石大远程在线考试——《机械设计考精彩试题》尾号279

中国石油大学（北京）远程教育学院期末考试《机械设计课程设计》一、题型课程设计，包含问答题、改错分析题型及设计计算题，问答题共2题，每题10分，共20分；改错题1题，共30分；设计计算题1题，共50分。

二、题目（3）学号末尾数为2、7、9或字母的课程设计题目1、齿轮传动的特点及使用范围有哪些？（10分）答：1、瞬间传动比恒定，工作稳定，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力。

2、适用的功率和速度范围广，功率从近于零的微小值到数万千瓦，圆周速度从很低到 300m/s。

3、传动效率高，η =92%-98%。

4、工作可靠，使用寿命长。

5、外廓尺寸小，结构紧凑。

齿轮传动的主要缺点是：制造和安装精度要求较高，需专门设备制造，成本较高，不宜用于较远距离两轴之间的传动。

2、箱体，机构架设计的一般要求有哪些？（10分）答：1）可靠性：在使用期内必须安全可靠，其结构应与所承受的外力相协调，能满足强度、刚度、振动稳定性、疲劳强度、热变形等方面的要求。

2）实用性：箱体、机架是机器重要的组成部分其精度、表面粗糙度、尺寸和形位公差等技术指标必须确保机器的使用性能和使用寿命。

3）工艺性；结构应容易铸造或焊接，减少和防止铸造或焊接缺陷，便于加工装配和调试。

焊接结构应便于实现机械化、自动化焊接。

4）经济性：要尽量减轻结构重量降低材料成本，减少能源消耗、加工工时和制造成本。

根据箱体、机架的不同用途，设计中对以上各项既要有所偏重，又要统筹兼顾，要重视其外观造型设计。

3、改错分析题（30分）下图为一齿轮减速器部分装配图，试指出结构不合理及错误所在（不考虑圆角和铸造斜度以及不计重复错误），并用文字说明原因。

例如：精加工面过长且拆装轴承不便。

（本题至少10处错误，每指出一处错误得3分）答： 1.安装轮毂的第一段轴应制有定位轴肩； 2.键槽过长安装上的键与轴承端盖干涉（相碰）； 3.轴承端盖的加工面与非加工面没有区分开； 4.在轴与轴承端盖孔之间缺少密封圈； 5.在轴与轴承端盖孔之间应留有间隙； 6.在轴承端盖与箱体轴承孔端面缺少调整垫片；7.在轴与齿轮孔间缺少周向定位的键联接； 8.套筒顶不住齿轮（过定位） 9.套筒过高，轴承无法拆卸； 10.轴承安装反了； 11.轴过长且与轴承端盖相碰。

4、计算题（50分）试设计一单级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动。

已知，用电机驱动，传递功率10KW，小齿轮转速n=1000r/min，传动比i=4，单向运转，载荷平稳。

使用寿命10年。

提示：材料、精度等级选取，齿数计算，齿面接触疲劳强度校核，齿根弯曲疲劳校核。

无需结构设计。

答：1选择齿轮精度等级。

输送机是一般工作机械，考虑次对齿轮的传递的功率不大，速度不高，故大小齿轮都选用8级精度。

要求齿轮面粗糙度Ra 1.6~3.2um..常用精度等级的齿轮的加工方法及其应用范围表12选材与热处理。

1)材料：制造齿轮的材料主要是各种钢材，其次是铸铁，还有其它非金属材料；齿轮材料选用的基本原则：齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；a)钢材分锻钢和铸钢，只有尺寸较大(d>400 ～600mm)，结构形状复杂的齿轮宜用铸钢，一般都用锻钢制造齿轮。

软齿面齿轮经调制或正火处理后切齿，常用45，40Gr等，因此齿面硬度不高，易制造，成本低，故应用广，常用于对尺寸和重量无严格限制的场合。

为了使大小齿轮的寿命接近，应是小齿轮的齿面硬度比大齿轮的高出30～50HBS。

对于高速重载或重要的齿轮转动，可使用硬度齿面组合，齿面硬度可大致相同。

许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；b)铸铁，由于铸铁的抗耐冲击性能都比较差，因此主要用于制造低速不重复的开式传动，功率不大的齿轮，常用材料有HT250,HT300等，常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材料；。

c)非金属材料，对高速轻载而又要求低噪音的齿轮的齿轮传动，也可用非金属材料，加夹布胶木、尼龙等。

常用的齿轮材料，热处理方法、硬度、应用举例见表6—4，适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。

2)热处理：应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。

a)表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等，表面淬火后轮齿变形小，不可磨齿，硬度可达52～56HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷。

a)渗碳淬火渗碳钢为含碳量0.15 ～0.25%的低碳钢和地碳合金钢，如20、20C等。

齿面硬度达到56～62HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高，常用于受冲击载荷的重要传动。

通常渗碳淬火或要磨齿。

b)调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、45C、35SiMn等。

调质处理后齿面硬度为：220～260HBS。

因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。

c)正火正火能消除内应力、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。

d)渗氮渗氮是一种化学处理。

渗氮后齿面硬度可达60～62HBC。

氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。

特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS 350,属于软齿面，工艺简单，用于一般传动。

当大小齿轮都是软齿面时。

因小轮齿很薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高20～50HBS。

表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。

其承载能力高，但一般需要磨齿。

常用于结构紧凑的场合。

所以为制造方便，才用软吃面，大小齿轮均用45钢，小齿轮调制处理，吃面硬度：229～286HBS,大齿轮正火处理，吃面硬度：169～217HBS。

3确定设计公式及校核公式按齿面接触疲劳强度设计： ●防止齿面点蚀的强度条件为：节点处的计算接触应力应该小于齿轮材料的许用接触应力。

即：σH ≤［σH ］ ● 齿面最大的计算接触应力，可采用基本公式──赫兹应力计算公式，即:L E E F )11()11(12212121ca H μμπρρσ-+-±⨯=在节点啮合时，接触应力较大，故以节点为接触应力计算点。

节点处的综合曲率半径为： 12sin 1±⋅=∑u ud αρ齿面接触疲劳强度的校核式：][1H H E 1t H σσ≤±=Z Z uu bd KF齿面接触疲劳强度的设计式：23H E H d 11)][(12σψZ Z u u KT d ±⋅≥ 上述式中：u ─齿数比，u=z2/z1；ZE ─弹性影响系数；ZH ─区域系数； 4计算过程1) 载荷系数，按表2取K=1.3，载荷系数K表22)T1=9.55*106*P1/n1=9.55*106*15/1500=9.55*104N.m3)接触疲劳许用应力[σH ]= σHlim*Zn/SH按齿面硬度中间值，如图查得σHlim1=600MPa, σHllim2=550MPa按一年工作300天计算，应力循环次数N1=60njlh=60*100*1*10*300*8=1.44*109N 2=N1/i=3.6*108由下图得接触疲劳强度寿命系数YN1=1,N2=1.06(N1>N2.N=109)按一般可靠性要求，取SH=1，则[σH1]= σ∂Hlim1*Z N1/S H =600*1/1=600MPa.[σH2]= σHlim2*Z N2/S H =550*1.06/1=583MPa. 取[∂H ]=583MPa(4)计算小齿轮分度圆直径,查下表3，按齿轮相对轴承对称布置取 Ψd =1.09， Z H =2.5,齿宽系数Ψd = b/ d 1表3查下表4得Z E齿轮材料弹性系数：Z E表4将以上参数代入式 将以上参数代入式23H E H d 11)][(12σψZ Z u u KT d ±⋅≥==64 取 d 1=64mm (5) 计算圆周速度V=n 1 d 1/60*1000=1000*3.14*64/（60*1000）=3.35m/s. 因V<6m/s,故去8级精度合适。

4.5确定主要参数。

1) 齿数Z 对于软尺面的闭式传动，在满足弯曲疲劳的条件下，宜采用较多齿数，一般取Z 1=20~40.对于硬齿面的闭式传动，首先应具有足够大的模数既保证齿根弯曲强度为减小传动尺寸，宜取较小齿数但要避免发生根切，一般取Z 1=17~20。

故取Z 1=20 ，Z 2= Z 1i=20*4=802) 模数m .模数影响齿轮的抗弯曲强度，一般在满足齿轮弯曲疲劳强度条件下，宜取较小模数，以增大齿数，减小切齿量。

故m=d 1/z 1=64/20=3.2mm 在下表5查的m=3mm表53) 分度圆直径d 1= Z 1m=20*3=60mmd 2= Z 2m=80*3=240mm中心距 a=(d 1+d 2)/2=((60+240)/2=150mm4) 齿宽系数Ψd .齿宽系数是大齿轮齿宽b 和小齿轮分度圆直径 d 1之比.增大齿宽系数，可将小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。

常将小齿轮齿宽加大5~10mm ，但涉及计算是按大齿轮齿宽计算。

b 2=Ψdd 1=1.09*60=65.4mm 取b 2=70mm b 1=75mm4.6校核弯曲疲劳强度。

1)齿形系数Y FS ,查下表6得：根据z 1、 z 2 得Y FS .表准处齿轮的齿形系数Y Fa 及应力修正系数Y sa 。

表6Y Fa1=2.80 Ysa1=1.55 YFS1=YFa1*Ysa1=4.35Y Fa2 =2.22Ysa2=1.77 YFs2= YFa2*Ysa2=4.12）弯曲疲劳许用应力：［σF ］=σFlim/SF* YN按齿面硬度中间值查图6-18得：σFlim1=240Mpa σFlim2=220MPa.由图6-20得弯曲疲劳强度寿命系数：YN1= 1 （N=3*106,N1>N)YN2= 1 (N=3*106,N2>N)按一般的可靠性要求，取弯曲疲劳安全系数SF=1,则［σF1］=σFlim1/SF1* YN1=240/1*1=240MPa［σF2］=σFlim2/SF2* YN2= 220/1*1=220MPa3) 校核计算中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力： bmY KF Fat F0=σ Y Fa 为齿形系数，是仅与齿形有关而与模数m 无关的系数，其值可根据齿数查表1获得。

计入齿根应力校正系数Ysa 后，强度条件式为： σF =2KT 1/bmd 1*Y FS ≤ 240［σF ］或 σF =2KT 1/Ψd Z 12 m 3*Y FS ≤220［σF ］则： σF1=2KT 1/bmd 1*Y FS1= 2*1.3*9.55*104/(70*3*60)*4.35=85.7MPa <［σF1］σF2=2KT 1/bmd 1*Y FS2=σF1*Y FS2/Y FS1=80.8Mpa <［σF2］。