齿轮齿轮轴输出转矩。2.2 设计要求及初步分配传动比设计要求：输入转矩6874牛米，传动比=5.34设计与计算：初步分配传动比：传动比的分配会影响到减速器的尺寸，重量等。因此齿轮箱的设计中，合理的分配传动比非常重要。本课题的车轴减速器属于圆锥-圆柱齿轮减速器，对于这种减速器的传动比进行分配时，要尽量避免圆锥齿轮尺寸过大，制造困难，因而高速级圆锥齿轮的传动比不宜过大，通常取0.25。0.25=0.255.34=1.335取=2.2，=2.4。则=5.28初步分配传动比误差：0.06/5.34=1.1%100N.mm查齿向载荷分配系数表，70/108.5=0.6，=1*1.15*1.1*1.11=1.46870*1.4N.mm=9618N.mm=2*9618/108.5KN=160KN3.1.5 验证轮齿接触疲劳承载能力=189.8*2.5=611.75MPa=627MPa16轮齿接触疲劳承载能力足够3.1.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力由1683查外齿轮复合齿形系数图，得4.1，3.95。70/145=0.48于是，= MPa=165MPa=432MPa=MPa=167MPa=403.2MPa齿轮弯曲疲劳承载能力足够3.1.7 锥齿轮设计图和参数表 图3. 1 主动锥齿轮 图3. 2 从动锥齿轮表3-1 锥齿轮基本参数名称计 算 公 式小齿轮大齿轮模数m/mm1010齿数z1431压力角2020锥顶角28.8868.1465齿宽b/mm7070大端分度圆直径d/mm10*14=14010*31=310齿顶高11.65.4齿根高7.2813.48齿全高h/mm18.8818.88大端齿顶圆直径10*14+2*10*157.510*31+2*10*317.4大端齿根圆直径10*14-2*10*122.510*31-2*10*302.5锥距R/mmR=145齿顶角arctan5.4/145=2.13齿根角arctan13.48/145=5.31顶锥角=28.88+2.13=31.01=68.1465+2.13=70.28根椎角=28.88-2.13=26.75=68.1465-2.13=66.23.2 斜齿圆柱齿轮的设计与计算3.2.1 选择材料和热处理方法确定许用应力参考齿轮常用材料及热处理表，初选材料小齿轮20CrMnTi，渗碳淬火，5862HRC17大齿轮20CrMnTi，表面淬火，5862HRC根据小齿轮的齿面硬度60HRC和大齿轮的齿面硬度60HRC，按轮齿接触疲劳应力极限图MQ线，查的齿面接触极限疲劳应力如下：1500MPa1500MPa按齿根弯曲疲劳极限应力图MQ线，查的齿轮弯曲疲劳极限应力如下：850MPa850MPa取接触寿命系数Zn3=0.9，Zn4=1，取弯曲寿命系数Yn3=0.87，Yn4=0.9取安全系数如下：1.0 1.25于是，=1350MPa=1500MPa=1044MPa=1080MPa3.2.2 分析失效，确定设计准则。轨道车车轴齿轮箱的齿轮是在封闭的箱体内运动的，属于闭式传动，且为硬齿面齿轮，最大可能失效是齿根疲劳折断，也可能发生齿面疲劳。因此，本设计按轮齿的弯曲疲劳承载能力进行设计，确定主要参数，再验证齿面接触疲劳承载能力。3.2.3 按轮齿的弯曲疲劳承载能力计算齿轮主要参数设计式为确定计算载荷小齿轮转矩=6870*2.2牛米=15000牛米 查齿轮传动载荷系数表，考虑本齿轮传动为斜齿圆柱齿轮传动，综合考虑各种因素。取载荷系数为K=1.2=1.2*15000牛米=18000牛米查齿宽系数表，取1.15.34/2.2=2.4初选17，42，42/17=2.47，11=17.97=44.4查外齿轮复合齿形系数表，两轮的复合齿形系数为4.1，4.2由于4.1/1044=0.00394.2/1080=0.00391将齿轮4参数代入计算于是，=mm=9.2mm取标准模数10mm，则=mm=300.52mm取中心距a=300mm则=arccos0.981764705=10.563.2.4 精确确定计算载荷。K=1.2=172.9mm齿轮传动啮合宽度1.1*172.9/2mm=95.1mm考虑在选取模数时，加大了模数，取齿宽时可适当的减小，取b=95mm =1.2*15000牛米=18000牛米 kN=208kN3.2.5 验算轮齿接触疲劳承载能力 查区域系数图，标准齿轮2.45;查弹性系数表189.8；=0.97；因为大齿轮的许用齿面疲劳接触应力值较小，故将=1500MPa代入，于是=MPa=1220MPa齿面接触疲劳强度足够。3.2.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力=0.55查螺旋角系数表MPa=772MPa=1044MPaMPa=743.7=1080MPa轮齿弯曲疲劳承载能力足够3.2.7 斜齿轮传动设计图与几何参数表图3. 3 主动斜齿轮图3. 4 从动斜齿轮表3-2 斜齿轮基本参数名称计 算 公 式小齿轮大齿轮法向模数/mm1010法向压力角2020螺旋角10.5610.56齿宽b/mm9595分度圆直径d/mm=173=417齿顶高14.255.57齿根高8.2516.77齿全高h/mm22.522.34齿顶圆直径173+2*14.25=201.1417+2*5.57=428.5齿根圆直径173-2*8.25=156.5417-2*16.77=383.46顶隙c/mm=2.5标准中心距a/mm=mm=300mm节圆直径/mm=173=417传动比ii=42/17=2.474轴的设计与校核4.1 输入轴的设计与校核4.1.1 轴的直径设计由于轨道车传动过程中，扭矩很大。因此按按扭转强度条件设计轴的直径大小。根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为式中为扭转切应力，单位MPa，T为轴所受的转矩，单位牛米，为轴的抗扭截面系数，d为计算截面处的轴的直径，单位是mm；为许用抗扭切应力MPa，由上式可得轴的直径 T=6874牛米 查轴常用材料的值表 取=45MPa 得 =89mm 取d=90mm 即与齿轮轮毂配合处轴的直径是90mm4.1.2 计算轴上受力 压力角20 锥顶角28.836 转矩6874牛米 （1-0.5*0.45）*140=108.5mm 圆周力=2*6870/108.5=126.6KN 径向力=126.6*tan20cos =40kN 轴向力=126.6*tan20sin =22kN4.1.3确定危险点由于在轴承支撑处所受弯矩最大，因此危险应力点应该在轴承支撑处。由于小锥齿轮的齿全高为18.88mm，齿根高为7.28mm，因此设计时，让锥齿轮距箱体距离为30mm。即锥齿轮与轴承的距离为30mm由于齿轮的圆周力和径向力产生的合力为F1=kN =132kN在轴承支撑处产生的弯矩为M1=F1*30mm=3960牛米4.1.4 计算当量弯矩=在这里，取=0.6，=0.6*6870牛米=4122牛米则，轴承处的最大当量弯矩为 =牛米 =5716牛米4.1.5选择轴的材料确定许用应力并校核强度轴材料选用45钢，调质，查轴的常用材料及其力学性能表，得取轴承支撑处为危险截面，则此截面的强度条件为 =51.1MPa 结论：按扭转合成强度校核小齿轮轴的强度足够安全4.2中间轴的设计与校核4.2.1 轴的尺寸设计首先确定齿轮轮毂处轴的直径由于轨道车传动过程中，扭矩很大。因此按按扭转强度条件设计轴的直径大小。根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为式中为扭转切应力，单位MPa，T为轴所受的转矩，单位牛米，为轴的抗扭截面系数，d为计算截面处的轴的直径，单位是mm；为许用抗扭切应力MPa，由上式可得轴的直径 牛米牛米=12098牛米 查轴常用材料的值表 取=45MPa 得 =78mm 取d=80mm 即与小斜齿轮轮毂配合处轴的直径是80mm以下确定轴的长度 因为中间轴上安装有大锥齿轮和小斜齿轮 小锥齿轮， 大端齿顶圆直径 10*14+2*10*157.5 大锥齿轮， 10*31+2*10*317.4 齿顶高5.4mm 齿根高13.48mm 齿全高18.88mm 小斜齿轮， 齿宽b=70mm 大斜齿轮 齿宽b=70mm综合考虑各种因素 设计中间轴的长度为l=350mm 两齿轮间相距250mm，齿轮距齿轮箱壁相距各50mm4.2.2 计算轴上受力大锥齿轮 因为大锥齿轮上受力和小锥齿轮上受力是作用力与反作用力。因此和小锥齿轮的受力大小相等，方向相反。（1-0.5*0.45）*140=108.5mm 圆周力=2*6870/108.5=126.6KN 径向力=126.6*tan20cos =40.3kN 轴向力=126.6*tan20sin =22kN 小斜齿轮 小斜齿圆柱齿轮螺旋角10.56 小齿轮直径=173mm 小斜齿圆柱齿轮受力 转矩牛米=12098牛米 圆周力143.6kN 径向力54.3kN 轴向力143.6tan10.56=40.9kN由此，可以得出小齿轮轴的受力4.2.3 确定危险截面并计算合成弯矩由于中间轴既受到轴向力圆周力等产生的弯矩作用，又受到扭矩的作用，因此受力实际上很复杂。在分析时，我们选择两个齿轮所在截面为危险截面进行分析。校核这两个截面的强度，如果满足要求，则轴的设计就认为合理。计算支撑反力 = =-8.4kN =8.4-15+54.3=47.7kN=26.3kN=69.6kN大锥齿轮中间处左侧弯矩为=420牛米大锥齿轮中间处右侧弯矩为=8.4*50-8.5*175=-1067.5kN大椎齿轮中间处的垂直弯矩为=26.3*50=1315牛米小斜齿轮中间处右侧弯矩为=47.7*50=2385牛米小斜齿轮中间处左侧弯矩为=3885+40.9*84.22=444牛米小斜齿轮中间处垂直弯矩为=69.6*50=3480kN从而可以看出最大危险截面出现在小斜齿轮中间处右侧=4218牛米4.2.4 计算当量弯矩按下式求当量弯矩 = 在这里，取=0.6，=0.6*12098牛米=7258牛米则，轴承处的最大当量弯矩为 =牛米 =8394牛米4.2.6 选择轴的材料，确定许用应力并校核强度轴材料选用45钢调质，查轴的常用材料及其力学性能表，得危险截面处在小斜齿轮中间处右侧，则此截面的强度条件为 =55.2MPa结论：按扭转合成强度校核中间轴的强度足够安全图4. 1 中间轴4.3 输出轴的设计与校核4.3.1 轴的尺寸设计首先确定齿轮轮毂处轴的直径由于轨道车传动过程中，扭矩很大。因此按按扭转强度条件设计轴的直径大小。根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为式中为扭转切应力，单位MPa，T为轴所受的转矩，单位牛米，为轴的抗扭截面系数，d为计算截面处的轴的直径，单位是mm；为许用抗扭切应力MPa，由上式可得轴的直径 牛米=15000牛米=37000牛米 查轴常用材料的值表 取=45MPa 得 =200mm 取d=210mm 即与小斜齿轮轮毂配合处轴的直径是210mm4.3.2 计算轴上受力 因为大斜齿轮上受力和小斜齿轮上受力是作用力与反作用力。因此和小锥齿轮的受力大小相等，方向相反。 牛米=15000牛米 转矩=37000牛米 圆周力143.6kN 径向力54.3kN 轴向力143.6tan10.56=40.9kN4.3.3 确定危险截面并计算合成弯矩因为输出轴上只有一个齿轮，即大斜齿轮。因而很容易可以确定危险截面在大斜齿轮的中间。=417mm=17.2kN=54.3+17.2=71.5kN=16kN=143.6-16=127.6kN 大斜齿轮中间左侧水平弯矩为 =17.2*400=6880牛米 大斜齿轮中间右侧水平弯矩为 =6880-40.9*417/2 =-3581牛米 大斜齿轮中间剖面处的垂直弯矩为 =6400牛米 很明显危险截面在大斜齿轮中间左侧 = =9396.5牛米4.3.4 计算当量弯矩按下式求当量弯矩 = 转矩=37000牛米 在这里，取=0.6，=0.6*37000牛米=22044牛米则，轴承处的最大当量弯矩为 =牛米 =23963牛米4.3.5选择轴的材料，确定许用应力并校核强度轴材料选用45钢调质，查轴的常用材料及其力学性能表，得危险截面处在大斜齿轮中间处左侧，则此截面的强度条件为 =58.5MPa30142N因而轴有向右移动的趋势。即轴承2被压紧，轴承1被放松。=9857N=42257N计算当量动载荷因=0.357e由当量动载荷的径向系数X和轴向系数Y表当，当，因此，27600N0.4*84400+0.8*42257=67000N，所以只需要校核轴承2的寿命校核轴承2的寿命有轻微冲击，取1.0，1.0。取n=1200r/min轴承2的寿命为= =30580h假设轨道车一年工作250天，一天工作12小时即30580/250*12=10年满足要求。5.3输出轴滚动轴承的选择与校核输出轴支撑轴承，设计时轴承支撑处设计为d=170mm，选用圆锥滚子轴承，查圆锥滚子轴承表。选用代号为30234的轴承。查机械设计手册，具体参数如下：d=170mm，D=310mm，T=57mm，B=52mm，C=43mm，e=0.44，Y=1.4，=0.8基本额定动载荷590kN，基本额定静载荷865kN。计算轴承的轴向载荷 17.2kN，=71.5kN，=16kN，=127.6kN两轴承的径向载荷分别为=40.9=23.5kN=146kN查角接触轴承派生轴向力计算表=8393N=52000N由于=40900+8393=49293N52000N因而轴有向左移动的趋势。即轴承1被压紧，轴承2被放松。=52000N=52000-40900=11100N计算当量动载荷因=0.47e，e=0.44，=0.356e由当量动载荷的径向系数X和轴向系数Y表当，当，因此，0.4*23500+0.8*11100N=18280N52000N，所以只需要校核轴承2的寿命校核轴承2的寿命有轻微冲击，取1.0，1.0。取n=1000r/min轴承2的寿命为= =54523h假设轨道车一年工作250天，一天工作12小时即=18.2年轴承的设计寿命满足要求至此，齿轮箱设计的计算部分基本完成。6 三维模型的建立6.1 Solid Edge简介Solid Edge是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配设计、产品制造信息管理、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经成功应用于机械、电子、航空、汽车、仪器仪表、模具、造船、消费品等行业的大量客户18。Solid Edge采用Siemens PLM Software公司自己的Parasolid作为软件核心，将普及型CAD系统与世界上最具领先地位的实体造型引擎结合在一起，功能强大，是从事三维设计的优秀CAD软件19。同时系统还提供了从二维视图到三维实体的转换工具，您无需摒弃多年来二维制图的成果，借助Solid Edge就能迅速跃升到三维设计，这种质的飞跃让您体验到三维设计的巨大优越性。使用