齿轮传动的设计与制作

河南工业大学机械设计课程设计河南工业大学机电学院机械基础课程设计任务书班级学生姓名指导教师课程设计题目齿轮传动的设计与制作主要1.装配图、零件图的绘制2.设计计算说明书的编写设计3.齿轮的选择与校核内容4.齿轮传动设计计算5.齿轮运动参数计算1设计指标 时间以 12 小时为一个周期； 工作时有中等冲击，单向传动 使用期限为 10 年主要 传递功率 P=4KW技术 主动小齿轮的转速n1=1200r/min,传动比 i=6指标2设计要求和设 画出机械图计要 零件及参数选择；求 校正结果主要参考资料及文献3制作要求自行装配，并能发现问题和解决问题。4编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。1. 机械基础齿轮传动章节2. 机械制图手册齿轮传动章节3. 齿轮装配章节- 1 -河南工业大学机械设计课程设计目 录一、设计任务书 1二、概述 22.1齿轮传动的特点和应用 42.2齿轮传动的类型72.3 齿廓啮合基本定律 10 三、原始数据及设计要求 11 四、设计过程 12 4.1 选择精度等级134.2 选择材料与热处理及确定齿轮硬度 134.3 确定设计公式及校核公式 134.4 计算过程144.5 确定主要参数154.6 校核接触疲劳强度154.7 计算圆周速度164.8 结构设计及齿轮零件图 17五、设计小结 17- 2 -河南工业大学机械设计课程设计二、概述2.1齿轮传动的特点和应用齿轮传动是应用极为广泛的传动形式之一。特点：能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳、可靠，效率高，寿命长，结构紧凑，传动速度和功率范围广。但需要专门设备制造，加工精度和安装精度较高，且不适宜远距离传动。2.2齿轮传动的类型齿轮传动的类型很多，按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动或空间运动，可将其分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类齿轮传动的类型直齿圆柱齿轮外啮合传动内啮合（轮齿与轴平齿轮齿条平面齿轮运动行）齿 （传递平行轴间的运动）斜齿圆柱齿轮外啮合传动内啮合轮（轮齿与轴不平行）齿轮齿条传人字齿轮传动（轮齿成人字形）动传递相交轴运直齿动空间齿轮运动斜齿（锥齿轮传动）（传递不平行轴间的运交错轴斜齿动）传递交错轴运轮传动动蜗轮蜗杆传- 3 -河南工业大学机械设计课程设计动准双曲面齿轮传动2.3齿廓啮合基本定律齿轮传动要求准确平稳，即要求在传动过程中，瞬时传动比保持不变，以免产生冲击、振动和噪音。不论齿廓在任何点接触，过接触点所作两齿廓的公法线必须与连心线交于一固定点，这就是齿廓啮合基本定律。三、原始数据及设计要求设计用于某减速器的一级直齿圆柱齿轮的齿轮传动，传递功率 P=4KW，主动小齿轮的转速 n1=1200r/min,传动比 i=6，工作时有中等冲击，单向传动，两班制，使用 10 年。设计过程四、设计过程和结果如下所示：4.1 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。4.2 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 400600），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3050HBS。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。- 4 -河南工业大学机械设计课程设计(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64。表 64常用的齿轮材料，热处理硬度和应用举例材料牌号热处理硬度方法齿芯 HBS 或应用举例优质碳35正火素钢455045调制合金钢35SiMn40Cr优质碳35表面淬素钢火45合金钢40Cr20Cr渗碳淬火20CrMnTi38CrMo氮化AIA齿面 HRC 150180 162217 180220 217255 217269 2412861804021045217 4025550241 422865556625662850HV低速轻载的齿轮或中速中载的大齿轮高速中载、无剧烈冲击的齿轮。高速中载、承受冲击载荷的齿轮载荷平稳、润滑良好的齿轮- 5 -河南工业大学机械设计课程设计铸钢ZG45正火163197重型机ZG55179207械中的低速齿轮球墨铸QT700-2225305可用来铁QT600-2229302代替铸钢灰铸铁HT250170241低速中HT300187255载、不受冲击的齿轮。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5256HRC 面硬芯软，能承受一定冲击载荷。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 220260HBS.，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。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：220260HBS，齿面硬度： 4050HRC。4.3 确定设计公式及校核公式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：2K FT1YFa YSam 3 Fd z12渗碳淬火因渗碳钢量0.150.25%的低碳钢和地毯合金钢如20、20 等。吃面硬度达 5662HRC，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。校核公式为：- 6 -河南工业大学机械设计课程设计HzE zH2KT21 .u1Hbd1u4.4 计算过程（ 1）齿数 z对于软吃面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，一般取 z1=2040.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，为减小传动尺寸，宜取较小齿数，但要避免发生根切，一般取 z1=1720。根据设计要求取 z1=18，z2=iz1=618=108。（ 2）载荷系数 K ，按表 65 取 K=1.5表 65载荷系数 K载荷状态工作机器原动机：电动机、往复式发动机内燃机、燃气轮多缸单缸机均匀轻微运输机、轻、中型的卷扬机、11.251.5冲击起重机、发电机鼓风机中、小冲击重型运输机、卷相机、起重机、1.251.51.75混泥土搅拌机、机床主传动较大冲击碎矿机、特重型起重机、轧钢1.7522.25机、锻压机（ 3）转矩 T1=9.55106 P1/n 1=9.55106 10/1200=79583.3N mm（ 4）弯曲疲劳许用应力F lim YNFSF- 7 -河南工业大学机械设计课程设计按齿面硬度中间值查图6-18 得， Flim1 =310MPa, Flim2 =300MPa图 6-18齿轮材料的 Flim- 8 -河南工业大学机械设计课程设计按一年工作 300 天计算，应力循环次数，N1=60njL h=60 120011030016=3.456 109N2= N1/i=3.456 109/6=5.76 108由图 6-20 得弯曲疲劳寿命系数YN1=0.86 ，YN2=0.9图 6-20弯曲疲劳寿命系数YN按一般可靠性要求，取SF=1, 则 Fl =F lim 1=3100.86 MPa=266.6MPaSF1 F2=F lim 2= 3000.9 MPa =270 MPaSF1表 6 24齿形系数z(z v)17181920212223242526272829YFa2.972.912.852.802.762.722.692.652.622.602.572.552.53YSa1.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.601.611.62z(z v)303540455060708090100150200YFa2.522.452.402.352.322.282.242.222.202.182.142.122.06Y1.6251.651.671.681.701.731.751.771.781.791.831.8651.97Sa- 9 -河南工业大学机械设计课程设计查表 6 24 得YFa1=2.91,YSa1=1.53YFa2=2.20,YSa2=1.78由公式 F1和 F 2 得YFa1YSa1YFa 2YSa2F1=266.6=59.88YFa 1YSa12.911.53F 2=270=68.95YFa 2YSa22.201.78取其中的较小者。（ 5）计算齿轮的模数查表 67 按齿轮相对轴承对称布置取d=0.6表 67齿宽系数 d将以上数据代入下式，得2K F T1 YFa YSam 3 F d z12=21.579583.330.6 18259.88=2.7372- 10 -河南工业大学机械设计课程设计表 623由上表选取 m=3mm4.5 确定主要参数（ 1）齿数 z1=18,z 2=108。（ 2）分度圆直径 d1=mz1=318=54mmd2=mz2=3 108=324mm（ 3）齿顶圆直径 da1=d1+2m=54+6=60mmda2=d2+2m=324+6=330mm（ 4）齿根圆直径 df1 =d1-2.5m=54-7.5=46.5mmdf2 =d2 -2.5m=324-7.5=316.5mm（ 5）中心距 a=(d 1+d2 )/2=(54+324)/2=189mm4.6 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：HzE zH2KT21 . u1Hbd1u式中：“”分别用于外啮合、内啮合齿轮；ZE 为齿轮材料弹性系数，见表66；ZH 为节点区域系数，标准直齿轮正确安装时ZH =2.5； H 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=HH lim 1ZNSH- 11 -河南工业大学机械设计课程设计图 619齿轮材料的 Hlimz(zv )17181920212223242526272829YFa2.972.912.852.802.762.722.692.652.622.602.572.552.53YSa1.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.601.611.62z(zv )303540455060708090100150200YFa2.522.452.402.352.322.282.242.222.202.182.142.122.06YSa1.6251.651.671.681.701.731.751.771.781.791.831.8651.97按齿面硬度中间值查图6 19 得 Hlim1 =1160MPa, Hlim2 =1150MPa由图 621 得接触疲劳寿命系数为ZN1=0.9, Zn2=1.05按一般可靠性要求，取接触疲劳安全系数为SH=1, 则 Hl =H lim 1 =1160 0.9 MPa=1044MPaSH1 H2=H lim 2 = 1150 1.05 MPa =1207.5 MPaSH1图 6 21接触疲劳寿命系数 ZN- 12 -河南工业大学机械设计课程设计（ 2）校核计算查表 66，得 Z E = 189.8N / mm2表 66齿轮材料弹性系数ZEH zE zH 2KT21 . u 1 bd1 u=2 1.579583 .3.51189.8 2.5455425=701.311 Hl 故强度合适。4.7 计算圆周速度n1 d1V601000=12003.1454601000=3.3912因为 V=3.3912500mm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28- 15 -河南工业大学机械设计课程设计图 28(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29图 29因为小齿轮的齿顶圆直径 da=60mm200mm，大齿轮齿顶圆直径 da=276mm,在200500mm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：- 16 -河南工业大学机械设计课程设计五、设计小结课程设计体会课程设计都需要刻苦耐劳，努力钻研的精神。对于每一个事物都会有第一次的吧，而没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、是舒了口气！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，和同学们相互探讨。虽然过程很辛苦，有时还会有放弃的念头，但始终坚持下来，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。- 17 -河南工业大学机械设计课程设计- 18 -