机械基础(齿轮传动的设计)

课程设计实训报告

课程名称: 《机械基础》

设计题目:齿轮传动的设计

系别: 机电工程系

专业班级: 机电一体化技术3班

学生姓名: 张波

学号: 20093121325

指导老师: 张传亮

设计时间: 2010年12月

河南质量工程学院

河南质量工程职业学院《机械基础》课程设计任务书

目录

1 方案的选择与确定 (2)

1.1 齿轮参数的选择 (3)

1.2设计和计算及说明 (3)

2轴的设计 (7)

2.1选择轴的材料 (7)

2.2轴的最小直径的估算： (7)

2.3轴的结构设计 (8)

2.4轴的结构工艺性 (9)

2.5提高轴疲劳强度的结构措施 (10)

3小结 (11)

4参考文献 (12)

1 方案的选择与确定

根据任务要求，选择齿轮传动设计，设计带式输送机的一级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动，该减速器由电动机驱动，齿轮传递的功率为20 KW，低速轴=200r/min，传动比i = 3.5，单向传动，长期使用，齿轮与轴的材料均转速n

2

为45钢。

1.1 齿轮参数的选择

1.1.1 齿数z

对于软齿面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，=20～40。因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的一般取Z

1

平稳性。对于硬齿面的闭式传动，首先应具有足够大的模数以保持齿根弯曲强度，

=17～20。

为减小传动尺寸，宜取较少齿数，但要避免发生根切，一般取Z

1

1.1.2、模数m

模数影响齿轮的抗弯强度，一般在满足齿轮弯曲疲劳强度的条件下，一去较小模数，以增大齿数，减小切齿量。

1.1.3 齿宽系数Ψd

之比，增大齿宽系数，可齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d

1

减小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但是齿轮越大，载荷分布越不均匀。为便于装配和调整，常将小齿轮宽加大5～10 mm ，但设计计算时按大齿轮齿宽计算。

1.2设计和计算及说明

1.2.1.选择齿轮精度等级。

表1.1齿轮传动常用精度等级及其应用

1.2.2.选材与热处理

该齿轮传动无特殊要求，为制造方便采用软齿面，大小齿轮均用45号钢，小齿轮调质处理，齿面硬度：229～286HBS,大齿轮正火处理，齿面硬度:169～217HBS.

1.2.3按齿面接触疲劳强度设计

该传动为闭式软齿面，主要失效形式为疲劳点蚀，故按齿面解除疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 设计公式： []3

21

1)

(1

2H E H d

Z Z u

u KT d σψ?±?

≥

查表1.2

[1]载荷系数K,取K=1.2

[2]由n 2=n 1/i 得n 1=n 2 x i=200x3.5=700 r/min

转矩T 1=9.55x106x p 1/n 1=9.55x106x20/700=272857.1N.mm

[3]接触疲劳许用应力 [σH ]= σHlim Z N /S H

按齿面硬度中间值查 图1.2 得σHlim1=600MPa, σHlim2=550MPa

图1.2HBS 硬度

按一年工作300天,一天20小时工作；25年则应力循环次数N 1=60njl n =60x700x1x20x300x25=6.3x109 N 2=N 1/i=1.8x 109

接触疲劳强度寿命系数表1.3得接触疲劳寿命系数Z N1=1 Z N2=1 (N 1 ＞N 1 ＞N 0 , N 0=109)

按一般可靠性要求，取S H =1 则 [σH1]=600x1/1=600MPa [σH2]=550x1/1=550MPa 取[σH ]=550MPa

[4]计算小齿轮分度圆直径d 1查表1.4按齿轮相对轴承对称布置取Ψd=1.04 Z H =2.5

表1.4齿宽系数ψd=b ／d ?

表

1.5齿轮材料弹性系数

因为材料为45号钢，故取Z E 。 将以上参数代入下式得：

[]3

21

1)

(1

2H E H d

Z Z u

u KT d σψ?±?

≥

= 3

2

)550

5.28.189(5.315.304.11.2728572.12??+???

=85.00 mm

取 d 1=90 mm

[5]计算圆周速度 V=n 1πd 1/(60x1000)=700x3.14x90/(60x1000)=3.297m/s 1.2.4.确定主要参数

表1.6渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式表

注：式中上面的符号用于外齿轮或外啮合传动，下面的符号用于内齿轮或内啮合传动。

（1）齿数 取Z 1=20 则Z 2=Z 1i=20x3.5=70

(2) 模数 m=d 1/Z 1=90/20=4.5 mm (正好是标准模数第二系列上的数值) （3）分度圆直径 d 1=Z 1m=20x4.5=90 mm d 2=Z 2m=70x4.5=315 mm (4) 中心距 a=(d 1+d 2)/2=(90+315)/2=202.6 mm

(5) 齿宽 b=Ψdxd 1=1.04x90=93.5 mm 取b 2=100 mm b 1=b 2+5=105 mm 1.2.5.校核弯曲疲劳强度

注：1）基准齿形的参数为α=20°、、ρ=0.38m(m 为齿轮模数)；

2）对内齿轮：当α=20°、、ρ=0.15m 时，齿形系数YFa ＝

2.65，YSa ＝2.65。

s a Fa FS Y Y Y

(1)齿形系数Y FS ,查得 Y FS1=4.25 Y FS2=4.1

(2)弯曲疲劳许用应力 [σF ]= σFlim Y N /S F

按齿面硬度中间值查图一得：σ

Flim1=250 MPa σ

Flim2

=210 Mpa

由图1.8 得弯曲疲劳寿命系数；

Y N1=1 (N

=3x106,N

1

>N

)

得：σ

Flim1

=250 MPa σ

Flim2

=210 Mpa

[σ

F1

]=250 MPa

Y N2=1 (N

=3x106,N

2

>N

) [σ

F2

]=210 MPa

按一般可靠性要求，取弯曲疲劳安全系数S

F

=1,则

[σ

F1]= σ

Flim1

Y

N1

/S

F

=250 MPa

[σ

F2]= σ

Flim2

Y

N2

/S

F

=210 Mpa

(3)校核计算

σ

F1=2kT

1

Y

FS1

/bmd

1

=2x1.2x272857.1x4.25/(100x4.5x90)=68.7MPa＜[σ

F1

]

σ

F2=σ

F1

Y

FS2

/Y

FS1

=68.7x4.1/4.25=66.3 MPa ＜[σ

F2

]

1.2.6. 结构设计

渐开线齿轮有五个基本参数

的比值

d a =d+2h

a

=90+9=99 mm

d f =d+2d

f

=d-2x1.25m=90-11.15=78.85 mm

2轴的设计

2.1选择轴的材料

该轴没有特殊的要求，因而选用调质处理的45号钢，可以查的其强度极限B

＝650MPa。

2.2轴的最小直径的估算：

查表2.1得C 取118

m m n P C d 07.36700

201183

3

min === 因此 取d=40 mm

由机械制图手册查得

2.3轴的结构设计

根据齿轮减速器的简图确定轴上主要零件的布置图（如图）和轴的初步估算定出轴径进行轴的结构设计。

2.3.1轴上零件的轴向定位

齿轮的一端靠轴肩定位，另一端靠套筒定位，装拆、传力均较为方便；两段端承常用同一尺寸，以便于购买、加工、安装和维修；为了便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜过高（其高度最大值可从轴承标准中查得），故左端轴承与齿轮间设置两个轴肩。

2.3.2轴上零件得周向定位

齿轮与轴、半联轴器与轴得周向定位均采用平键联接及过盈配合。根据设计手册，并考虑便于加工，取在齿轮、半联轴器处得键剖面尺寸为b×h=18×11，配合均采用H7/k6；滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴得尺寸公差为k6。 2.3.3确定各段轴径直径和长度

轴长：取决于轴上零件得宽度及他们得相对位置。 具体工作时，需要注意以下几个问题：

1）轴上与零件向配合的直径应取成标准值，非配合轴段允许为非标准值，但最好取为整数。

2）与滚动轴承相配合的直径，必须符合滚动轴承的内径标准。 3）安装联轴器的轴径应与联轴器的孔径范围相适应。 4）轴上的螺纹直径应符合标准。

5）轴上与零件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度略短2～3mm ，以保证零件轴向定位可靠。

6）若在轴上装又滑移的零件，应该考虑零件的滑移距离。 7）轴上各零件之间应该留有适当的间隙，以防止运转时相碰。 2.4轴的结构工艺性

轴的形状，从满足强度和节省材料考虑，最好是等强度的抛物线回转体。但是这种形状的轴既不便于加工，也不便于轴上零件的固定；从加工考虑，最好是直径不变的光轴，但光轴不利于零件的拆装和定位。由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和拆装，所以实际上的轴多为阶梯形。为了能选用合适的圆钢和减少切削用量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差过大，一般取为5～10MM 。

为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同；一根轴上各键槽应开在同一母线上，若揩油键槽的轴段

直径相差不大时，应尽可能采用相同宽度的键槽（如图2.2），以减少换刀次数。

需要磨削的轴段，应该留有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽，以保证螺纹牙均能达到与其期的高度（如图）。

为了便于加工和检验，轴的直径应取为圆整值；与滚动轴承相配合的轴颈直径应符合滚动轴承内径标准；有螺纹的轴段直径应符合螺纹标准直径。

为了便于装配，轴端应加工出倒角（一般为45o），以免装配时把轴上零件的孔壁擦伤（如图）；过盈配合零件的装入端应加工出导向锥面（如图），以便零件能顺利地压入。

制造工艺性往往是评价设计优劣的一个重要方面，为了便于制造、降低成本，一根轴上的具体结构都必须认真考虑。

如图2.4所示轴结构：1）螺纹段留有退刀槽（图a 中的①），磨削段要留越程槽（图b 中的④）;同一轴上的圆角、倒角应尽可量相同；同一轴上的几个键槽应开在同一母线上（图b 中的⑤）；螺纹前导段（图a 中的②）直径应该小于螺纹小径；轴上零件（如齿轮、带轮、联轴器）的轮毂宽度大于与其配合的轴段长度；轴上各段的精度和表面粗糙度不同。 2.5提高轴疲劳强度的结构措施

轴的基本形状确定之后，换需要按照工艺的要求，对轴的结构细节进行合理设计，从而提高轴的加工和装配工艺性，改善轴的疲劳强度。

2.5.1减小应力集中

轴上的应力集中会严重削弱轴的疲劳强度，因此轴的结构应尽量避免和减小应力集中。为了减小应力集中，应该在轴剖面发生突变的地方制成适当的过渡圆角；由于轴肩定位面要与零件接触，加大圆角半径经常受到限制，这时可以采用凹切圆角或肩环结构等。

常见的减小应力集中的方法如表2.2所示。

2.5.2改善轴的表面质量

表面粗糙度对轴的疲劳强度也有显著的影响。实践表明，疲劳裂纹常发生在表面粗糙的部位。设计时应十分注意轴的表面粗糙度的参数值，即使是不与其它零件向配合的自由表面也不应该忽视。采用輾压、喷丸、渗碳淬火、氮化、高频淬火等表面强化的方法可以显著提高轴的疲劳强度。

表2.2减小应力集中的方法

改进轴上零件的结构，减小轴上载荷或改善其应力特征，也可以提高轴的强度和刚度，如图2.5所示。如果把轴毂配合面分成两段（图b），可以显著减小轴的弯矩，从而提高轴的强度和刚度。把转动的心轴（图a）改成不转的心轴（图b），可使轴不承受交变应力的作用。

3小结

通过这次对直齿圆柱齿轮的设计，让我知道了工程设计的重要性与设计时应

考虑多方面因素，也让我了解了关于设计直齿圆柱齿轮的关键因素，设计齿轮传动时，各个齿轮的硬度要达到一定的强度才可以满足使用要求。但是最后的成品却不一定与设计时完全一样，因为，再实际生产设计中存在着各种各样的条件制约。而且，在现实设计中存在着各种各样的误差。所以，在设计时应考虑全面，根据生产实际，从中找出最适合的设计方案。

通过这次学习，让我对齿轮的传动有了一定的了解，所以说，应当进行实际操作与理论的结合，对自己的重要性。

4参考文献

[1]张晓坤，隋晓朋.Autocad中文版实用教程.北京：北京经济日报出版社，2008.9

[2]徐锦康.机械设计.北京：高等教育出版社,2008.3

[3]唐金松.简明机械设计手册（第二版）.上海：上海科学技术出版社，2000.5

[4]黄祖德.机械设计.北京：北京理工大学出版社，2007.9

[5]岳优兰，马文锁.机械设计基础.开封：河南大学出版社，2009.5

[6]隋冬杰.机械基础.上海：同济大学出版社，2009.9

[7]胡宴费.机械设计基础.北京：高等教育出版社．2005.10

[8]吴晗.机械设计教程. 北京:北京理工大学出版社.2007.3

[9]黄鹤汀.机械制造技术..北京:机械工业出版社.1997.12

[10]成大先.机械设计手册(第五版).北京：化学工业出版社，2008.04

附cad图：

技术要求：

1、铸件需要热处理。

2、其它表面粗糙度为6.4。

齿轮

制图描图审核

比例

数量重量

材料

刘照雨刘照雨

2010.1.102010.1.10

1：11

45钢

A4

河南质量工程职业学院 08级机电一体化十班刘照雨