毕业论文、齿轮传动的设计、机械基础课程设计

机械基础课程设计

题目：直齿圆柱齿轮传动的设计系别: 机电工程系

专业：机电一体化

班级：08级机电三班

学生姓名：郭艳东

指导老师: 刘晓菡

完成日期：2009年12月16号

河南质量工程职业学院

河南质量工程职业学院《机械基础》课程设计任务书

目录

第1章设计任务和要求 (3)

1.1设计指标 (3)

1.2设计要求 (3)

第2章选题的意义 (3)

第3章齿轮的设计计算 (3)

3.1原始数据及设计要求 (3)

3.2设计内容 (4)

3.3齿轮传动参数的选择和设计步骤 (4)

第4章设计小结 (18)

参考文献 (19)

齿轮传动的设计

第1章设计任务和要求

1.1设计指标

①用于减速器上的一级直齿圆柱齿轮的齿轮传动；

②传递功率P=10KW，主动小齿轮的转速n

=1200r/min,传动比i=5；

1

③工作时有中等冲击，单向传动，两班制，使用10年

1.2设计要求

④计算主动轮、从动轮的主要尺寸；

⑤校核齿轮的强度；

⑥绘制大、小齿轮的零件图并标注主要尺寸。

第2章选题的意义

齿轮传动是应用极为广泛和特别重要的一种机械传动形式，它可以用来在空间的任意轴之间传递运动和动力，目前齿轮传动装置正逐步向小型化，高速化，低噪声，高可靠性和硬齿面技术方向发展，齿轮传动具有传动平稳可靠，传动效率高（一般可以达到94%以上，精度较高的圆柱齿轮副可以达到99%），传递功率范围广（可以从仪表中齿轮微小功率的传动到大型动力机械几万千瓦功率的传动），速度范围广（齿轮的圆周速度可以从0.1m/s到200m/s或更高，转速可以从1r/min到20000r/min或更高），结构紧凑，维护方便等优点。因此，它在各种机械设备和仪器仪表中被广泛使用，本课题就是齿轮传动的一个典型应用。

我们此次设计的是减速器上的一级直齿圆柱齿轮传动，通过本次对齿轮传动的设计，能使我们对齿轮传动的特点有进一步的了解，从而掌握常用机械零部件、机械传动装置或简单机械的设计方法与步骤。并对减速器的工作原理及其外形有了一定的了解。

第3章齿轮的设计计算

3.1原始数据及设计要求

设计用于减速器上的一级直齿圆柱齿轮的齿轮传动，传递功率P=10KW，主动小=1200r/min,传动比i=5，工作时有中等冲击，单向传动，两班制，使齿轮的转速n

1

用10年。

3.2设计内容

设计计算主动轮、从动轮结构及尺寸，绘制主动轮、从动轮并标注主要尺寸，计算主、从动轮轴的最小直径。

3.3齿轮传动参数的选择和设计步骤

3.3.1选择精度等级

该机械时一般工程机械，速度不是太高，故用6级精度。

3.3.2选择材料与热处理及确定齿轮硬度

制造齿轮的材料主要时各种钢材，其次是铸铁，还有其它非金属材料。

(1)钢

钢材可分为锻钢和铸钢两类，只有尺寸较大（d＞400～600），结构形状复杂的齿轮宜用铸钢外，一般都用锻钢制造齿轮。

软齿面齿轮多经调质或正火处理后切齿，常用45、45Cr等。因齿面硬度不高，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。

由于在啮合过程中，小齿轮的轮齿接触次数比大齿轮多。因此，若两齿轮的材料和齿面硬度都相同时，则一般小齿轮的寿命较短。为了使大小齿轮的寿命接近，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高出30～50HBS。对于高速、重载或重要的齿轮传动可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。

(2)铸铁

由于铸铁的抗弯和耐冲击性能都比较差，因此主要用于制造低速、不重要的形式传动、功率不大的齿轮。常用材料有HT250、HT300等。

(3)非金属材料

对于高速、重载而又要求低噪音的齿轮传动，也可采用非金属材料，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2—1。

常用的热处理方法与化学方法包括表面淬火、渗碳淬火、调制、正火、渗碳。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，可不磨齿硬度可达52～56HRC面硬芯软，能承受一定冲击载荷。

渗碳淬火因渗碳钢量0.15～0.25%的低碳钢和地毯合金钢如20、20等。吃面硬度达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。

调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35MnTi等调质处理后吃面硬度为220～260HBS.，因为硬度不高。故可以在热处理后经切齿型，且在使用中易于

饱和。

表2—1 常用的齿轮材料、热处理硬度和应用举例

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。

由于该齿轮工作在高速中等冲击载荷下，为了能达到要求并根据上述知识，采用

硬齿面，大、小齿轮均用45钢、表面淬火处理，齿芯硬度：220～260HBS ，齿面硬度：40～50HRC 。

3.3.3确定设计公式及校核公式

对一般工作情况下的齿轮传动，其设计准则是：保证足够的齿轮弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断；保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。对于高速重载的齿轮传动，除以上两种设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。由实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主；闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。

该齿轮传动为闭式硬齿面，具有一定的齿面抗点蚀能力，主要失效形式是齿根折断，故按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。

设计公式为：

式中：

φd =b/d 1称为齿宽系数（b 为大齿轮宽度）,由表6—7查取；Y FS 称为齿形系数，[σ

F

]为弯曲许用应力。

齿轮传动的强度计算说明：

弯曲强度计算中，因大、小齿轮的[σF ]、YFa 、YSa 值不同，故按此强度准则设

计齿轮传动时，公式中应代

1

1

1][Sa Fa F Y

Y σ和

2

2

2][Sa Fa F Y

Y σ中的较小者。

校核公式为：

[]H H

E H u

u bd KT z z σσ≤±=1

.2211

3.3.4计算过程

（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，一般取z 1=20～40.因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的平稳性。对于硬齿面的齿轮传动，首先应具有足够大的模数以保证齿根弯曲疲劳强度，为减小传

3

]

[2F 2

11σψSa

Fa d F Y Y z T K m ?≥

动尺寸，宜取较小齿数，但要避免发生根切，一般取z1=17~20。根据设计要求取z

1

=18，

z 2=iz

1

=5×18=90。

（2）载荷系数K，按表2－2取K=1.5

表2－2 载荷系数K

（3）转矩T

1=9.55×106×P

1

/n

1

=9.55×106×10/1200 =79583.3N·mm

（4）弯曲疲劳许用应力

按齿面硬度中间值查图2-1得，σFlim1=310MPa, σFlim2=300MPa []

F

N

F

F S

Y

lim

σ

σ=

图2-1 齿轮材料的σFlim 按一年工作300天计算，应力循环次数，

N 1=60njL

h

=60×1200×1×10×300×16 =3.456×109

N 2= N

1

/i=3.456×109/5=6.912×108

由图2-2得弯曲疲劳寿命系数 Y N1=0.86，Y N2=0.9

图2-2弯曲疲劳寿命系数Y N

按一般可靠性要求，取S F =1,则 [σFl ]= F

F S 1

lim σ

=

1

86

.0310?a MP =266.6a MP [σF2]=

F

F S 2lim σ=1

9

.0300?a MP =270a MP

表 2—3 齿形系数

查表2—3得 Y Fa1=2.91,Y Sa1=1.53 Y Fa2=2.20,Y Sa2=1.78

由公式

1

1

1][Sa Fa F Y

Y σ和

2

2

2][Sa Fa F Y

Y σ得

1

1

1][Sa Fa F Y

Y σ=

53

.191.26

.266?=59.88

2

2

2][Sa Fa F Y

Y σ=

78

.120.2270

?=68.95

取其中的较小者。 （5）计算齿轮的模数

查表2—4按齿轮相对轴承对称布置取φd =0.6

表2—4 齿宽系数φd

将以上数据代入下式，得

=3

288

.59186.03

.795835.12????

=2.7372

3][2F 211σψSa

Fa d F Y Y z T K m ?

≥

表2—5

由上表选取m=3mm 3.3.5确定主要参数

（1）齿数z 1=18,z 2=90。

（2）分度圆直径d 1=mz 1=3×18=54mm d 2=mz 2=3×90=270mm （3）齿顶圆直径d a1=d 1+2m=54+6=60mm d a2=d 2+2m=270+6=276mm （4）齿根圆直径d f1=d 1-2.5m=54-7.5=46.5mm d f2=d 2-2.5m=270-7.5=262.5mm （5）中心距a=(d 1+d 2)/2=(54+270)/2=162mm （6）齿宽b=φd d 1=0.6×54=32.4mm 取b 2=45mm,b 1=b 2+5=45+5=50mm 3.3.6校核接触疲劳强度

对于渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，其齿面接触疲劳强度的校核公式为：

[]H H

E H u

u bd KT z z σσ≤±=1

.2211 式中：“±”分别用于外啮合、内啮合齿轮；Z E 为齿轮材料弹性系数，见表2—6；Z H 为节点区域系数，标准直齿轮正确安装时Z H =2.5；[σH ]为两齿轮中较小的许用接触应力。U 为齿数比，即大齿轮齿数与小齿轮齿数之比。

（1）接触疲劳强度许用应力

[H σ]=

H

N

H S Z lim σ

图2—3 齿轮材料的σ

Hlim

按齿面硬度中间值查图2—3得

σ

Hlim1

=1160MPa, σ

Hlim2

=1150MPa

由图2—4得接触疲劳寿命系数为 Z N1=0.9, Z n2=1.05

按一般可靠性要求，取接触疲劳安全系数为S H =1,则 [σHl ]= H

n H S Z

1

1lim σ

=

1

9

.01160?a MP =1044a MP

[σH2]=

H n H S Z 22

lim σ

=1

05.11150?a MP =1207.5a MP

图2—4 接触疲劳寿命系数Z N

（2）校核计算

查表2—6，得E Z = 189.82/mm N

表2—6 齿轮材料弹性系数E Z

u

u bd KT z z H

E H 1

.22

11±=σ =5

1

5.54453.795835.125

.28.1892

+????

=701.311＜[σHl ] 故强度合适。 3.3.7计算圆周速度

1000

601

1?=

d n V π

=1000605414.31200???

=3.3912

因为V=3.3912<6m/s,

故取6级精度合适。 3.3.8结构设计及齿轮零件图

齿轮的结构形式主要与齿轮的尺寸大小、毛坯材料、加工工艺、使用要求及经济性等因素有关。进行齿轮结构设计时，通常是先按齿轮动的直径大小选定合适的结构形式，再由经验公式确定有关尺寸，绘制零件工作图。

常用的齿轮结构形式有一下几种： （1）齿轮轴

如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e ≤ 2mt(锥齿轮e ≤1.6m 时），则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴.如图2—5

图2—5

当齿轮的齿顶圆直径da≤200mm时，可采用实体式结构，这种齿轮常用锻钢制造。如图2—6

图2—6

(3)腹板式齿轮

当齿轮的齿顶圆直径da=200～500mm时，可采用腹板式结构这种齿轮通常用锻钢制造，其各部分尺寸由经验公式确定。如图2—7

图2—7

当齿轮的齿顶圆直径da>500mm时，可采用轮辐式结构，这种结构的齿轮常采用铸钢或铸铁制造，其各部分尺寸由经验公式确定。如图2—8

图2—8

(5) 镶套式齿轮

大直径的齿轮,为节省材料,可采用镶套式齿圈。如图2—9

图2—9

因为小齿轮的齿顶圆直径da=60mm<200mm，大齿轮齿顶圆直径da=276mm,在200～500mm之间，所以小齿轮采用实体式结构，大齿轮采用腹板式结构。

大、小齿轮的零件图如下图所示：

第4章设计小结

课程设计都需要刻苦耐劳，努力专研的精神。对于每一个事物都会有第一次的吧，而没有一个第一次似乎都必须经历由感觉困难重重，挫折不断到一步一步克服，可能需要连续几个小时、十几个小时不停的工作进行攻关；最后出成果的瞬间是喜悦、是轻松、是松了口气！

课程设计过程中出现的问题几乎都是过去所学的知识不牢固，许多计算方法、公式都忘光了，要不断的翻资料、看书，和同学相互探讨。虽然过程很辛苦，有时还会，有放弃的念头，但最终坚持下来，完成了设计，而且学到了，应该是补回了许多以前没学好的知识，同时巩固了这些知识，提高了运用所学知识的能力。

参考文献

[1]罗玉福,王少岩.机械设计基础(第三版).大连:大连理工大学出版社,2009.

[2]石品德,潘周光,曹小荣.机械制图.北京:北京工业大学出版社,2007.

[1]陆名彰，胡忠举，厉春元，宋昭祥主编.机械制造技术基础.长沙：中南大学出版社，2004.8

[2]邹青主编.机械制造技术基础课程设计指导教程.北京：机械工业出版社，2004.8

[3]万书亭主编.互换性与技术测量.电子工业出版社.2007.8