带式输送机动力及系统设计毕业论文.doc

带式输送机动力及系统设计毕业论文1 动力方案的设计1.1 电动机的分类电机分为直流电机和交流电机两大类，交流电机又有同步电机和异步电机之分，异步电机又可分为异步发电机和异步电动机。异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机，其中三相异步电动机因其结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠，在各种电动机中应用最广、需求量最大。1.2 三相异步电动机的启动三相异步电动机分为鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机，二者的构造不同，启动方法也不同，其启动控制线路差别很大。三相笼型异步电动机因无法在转子回路中串接电阻，所以只有全压启动和减压启动两种方法。（一）三相笼型异步电动机全压启动控制线路在许多工矿企业中，鼠笼式异步电动机的数量占电力拖动设备总数的85%左右。在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。是电动机单向起动控制线路的电气原理图。这是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等。单向运行电气控制线路 在图1-1中，主电路由隔离开关QS、熔断器FU、接触器KM的常开主触点，热继电器FR的热元件和电动机M组成。控制电路由起动按钮SB2、停止按钮SB1、接触器KM线圈和常开辅助触点、热继电器FR的常闭触头构成。控制线路工作原理为：1、起动电动机 合上三相隔离开关QS，按起动按钮SB2，按触 器KM的吸引线圈得电，3对常开主触点闭合，将电动机M接入电源，电动机开始起动。同时，与SB2并联的KM的常开辅助触点闭合，即使松手断开SB2，吸引线圈KM通过其辅助触点可以继续保持通电，维持吸合状态。凡是接触器（或继电器）利用自己的辅助触点来保持其线圈带电的，称之为自锁（自保）。这个触点称为自锁（自保）触点。由于KM的自锁作用，当松开SB2后，电动机M仍能继续起动，最后达到稳定运转。2、停止电动机 按停止按钮SB1，接触器KM的线圈失电，其主触点和辅助触点均断开，电动机脱离电源，停止运转。这时，即使松开停止按钮，由于自锁触点断开，接触器KM线圈不会再通电，电动机不会自行起动。只有再次按下起动按钮SB2时，电动机方能再次起动运转。 图1-1三相笼型异步电动机 全压启动单向运转控制电路3、线路保护环节（1）短路保护短路时通过熔断器FU的熔体熔断切开主电路。（2）过载保护通过热继电器FR实现。由于热继电器的热惯性比较大，即使热元件上流过几倍额定电流的电流，热继电器也不会立即动作。因此在电动机起动时间不太长的情况下，热继电器经得起电动机起动电流的冲击而不会动作。只有在电动机长期过载下FR才动作，断开控制电路，接触器KM失电，切断电动机主电路，电动机停转，实现过载保护。（3）欠压和失压保护当电动机正在运行时，如果电源电压由于某种原因消失，那么在电源电压恢复时，电动机就将自行起动，这就可能造成生产设备的损坏，甚至造成人身事故。对电网来说，同时有许多电动机及其他用电设备自行起动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。3湖北工业大学商贸学院毕业设计当电动机正常运转时，电源电压过分地降低将引起一些电器释放，造成控制线路不正常工作，可能产生事故；电源电压过分地降低也会引起电动机转速下降甚至停转。因此需要在电源电压降到一定允许值以下时将电源切断，这就是欠电压保护。欠压和失压保护是通过接触器KM的自锁触点来实现的。在电动机正常运行中，由于某种原因使电网电压消失或降低，当电压低于接触器线圈的释放电压时，接触器释放，自锁触点断开，同时主触点断开，切断电动机电源，电动机停转。如果电源电压恢复正常，由于自锁解除，电动机不会自行起动，避免了意外事故发生。只有操作人员再次按下SB2后，电动机才能起动。控制线路具备了欠压和失压的保护能力以后，有如下三个方面优点：防止电压严重下降时电动机在重负载情况下的低压运行；避免电动机同时起动而造成电压的严重下降；防止电源电压恢复时，电动机突然起动运转，造成设备和人身事故。二、三相笼型异步电动机降压起动线路鼠笼式异步电动机采用全压直接起动时，控制线路简单，维修工作量较少。但是，并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动。这是因为异步电动机的全压起动电流一般可达额定电流的4-7倍。过大的起动电流会降低电动机寿命，致使变压器二次电压大幅度下降，减少电动机本身的起动转矩，甚至使电动机根本无法起动，还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作。一般规定，电动机容量在10kW以下者，可直接起动。10kW以上的异步电动机是否允许直接起动，要根据电动机容量和电源变压器容量的比值来确定。对于给定容量的电动机，一般用下面的经验公式来估计。 IST 电动机全压起动电流 单位：AIN 电动机额定电流 单位：AS 电源变压器容量 单位：KVAP 电动机容量 单位：KW若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压起动，否则不予全压起动,应考虑采用降压起动。有时，为了限制和减少起动转矩对机械设备的冲击作用，允许全压起动的电动机，也多采用降压起动方式。鼠笼式异步电动机降压起动的方法有以下几种：定子电路串电阻（或电抗）降压起动、自耦变压器降压起动、Y-降压起动、-降压起动等.使用这些方法都是为了限制起动电流,(一般降低电压后的起动电流为电动机额定电流的2-3倍)，减小供电干线的电压降4落，保障各个用户的电气设备正常运行。1、定子串电阻降压起动控制线路 电动机启动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，起动后再将电阻短路，电动机仍然在正常电压下运行。这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。 2、星三角降压起动正常运行时，电动机定子绕组是接成三角形的，起动时把它接成星形，起动即将完毕时再恢复成三角形。目前4kW以上的J02、J03系列的三相笼型异步电动机定子绕组在正常运行时，都是接成三角形的，对这种电动机就可采用星形三角形降压起动。 3、自耦变压器降压起动利用自耦变压器的多抽头减压，既能适应不同负载起动的需要，又能得到更大的起动转矩，是一种经常被用来起动较大容量电动机的减压起动方式。它的最大优点是起动转矩较大，当其绕组抽头在80%处时，起动转矩可达直接起动时的64%。并且可以通过抽头调节起动转矩。至今仍被广泛应用。在以上几种起动控制方式中，星/三角起动，自耦减压起动因其成本低，维护相对容易，目前在实际运用中还占有很大的比重。但因其采用分立电气元件组装，控制线路接点较多，在其运行中，故障率相对还是比较高。另外有时根据生产需要，要更改电机的运行方式，如原来电机是连续运行的，需要改成定时运行，这时就需要增加元件，更改线路才能实现。有时因为负载或电机变动，要更改电动机的起动方式，如原来是自耦起动，要改为星三角起动，也要更改控制线路才能实现。所以它们最大的缺点是体积大，启动不平稳，尤其星/三角启动方式，启动扭矩较小，它们启动时对网电还有一定冲击。52 传动方案的设计传动装置总体设计主要包括选择传动方案、选定电动机类型和型号、分配传动比和计算各轴的转速等。2.1选择传动方案本设计的传动装置可以有多种传动方案。如图2-1所示为带式运输机的4种传动方案。方案（a）结构最紧凑，但蜗杆传动效率低，功率损失较大；方案（b）的宽度尺寸较方案（c）小，但圆锥齿轮加工较圆柱齿轮困难；方案（d）的长度和宽度尺寸较大，但能发挥带传动的过载保护作用。由于工作载荷不大，室内环境、布局没有严格限制，所以采用图2-1（d）所示的V带传动一级减速器的组合传动方案，将带传动放在高速级，既可以缓冲吸振又能减小传动的尺寸。 图2-1带式输送机的4种传动方案2.2选择电动机（1）选择电动机的类型按已知工作要求和条件，选用Y型全封闭笼型三相异步电动机。（2）选择电机型号根据设计内容可知电动机的输出功率P0=4KW，输出转速n=3000r/min。符合这一条件6的电动机有Y系列电机Y132S-4，满载转速为nm=2890r/min。电动机的中心高、外形尺寸、轴伸尺寸等均可在机械设计手册中查到，具体参数如表1所示。表1 Y132S2-2型电动机的主要性能参数电动机型号额定功率/KW同步转速/（r/min）满载转速/(r/min)堵转转矩最大转矩额定转矩额定转矩Y112M-24300028902.22.3中心高H平键尺寸FG安装尺寸AB轴伸尺寸DE外形尺寸L（AC/2+AD）HD11210331901402860400（230/2+190）3152.3传动比的分配V带传动比范围i1=24，单级圆柱齿轮传动比范围i2=35，为使V带传动的外部尺寸不致过大，因此可选择取i带=3，i齿=4。并取带=0.96, 轴承=0.995, 齿=0.98。2.4运动参数及动力参数计算1、计算各轴转速（r/min）nm =2890(r/min)nI=nm/i带=2890/3=963(r/min)nII=nI/i齿=963/4=240(r/min)2、计算各轴的功率（KW）P0=4(KW)P= P0带=40.96= 3.84(KW)P= P轴轴齿=3.840.9950.9950.98=3.72(KW) 3、计算各轴转矩T0=9.55 P0 /nm =95504/2890=13.22（Nm） TI=9.55 P / nI =95503.84/963=38.08（Nm） TII =9.55 P / n=95503.72/240=148.02(Nm)73 V带传动设计设计V带传动时，一般已知条件是：传动的工作情况，传递的功率，两轮转速、（或传动比）及空间尺寸要求等。具体的设计内容有：确定V带的型号、长度和根数，传动中心距及带轮直径，画出带轮零件图等。3.1 V型带传动设计(1) 确定计算功率计算功率是根据传递的额定功率（如电动机的额定功率），并考虑载荷性质以及每天运转时间的长短等因素的影响而确定的，即 （31）式中为工作情况系数，查表2可得。表2 工作情况系数工 况空、轻载起动重载起动每天工作小时数/1616载荷变动微小液体搅拌机、通风机和鼓风机(7.5kW)、离心式水泵和压缩机、轻型输送机1.01.11.21.11.21.3载荷变动小带式输送机（不均匀载荷）、通风机(7.5kW)、旋转式水泵和压缩机（非离心式）、发电机、金属切削机床、印刷机、旋转筛、锯木机和木工机械1.11.21.31.21.31.4载荷变动较大制砖机、斗式提升机、往复式水泵和压缩机、起重机、磨粉机、冲剪机床、橡胶机械、振动筛、纺织机械、重载输送机1.21.31.41.41.51.6载荷变动很大破碎机（旋转式、颚式等）、磨碎机（球磨、棒磨、管磨）1.31.41.51.51.61.8注：1. 空、轻载起动：电动机（交流起动、起动、直流并励），4缸以上的内燃机，装有离心式离合器、液压联轴器的动力机。重载起动：电动机（联机交流起动、直流复励或串励），4缸以下的内燃机。8 2. 反复起动、正反转频率、工作条件恶劣等场合，应乘1.2。3. 增速传动时应乘如表3系数。表3 增速传动时应乘系数增速比1.251.741.752.492.53.49系 数1.051.111.181.28(2) 选择V带的型号根据计算功率和主动轮转速，由图3-1和图3-2选择V带型号。当所选的坐标点在图中两种型号分界线附近时，可先选择两种型号分别进行计算，然后择优选用。图3-1普通V带轮选型图图3-2 窄V带轮选型图(3) 确定带轮基准直径、带轮直径小可使传动结构紧凑，但带轮直径过小会使带的弯曲应力增大，使带的寿命降低，且带速也低，传动能力也降低。小带轮轮直径过大，又会使传动装置外廓尺寸增大，结构9不紧凑，所以设计时应取小带轮的基准直径，的值查表4。忽略弹性滑动的影响，、宜取标准值（查表5）。 表4 普通V带轮最小基准直径 mm传动带型号YZABCDEdmin205075125200355500表5 普通V带基准直径系列基准直径dd型 号基准直径dd型 号YZABCDEYZABCDE外 径 dn外 径 dn2022425283153554045505663717580859095100106112118125132140232256282312347387432482532592662742832932103211521282+54+606775798494104116129144+805+855+90595510051055111511751235130513751455+132+139147150160170180200212224236250265280315355375400425450475500530560630710154164184204254284319359404504634155516551855205525553205405550556355157167177187207219231243357287322362407507637+2096+2216233624562596274628963246364640964596509656966396371239124162441246624912516254625722646272625192549257926492729210 续表基准直径dd型 号基准直径dd型 号YZABCDEYZABCDE外 径 dn外 径 dn80090010001120805580710071127809610096816291621016281929192101921139212501600200025001259612662161622016212692161922019225192（4）验算带速 （32）如果传动带带速太低，则当传递功率一定时，使传递的圆周力增大，带的根数增多。另外单位时间内带绕过带轮的次数也增多，降低传动带的工作寿命。而如果带速太高会使离心力增大，使带与带轮间的摩擦力减小，传动中容易打滑。所通常应使带速m/s，对于普通V带应使m/s，对于窄V带应使m/s。如带速超过上述范围，应重选小带轮直径。（5）确定中心距和基准带长传动中心距小则结构紧凑，但传动带较短，包角减小，传动带的绕转次数增多，降低了带的寿命致使传动能力降低。如果中心距过大则结构尺寸增大，当带速较高时带会产生颤动。设计应根据具体的结构要求或按下式初步确定中心距 （33）由带传动的几何关系可得带的基准长度计算公式： （34）为带的基准长度计算值，查表6即可选定带的基准长度，而实际中心距可由下式近似确定 （35）11考虑到安装调整和补偿初拉力的需要，应将中心距设计成可调式，有一定的调整范围，一般取 （36） （37） 表6 普通V带的基准长度系列（摘自GB/T11544-1997） mm型 号YZABCDE200224250280315355400450500405475530625700780820108013301420154063070079089099022001250143015501640175019402050220023002480270093010001100121013701560176019502180230025002700287032003600406044304820537060701565176019502195242027152880308035204060460053806100681576009100107002740310033303730408046205400610068407620914010700122001370015200466050405420610068507650915012230137501528016800（6）验算小带轮包角 （38）通常应使（特殊情况下允许）。若验算后不满足此要求，可加大中心12距或减小传动比，或采用张紧轮装置。（7）确定V带根数V带根数可按下式来计算 （39）式中为计算功率，为单根普通V带额定功率，其值可查附表1； 为单根普通V带额定功率的增量，其值可查附表2；为小带轮包角系数，其值可查附表3；为长度系数，其值可查附表4。带的根数应为整数。为了使V带的受力均匀，带的根数不宜太多，通常。如计算结果超出范围，应改换V带的型号或加大带轮直径后重新设计。（8）计算单根V带的初拉力单根V带的初拉力为 （310）式中为计算功率，为小带轮包角系数，其值可查附表3；为V带根数，为V带每米长的质量(kg/m)，其值可查表7；为V带的速度(m/s)。由于新带易松驰，所以对于不能调整中心距的普通V带传动，安装新带时的初拉力应为计算值的1.5倍。 表7 普通V带单位长度质量 kg/m带型号q带型号qYZAB004006011020CDE033066102（9）计算作用在轴上所受的压力V带的张紧对轴、轴承产生的压力会影响轴、轴承的强度和寿命。作用在轴上所受的压力一般近似按两边的初拉力的合力进行计算2 （311）根据设计题目所给和传动方案中所求得的数据，对该V带传动进行设计。13在本次设计中，电动机的功率P=4kW，转速n1=2890r/min，求得高速齿轮轴(大带轮)的转速为n2=963r/min,齿轮输出轴转速为n3=240r/min, 载荷平稳，一天工作24小时，预期寿命为10年（一年按260个工作日算）,设计V带传动。(1) 确定计算功率查表2可得，=1.4由式（3.1）可得， =1.44=5.6(kw)(2)选择V带的型号根据计算功率和主动轮转速，由图3-1选择A型V带。(3)确定带轮基准直径、查表5， 取 由传动比公式=240mm在由表5取=250mm (4)验算带速由式3.2可得， m/s 在525 m/s范围内合适(5)初定中心距和基准带长根据可得，应在224640 mm之间，初选中心距mm。由带传动的几何关系可得带的基准长度计算公式： mm为带的基准长度计算值，查表6即可选定带的基准长度mm，而实际中心距可由下式近似确定 mm14(6)验算小带轮包角 所以包角合适(7)确定V带根数由机械设计基础教材查表6.7查表6.8、表6.9、表6.10，=1.4kw，=0.34kw，=1.05，=0.96由式（3.9）可得，取=4根。(8)计算单根V带的初拉力查机械设计基础教材查表6.1，取kg/m。由式（3.10）可得，单根V带的初拉力为 =N(9)计算作用在轴上所受的压力由式（3.11）可得，V带的张紧对轴、轴承产生的压力为 N3.2 带传动的张紧、安装及维护3.2.1带传动的张紧V带在张紧状态下工作一段时间后，传动带就会产生塑性变形而发生松驰现象，使初拉力减小，传动能力下降。因此，为了保证带传动的正常工作，应定期检查带的初拉力，当发现初拉力小于允许范围时，须重新张紧。常见的张紧方式有调整中心距方式和张紧轮15张紧方式两种。1调整中心距方式调整中心距方式就是通过调整两皮带轮的中心距来提高初拉力的方式。它有定期张紧和自动张紧两种形式。(1) 定期张紧定期张紧是定期调整中心距以恢复张紧力。常用的有滑道式（图3-3a）和摆架式（图3-3b）两种，滑道式张紧装置通过调节螺钉调整电动机位置，加大中心距，以达到张紧的目的，它适用于水平布置的带传动。摆架式张紧装置通过调节摆动架（电动机轴中心）位置，加大中心距，以达到张紧的目的，经适用于垂直分布的带传动。a) b)c) d)图3-3 带的张紧装置(2) 自动张紧自动张紧将装有带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用电动机的自身重量，自动调整中心距而大致张紧传动带的目的，如图3-3c所示。2用张紧轮张紧方式当中心距不可调节时，可采用张紧轮张紧的方式，如图3-3d所示。张紧轮一般装在松边内侧，并尽量靠近大带轮，张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，直径应小于带轮的直径。若张紧轮设置在外侧时，则应使其靠近小轮，这样可以增加小带轮的包角。163.2.2带传动的安装及维护带传动的安装及维护应注意以下几点：1两带轮的轴线必须平行安装，两轮轮槽应对齐，否则将加剧带的磨损，甚至使带从带轮上脱落下来。2通常应有通过调整各轮的中心距的方法来调整传动带的张紧力，带套上带轮后慢慢地拉至规定的初拉力。3新带使用前，最好预先拉紧一段时间后再使用。同组使用的V带应型号相同、长度相同，不同厂家生产的带、新旧带不能同组使用。4安装V带时，应按规定的初拉力进行张紧。对于中等中心距的带传动也可凭经验张紧，带的张紧程度以大拇指能将带按下15mm为宜。5应定期检查传动带，若发现有的传动带过度松驰或已损坏时，应全部更换。6带传动装置外面应加防护罩，以保证安全；防止带与酸性、碱性或油接触而腐蚀传动带，带传动的工作温度不应超过60。7如果带传动装置需闲置一段时间不用时，应将传动带放松。4 齿轮传动设计4.1 齿轮传动的失效形式及设计准则4.1.1 齿轮传动的失效形式正常情况下，齿轮传动的失效主要是轮齿的实效。研究轮齿的实效形式并分析其原因，是为了确定齿轮传动的设计准则和相应的承载能力计算方法。齿轮传动的实效与其工作条件和使用条件有关，就工作条件来讲，齿轮传动有闭式传动和开式传动两类。闭式传动的齿轮封闭在箱体内，能保证良好的润滑，重要的齿轮传动一般采用闭式传动；开式传动的齿轮外露空气中，灰尘、沙粒等杂质容易落入，润滑不良，通常用在手动、低速等不重要的齿轮传动中。就使用条件来讲，有高速、低速、重载、轻载之分，齿轮的材料也有所不同。因此，齿轮的失效也具有多种形式，如轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性流动等失效形式。1.轮齿折断轮齿折断是指齿轮一个或多个齿的整体或局部断裂。折断一般发生在轮齿的根部。折17断有疲劳折断和过载折断之分。齿轮进入啮合后就开始受力，齿根圆角处如同悬臂梁一样产生最大的弯曲应力并会产生应力集中。轮齿脱啮后，弯曲应力随之消失。所以齿轮工作时，每个齿的根部均受到变动的弯曲应力作用。当弯曲应力超过材料的疲劳极限时，齿根就会产生疲劳裂纹，裂纹不断扩展最后导致轮齿折断。这种折断称为疲劳折断。用铸铁、整体淬火钢等脆性材料制造的齿轮，若工作时受到很大的冲击或严重过载时，其轮齿可能发生突然折断。这种折断称为过载折断。2. 齿面点蚀 点蚀是齿面由于小片金属剥落而产生麻点状损伤，从而使齿轮传动失效的一种现象。轮齿进入啮合时，齿面接触处产生近似脉动变化的接触应力，在接触应力超过轮齿材料的接触疲劳极限应力的地方，将在轮齿表层下产生疲劳裂纹，并随时间不断扩展形成点蚀。点蚀一般出现在节线附近靠近齿根部分的表面上。3. 齿面胶合 胶合是指相啮合的两齿面，在高压下直接接触发生黏着，同时随着两齿面的切向相对滑动，使金属从齿面上撕落而形成的一种比较严重的黏着磨损现象。胶合通常发生在高速、重载的齿轮传动中。由于重载和很大的齿面相对滑动速度，在接触处产生局部瞬间高温导致油膜破裂，两相互接触的轮齿表面由于高温熔焊而产生热胶合。对于重载、低速的齿轮传动，由于啮合处局部压力很高且齿面相对滑动速度低，也会导致两金属表面间油膜破裂而黏着，从而引起胶合而破坏。4. 齿面磨损在开式齿轮传动中，灰尘、沙粒或其他硬屑进入啮合齿面间，在轮齿的相互滚辗作用下，使齿面产生磨损；当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，较软的轮齿表面也会产生磨损。过度磨损后，轮齿变薄，达到一定程度后就会因为承受不了较大的载荷而折断。4.1.2 齿轮传动的设计准则以上讨论了几种常见的齿轮失效形式。显然，齿轮轮齿的每一种失效形式的出现并不是孤立的，例如，齿面一旦出现了疲劳点蚀或胶合，就会加剧齿面的磨损，齿面的严重磨损又将导致轮齿的折断。因此齿轮传动的承载能力及其可靠性，主要取决于齿轮齿体及齿面抵抗各种失效的能力，并成为齿轮传动设计的主要内容。因此，普通齿轮传动的设计准则为：181闭式齿轮传动软齿面(硬度350HBS)，轮齿的主要失效形式为齿面的疲劳点蚀。为此应首先按齿面接触疲劳强度计算轮齿分度圆直径和其他几何参数，然后再校核齿面接触疲劳强度。2闭式齿轮传动硬齿面(硬度350HBS)，轮齿的主要失效形式为轮齿的弯曲疲劳折断。为此应首先按弯曲疲劳强度计算模数和其他几何参数，然后再校核齿面接触疲劳强度。3开式齿轮传动的主要失效形式为齿面磨粒磨损和弯曲疲劳折断。目前对齿面磨损尚无成熟的计算方法，因此通常只进行弯曲疲劳强度计算，并将计算所得模数加大10%20%，以补偿磨损量。 4.2齿轮的材料及许用应力 4.2.1齿轮的材料及热处理常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等，一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮较大（例如直径大于400600mm）而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动可采用灰铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。另外高速、轻载的齿轮传动还可采用尼龙、酚醛塑料和夹布胶木等非金属材料。齿轮常用的热处理方法有以下几种：1表面淬火表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢，例如45钢、40Cr等。表面淬火后轮齿变形不大，可不磨齿，齿面硬度可达5055HRC。由于齿面接触强度高，耐磨性好，而齿芯部未淬硬仍有较高的韧性，故能承受一定的冲击载荷。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等 。2渗碳淬火渗碳淬火用于含碳量0.15%0.25%的低碳钢和低碳合金钢中，例如20钢、20Cr等。渗碳淬火后齿面硬度可达5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，而齿芯部仍保持有较高的韧性，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。3调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，例如45钢、40Cr等。调质处理后齿面硬度一般为210280HBS。因硬度不高，故可在热处理以后精切齿形，且在使用中易于跑合。4正火 19正火能消除内应力、细化晶粒、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。渗氮不再进行其他热处理，齿面硬度可达6062HRC。因氮化处理温度低，齿的变形小，因此适用于难以磨齿的场合，例如内齿轮。常用的渗氮钢为38CrMnAlA。上述五种热处理中，调质和正火两种处理后的齿面硬度较低(HBS350)，为软齿面；其他三种处理后的齿面硬度较高，为硬齿面。软齿面的工艺过程简单，适用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，考虑到小齿轮齿根较薄，弯曲强度较低，且受载次数较多，故在选择材料和热处理时，一般使小齿轮面硬度比大齿轮高2050HBS。硬齿面齿轮的承载能力较高，但需专门设备磨齿，常用于要求结构紧凑或生产批量大的齿轮。当大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的硬度应略高，也可和大齿轮相等。4.2.2齿轮材料的许用应力齿面接触疲劳许用应力为 (4.1)齿根弯曲疲劳许用应力为 (4.2)式中带lim下标的应力是试验齿轮在持久寿命期内失效概率为1%的疲劳极限。齿面接触疲劳极限，查图4-1；齿根弯曲疲劳极限，查图4-2。受循环弯曲应力的齿轮，应将图4-2中的值乘0.7。为齿面接触疲劳强度安全系数、为齿根弯曲疲劳强度安全系数，可查表9。为接触疲劳寿命系数，可查图4-3；为弯曲疲劳寿命系数，可查图4-4。图4-3和图4-4中的为应力循环次数，其中为齿轮转速，单位为r/min，为齿轮转一周时同侧齿面的啮合次数，为齿轮工作寿命，单位为h。 表9 齿面接触疲劳强度安全系数和齿根弯曲疲劳强度安全系数20安全系数软齿面(硬度350HBS)硬齿面(硬度350HBS)重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮1.01.11.11.21.31.31.41.41.61.62.2图4-1 齿面接触疲劳极限 a)铸铁 b)正火结构钢和铸钢 21图4-2 齿根弯曲疲劳极限 1碳钢正火、调质淬火及渗碳，球墨铸铁（允许一定的点蚀）；2同1，不允许出现点蚀；3碳钢调质后气体氢化、氮化钢气体氮化，灰铸铁；4碳钢调质后液体氮化图4-3 接触疲劳寿命系数1碳钢正火、调质，球墨铸铁；2碳钢表面淬火、渗碳；3氮化钢气体氮化，灰铸铁；4碳钢调质后液体氮化图4-4 弯曲疲劳寿命系数22湖北工业大学商贸学院毕业设计4.3齿轮传动的精度及其标注4.3.1 齿轮传动的精度制造和安装齿轮传动时，不可避免地会产生误差（如齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行等）。误差对传动带来以下三方面的影响：1相啮合齿轮在一定范围内实际转角与理论转角不一致，即影响传递运动的准确性。2瞬时传动比不能保持恒定不变，齿轮在一下范围内会出现多次重复的转速波动，特别在高速传动中将引起振动、冲击和噪声，即影响传动的平稳性。3齿向误差能使齿轮上的载荷分布不均匀，当传递较大转矩时，易引起早期损坏，即影响载荷分布的均匀性。国家标准GB10095-2001对圆柱齿轮和圆锥齿轮规定了13个精度等级，其中0级的精度最高，12级的精度最低，常用的是69级精度。按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三个组，分别反映传递运动的准确性、传动的平稳性和载荷分布的均匀性。此外，考虑到齿轮制造误差以及工作时轮齿变形和受热膨胀，同时为了便于润滑，需要有一定的齿侧间隙，为此，标准中还规定了14种齿厚偏差表10列出了圆柱齿轮传动精度等级及其应用的推荐范围，供设计时参考。23表10 圆柱齿轮传动精度等级及其应精度等级圆周速度/(ms-1)应用举例直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮直齿锥齿轮6(高精度)15259在高速、重载下工作的齿轮传动，如机床、汽车和飞机中的重要齿轮；分度机构的齿轮；高速减速器的齿轮7(精密)10176在高速、中载或中速下工作的齿轮传动，如机床、汽车变速箱的齿轮；标准减速器的齿轮8(中等精度)5103一般机械中的传动齿轮，如机床、汽车和拖拉机中的一般齿轮；起重机械中的一般齿轮；农业机械中的重要齿轮9(低精度)33.52.5在低速、重载下工作的齿轮，粗糙工作机械中的齿轮4.4标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算齿轮的强度计算是根据齿轮的失效形式进行的。对于一般的齿轮传动只计算齿根弯曲强度和齿面接触强度即可；对于高速重载的闭式齿轮传动还要计算胶合承载能力。本节着重介绍标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算方法。4.4.1 齿轮的受力分析为计算轮齿的强度，必须首先分析齿轮轮齿上的作用力。如图4-5a所示为一对标准直齿圆柱齿轮传动，齿廓在节点处接触，若忽略摩擦力，轮齿间相互作用的法向力沿着啮合线方向。如图4-5c所示为两轮在接触点处的受力情况。主动轮1的法向力可分解圆周力及径向力，从动轮2的法向力可分解圆周力及径向力。24图4-5 标准直齿圆柱齿轮传动的受力分析若主动轮1所传递的功率为(kW)、转速为(r/min)，则作用在主动轮上的转矩为 (4.3) (4.4) 式中为小齿轮传递的转矩，的单位为Nmm；为小齿轮的分度圆直径，单位为mm；为小齿轮节圆上的压力角。根据作用力与反作用力的原则可求出作用在从动轮上的力： =作用在主动轮上所受的圆周力的方向与该接触点处的线速度方向相反，而从动轮25上圆周力的方向与该接触点处的线速度方向相同；两个齿轮上的径向力方向分指向各自的轮心。4.4.2 计算载荷按式(4.4)计算出的是作用在轮齿上的名义载荷，在实际工作时，由于原动机和工作机的工作特性不同，会产生附加的动载荷，齿轮、轴、轴承的加工、安装误差及弹性变形会引起载荷集中，使实际载荷增加，故应将名义载荷修正为计算载荷，它是包括名义载荷和附加载荷在内的总载荷。即 (4.5)式中是载荷系数（或称综合系数），由表11查取。表11 载荷系数工作机械载荷特性原动机电动机多缸内燃机单缸内燃机均匀加料的运输机和加料机、轻型卷扬机、发电机、机床辅助传动均匀、轻载冲击11.21.21.61.61.8不均匀加料的运输机和加料机、重型卷扬机、球磨机、机床主传动中等冲击1.21.61.61.81.82.0冲床、钻床、轧床、破碎机和挖掘机大的冲击1.61.81.92.12.22.4注：斜齿、圆周速度、精度高、齿宽系数小、齿轮在两轴承间布置时取小值。直齿、圆周速度高、精度低、齿宽系数大，齿轮在两轴承间不对称布置时取最大值。表12 材料的弹性系数()材料钢铸铁球墨铸铁灰铸铁钢189.8188.9181.4162.0165.4铸铁188.0180.5161.4球墨铸铁173.9156.6灰铸铁143.7146.0弹性模量20.610420.210417.310411.8104泊松比0.326表13 齿宽系数支承对小齿轮的布置载荷情况的最大值的最小值一对或一个齿轮HB350一对齿轮HB350一对或一个齿轮HB350一对齿轮HB350对称布置变动较小1.8(2.4)1.1(1.4)10.81.40.40.9变动较大1.4(1.9)0.9(1.2)非对称布置变动较小1.4(1.9)0.9(1.2)结构刚性很大时，如二级减速器低速成级取0.61.2；结构刚性较小时取0.0.8（软齿面），0.20.4（硬齿面）变动较大1.5(1.5)0.7(1.1)悬臂布置变动较小0.80.55变动较大0.60.4注：括号内的数值用于人字齿轮，其齿宽是两半人字齿轮齿宽之和。表14 标准外啮合齿轮的齿形系数及应力修正系数12141617181920222528303540455060801002003.473.223.032.972.912.852.812.752.652.582.542.472.412.372.352.302.252.182.141.441.471.511.531.541.551.561.581.591.611.631.651.671.691.711.731.771.801.88注：，齿根圆角曲率半径。表15 渐开线圆柱齿轮模数（GB/T13571988） mm第一系列0.1，0.12，0.15，0.2，0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1，1.25，1.5，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40，50第二系列0.35，0.7，0.9，1.75，2.25，2.75，（3.25），3.5，4.5，5.5，（6.5），7，9，（11），14，18，22，28，36，45注：选用模数时，应优先采用第一系列，其次是第二系列，括号内的模数尽可能不用.4.5标准直齿圆柱齿轮传动设计齿轮传动的设计主要是：选择齿轮材料和热处理方式、确定主要参数、几何尺寸、结构形式、精度等级等，最后绘出零件图。4.5.1 标准直齿圆柱齿轮传动的参数选择1齿轮的齿数、和模数对于闭式传动中的软齿面齿轮，一般是先按齿面的接触疲劳强度计算出的模数应按表15圆整为标准模数。对于传递动力的齿轮，其模数一般应大于1.5mm。普通减速器、机27床及汽车变速器中的齿轮的模数一般在28mm之间。为了避免根切现象发生，标准直齿圆柱齿轮的最少齿数为17。对于闭式传动中的硬齿面、开式齿轮和铸铁齿轮，应取较小齿数和较大的模数，以提高轮齿的弯曲强度，一般取，当承载能力取决于接触强度时，大些为好。2齿数比齿数比是大齿轮齿数与小齿轮齿数之比。对于一般单级减速齿轮传动，；对于多级传动，；对于开式或手动齿轮传动，；对于增速齿轮传动，。一般齿轮传动，若对齿数比不作严格要求时，则实际齿数比允许有2.5%()或4%()的误差。3齿宽系数齿宽系数是轮齿的宽度与其直径之比。小时，传动齿轮的外廓尺寸狭而长；大时，传动齿轮的外廓尺寸短而