毕业设计换向齿轮箱设计.docx
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毕业设计换向齿轮箱设计
第二章课题题目及主要技术参数说明
2.1毕业设计课题
由于齿轮箱是一种广泛应用于许多行业的基础传动装置，其产品水平及性能直接决定着配套主机的水平及性能，因此多年来人们对有关齿轮箱的设计研究和探索从来没有停止过。
我们选择了简单的换向齿轮箱作为这次设计的课题，设计的主要参数要求如下:
1.此齿轮箱为中间传动装置，输入、输出轴均利用为①60联轴器与传动轴连接，
不需考虑电动机配置。
该齿轮箱为直交齿轮箱，起换向作用，传动比i=1。
2.最大扭矩=65kg/m
3•该齿轮箱具有离合功能，可实现正、反转。
4.齿轮箱设计要求内部结构紧凑、噪音低于75分贝。
2.2设计步骤
1•根据设计要求在绘出传动示意草图的基础上，开始换向齿轮箱的结构设计。
2•详细介绍齿轮箱箱体的种类，根据设计要求选择所需箱体的类型。
3•详细介绍轴承的种类，根据设计要求选择所需轴承的类型。
4•详细介绍齿轮的种类，根据设计要求选择所需齿轮的类型。
5•对于齿轮箱内其它必须零件（如轴的类型）进行简单介绍。
6•查阅机械设计手册，在确定齿轮的模数、齿数后根据齿轮的大小、轴的外径等其它参数后绘出换向齿轮箱装配图。
7•绘出输入或者输出轴上齿轮的零件图，并编写齿轮加工工艺。
8•绘出箱体零件图，并编写箱体加工工艺。
2.3传动示意图
根据设计要求拟定中间传动装置由轴、圆锥齿轮、轴承等组成。
示意图如图所示。
1
1
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第三章轴的设计计算
3.1轴的设计要求
轴在设计中，齿轮轴的运用一般无外乎一下几种情况：
1、齿轮轴一般是小齿
轮（齿数少的齿轮）2、齿轮轴一般是在高速级（也就是低扭矩级）3、齿轮轴一般很少
作为变速的滑移齿轮，一般都是固定运行的齿轮，一是因为处在高速级，其高速度是不
适进行滑移变速的。
4、齿轮轴是轴和齿轮合成一个整体的，但是，在设计时，还是要尽量缩短轴的长度，太长了一是不利于上滚齿机加工，二是轴的支撑太长导致轴要加粗而增加机械强度
3.2输入轴设计
（1的材料和热处理方法
轴采用45钢正火处理。
查表cb=600Mpa
（2）估算轴的最小直径
已知轴的最大扭矩为65kg.m,则
查表得C=110
因输入轴与电动机相连，转速高，转矩小，选择弹性套柱销联轴器，根据十弹性套柱销联轴器的规格取d=60mm
（3）轴的结构设计及绘制结构草图
为了满足半联轴器的轴向定位，1-2轴段右端需制出一轴肩，取2-3段的直径d2=64
mm。
半联轴器与轴配合的毂孔长度为L=100mm为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上
而不压在轴的端面上，故1-2轴段的长度应比L略短一些，现取—98mm。
轴承端盖的总宽度为30mm根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑油的要求，求得端盖外端面与半联轴器右端面间的距离I15mm，故取I245mm。
为了挡油环可靠地压紧轴承长度，取l3=20mm为方便轴承拆装，挡油环的大径应略小于轴承的内径筒端面取d3=74mm
初步选择圆锥滚子轴承。
因轴同时受有径向力和轴向力，故选用一对圆锥滚子轴承,根据工作环境和参照轴承座标准取d4=i30mm,
取安装齿轮处的轴段的长度L6=75mm齿轮的右端与轴承座之间采用轴环定位。
取轴环
直径75mm,15=14mm
上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。
轴与半联轴器之间的平键，按d=60mm,查得平键截面bXh=18X11mr长90mm
轴与锥齿轮之间的平键按d=75mn查得平键截面bXh=22X14m，长为63mm键槽均用键槽铣刀加工。
为保证齿轮、半联轴器与轴配合有良好的对中性，故选择半联轴器与轴配合为H7/k6与轴的配合为H7/m6的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为m6
（4）按弯、扭组合作用验算轴的强度载荷大小：
（5）
T950000-650000Nmm
转矩
n
2T
2650000—,
Ft
173333N
齿轮载荷
:
d6
75
Fn
Ft
-18446N
cos
M
Fn_
38
350469Nmm
合弯矩：
2
修正：
d=45.681.05=47.96mm
结构设计确定的直径是60mm强度足够
3.3输出轴设计
（1）选择轴的材料和热处理方法
轴采用45钢正火处理。
查表cb=600Mpa
（2）估算轴的最小直径
已知轴的最大扭矩为65kg.m,则
查表得C=110
考虑键的削弱d44.91.0547.1mm
因输出轴转速高，转矩小，选择弹性套柱销联轴器，根据十弹性套柱销联轴器的规格取
d=60mm
为了满足半联轴器的轴向定位，1-2轴段右端需制出一轴肩，取2-3段的直径d2=54mm。
半联轴器与轴配合的毂孔长度为L=100mm为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故1-2轴段的长度应比L略短一些，现取L198mm。
根据离合器的规格取d3=70mml3=100mm
（3）轴的结构设计及绘制结构草图
数控编程:
00001;
T0101M03S800F0.4;
G00X100.0Z100.0;
G01X90.0Z5.0;
G71U2.0R0.5;
G71P10Q20U0.5W0.5;
N10G01X0;
Z0;
X58.0;
X60.0Z-1.0;
Z-98.0;
X64.0;
Z-143.0;
X68.0;
Z-173.0;
X75.0;
Z303.0;
X85.0;
O0002;
G00X100.0Z100.0;
G01X90.0Z5.0;
G71U2.0R0.5;
G71P10Q20U0.5W0.5;
N10G01X0;
Z0;X73.0;
X75.0.0Z-1.0;
Z-75.0;
X85.0;
N20Z-90.0;
G70P10Q20U0.5W0.5;
Z100.0;
M05;
M30;
Z392.0
N20X95.0;G70P10Q20Z100.0;
M05;
M30;
第四章齿轮的设计计算
4.1齿轮材料和热处理的选择
齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。
20世
纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。
按硬度，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。
软齿面的齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，多用于传动尺寸和重
量无严格限制，以及小量生产的一般机械中。
因为配对的齿轮中，小轮负担较重，因此为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度一般要比大轮的高。
硬齿面齿轮的承载能力高，它是在齿轮精切之后，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理，以提高硬度。
但在热处理中，齿轮不可避免地会产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切，
以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。
制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。
铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿
轮传动中；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的
地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。
未来齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。
故此设计齿轮选用价格便宜便于制造的材料，齿轮材料为45钢，调质处理，硬度
为260HRW,换向齿轮箱是一般机械，速度不高，故选择8级精度。
4.2齿轮几何尺寸的设计计算
（1）照接触强度初步设计齿轮主要尺寸
选用闭式直齿圆锥齿轮传动，按齿形制GB/T123691990齿形角200，顶隙系数
*
C*0.2，齿顶高系数ha1，螺旋角m35，轴夹角9°，不变位，齿高用顶隙
收缩齿。
材料选择，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS
选择8级精度。
传动比i=z2/z1=1
1arc
分度圆锥角
;cot玉
乙
§29°§1
按齿面接触疲劳强度设计
3「
2
Ze
KT1
d1t>2.92■
H
R1°.5RU
（2）齿轮弯曲强度校核
试选载何系数K=2
T
9.55
1°6-65°°°°N.mm
计算小齿轮传递的扭矩1
n
选取齿宽系数R=1.1
按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限Hlm1610MPa，大齿轮的接触疲劳极限
Hlim255°MPa
计算应力循环次数（按转速为144°rmin，两班工作制每班8小时，预期寿命1°年,
年3°°天）计算：
N16°n1jLh6°14401283°°1°4.151°9
查得接触疲劳寿命系数
ZN1=1ZN2=1（N1>N°,N°1°）
按一般可靠性要求，取安全系数SH1计算接触疲劳许用应力
61°1Mpa
61°Mpa
计算小齿轮的分度圆直径
代入H中的较小值得
齿数：
取Z=35
模数：
m=d/z=4.23m
根据圆锥齿轮标准模数，取第一系列标准值
分度圆直径：
d=Z•m=75mm
arccotZ245
分度圆锥角：
z
h
*
hm
齿顶高
a
a=5mm
齿根高
hf
（ha*c）m=6mm
齿顶圆直径
da
d2hacosS
=183mm
齿根圆直径
df
d2hfcosS
=165mm
R
认乙2Z22
锥距
2
123.7mm
（3）齿轮几何尺寸的确定
据39
m=5
9a=卄arctanha
齿顶角
R=002.54
第五章齿轮箱结构选择及相关性能参数计算
5.1齿轮箱的应用
（1）齿轮箱的用途
加速减速就是常说的变速齿轮箱.
改变传动方向例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴.
改变转动力矩同等功率条件下,速度转的越快的齿轮,轴所受的力矩越小,反之越大.离合功能我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机与负载分开的目的.比
如刹车离合器等.
分配动力.例如我们可以用一台发动机,通过齿轮箱主轴带动多个从轴,从而实现一台发动机带动多个负载的功能.
齿轮箱在电机中的应用很广泛，在风力发电机组当中就经常用到，而且是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。
通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
其次齿轮箱还有如下的作用：
1、加速减速,就是常说的变速齿轮箱。
2、改变传动方向，例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴。
3、改变转动力矩。
同等功率条件下，速度转的越快的齿轮,轴所受的力矩越小，反
之越大。
4、离合功能：
我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机与负载分开的目的。
比如刹车离合器等。
5、分配动力。
例如我们可以用一台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴，从而实现一台发动机带动多个负载的功能。
（2）齿轮箱特点
1.齿轮箱采用通用设计方案，可按客户需求变型为行业专用的齿轮箱。
2.实现平行轴、直交轴、立式、卧式通用箱体，零部件种类减少，规格型号增加。
3.采用吸音箱体结构、较大的箱体表面积和大风扇、圆柱齿轮和螺旋锥齿轮均采用先进的磨齿工艺，使整机的温升、噪声降低、运转的可靠性得到提高，传递功率增大。
4.输入方式：
电机联接法兰、轴输入。
5.输出方式：
带平键的实心轴、带平键的空心轴、胀紧盘联结的空心轴、花键联结的空心轴、花键联结的实心轴和法兰联结的实心轴。
6.齿轮箱安装方式：
卧式、立式、摆动底座式、扭力臂式。
7.齿轮箱系列产品有3〜26型规格，减速传动级数有1〜4级，速比1.25〜450;和RK、S系列组合得到更大的速比。
5.2箱体的结构设计
（1）箱体材料的选择与毛坯种类的确定
根据换向器的工作环境，可选箱体材料为灰铸铁HT20Q因为铸造箱体刚性好、外形美观、易于切削加工、能吸收振动和消除噪音,可采用铸造工艺获得毛坯。
（2）箱体主要结构尺寸和装配尺寸
单位：
mm
名称
符号
结构尺寸计算或取值依据
结果
箱座壁厚
0.0125dimd2m18mm
10
箱盖壁厚
1
0.0125d1md2m18mm
10
箱座凸缘厚度
b
1.51.5812
12
箱盖凸缘厚度
bi
1.511.5812
12
底座凸缘厚度
b2
2.52.5820
20
箱座上的肋厚
m
0.850.8586.8
7
箱盖上的肋厚
m1
0.8510.8586.8
7
轴承旁凸台高度
h
厂-2
h\D2D2c
nJ—G
\22
55
56
|22
172172“
J——20
\22
轴承旁凸台半径
Ri
R1c216
16
轴承座的外径
D2
D小5~5.5d3725~5.58112~116
D中5~5.5d3805~5.58120~124
D大5~5.5d31305~5.58170~174
114
122
172
地脚螺钉
直径和数目
df
n
a1a2145180325350
18
6
通孔直径
df
20
沉头座直径
Do
45
底座凸缘尺寸
C1min
25
C2min
23
连接螺栓
轴承旁连接螺栓直径
di
0.75df0.751612
轴承旁连接螺
栓直径d1
12
通孔直径d
13.5
沉头座直径D
26
凸缘尺寸
C1min
20
C2min
16
箱座、箱盖连接螺栓直径
d2
0.5~0.6df0.5~0.6
8~9.6
轴承旁连接螺
栓直径d2
10
通孔直径d
9
16沉头座直径D
18
凸缘尺寸
C1min
15
C2min
12
定位销直径
d
0.7~0.8d20.7~0.885.6~6.4
6
轴承盖螺钉直径
d3
0.4~0.5df0.4~0.5166.4~8
8
视孔盖螺钉直径
d4
0.3~0.4df0.3~0.4164.8~6.4
6
箱体外壁至轴承座端面的距离
li
Gg（510）mm
48
齿轮顶圆与箱体内壁的距离
i
1.21.289.6
14
齿轮端面与箱体内壁的距离
2
8或10~15
主动齿轮端面距箱体内壁距离
14
从动齿轮端面距箱
14
第六章轴承、键和联轴器的选择
6.1轴承的选择及校核
（1）轴承分类
轴承的种类很多。
按其所能承受的载荷方向可分为：
①径向轴承，又称向心轴承，承受径向载荷。
②止推轴承，又称推力轴承，承受轴向载荷。
③径向止推轴承，又称向心推力轴承，同时承受径向载荷和轴向载荷。
按轴承工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。
具体可分为以下几种：
深沟球轴承最具代表性的滚动轴承，用途广泛可承受径向负荷与双向轴向负荷
适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场合带钢板防尘盖或橡胶密封圈的密封型轴承内预先充填了适量的润滑脂外圈带止动环或凸缘的轴承，即容易轴向定位，又便于外壳内的安装最大负荷型轴承的尺寸与标准轴承相同，但内、外圈有一处装填槽，增加了装球数，提高了额定负荷
主要适用的保持架：
钢板冲压保持架（波形、冠形…单列；S形…双列）
铜合金或酚醛树脂切制保持架、合成树脂成形保持架主要用途：
汽车：
后轮、变速器、电气装置部件
角接触球轴承套圈与球之间有接触角，标准的接触角为15°、30°和40°接触角越大轴向负荷能力也越大
接触角越小则越有利于高速旋转单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷
DB组合、DF组合及双列轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷
DT组合适用单向轴向负荷较大，单个轴承的额定负荷不足的场合高速用ACH型轴承球径小、球数多，大多用于机床主轴角接触球轴承适用于高速及高精度旋转结构上为背面组合的两个单列角接触球轴承共用内圈与外圈，可承受径向负荷与双向轴向负荷
主要适用的保持架：
钢板冲压保持架（碗形…单列；S形、冠形…双列）
铜合金或酚醛树脂切制保持架、合成树脂成形保持架主要用途：
单列：
机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差速器小齿轮轴双列：
油泵、罗茨鼓风机、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械
四点接触球轴承
，因此套圈与球
可承受径向负荷与双向轴向负荷单个轴承可代替正面组合或背面组合的角接触球轴承适用于承受纯轴向负荷或轴向负荷成份较大的合成负荷该类轴承承受任何方向的轴向负荷时都能形成其中的一个接触角（a）
总在任一接触线上的两面三刀点接触主要适用的保持架：
铜合金切制保持架主要用途：
飞机喷气式发动机、燃汽轮机
调心球轴承由于外圈滚道面呈球面，具有调心性能，因此可自动调整因轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正
圆锥孔轴承通过使用紧固件可方便地安装在轴上木工机械、纺织机械传动轴、立式带座调心轴承
圆柱滚子轴承圆柱滚子与滚道呈线接触，径向负荷能力大，即适用于承受重负荷与冲击负荷，也适用于高速旋转N型及NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，最适应用作自由端轴承NJ型及NF型可承受一定程度的单向轴向负荷，NH型及NUP型可承受一定程度的双向轴向负荷内圈或外圈可分离，便于装拆NNU型及NN
型抗径向负荷的刚性强，大多用于机床主轴主要适用的保持架：
钢板冲压保持架（Z形）、铜合金切制保持架、销式保持架、合成树脂成形保持架主要用途：
中型及大型电动机、发电机、内燃机、燃汽轮机、机床主轴、减速装置、装卸搬运机械、各类产业机械
圆锥滚子轴承该类轴承装有圆台形滚子，滚子由内圈大挡边引导设计上使得内圈滚道面、外圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷，双列轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷适用于承受重负荷与冲击负荷
按接触胸（a）的不同，分为小锥角、中锥角和大锥角三种型式，接触角越大轴向负荷能力也越大
外圈与内组件（内圈与滚子和保持架组件）可分离，便于装拆后置辅助代号"J"或"JR"的轴承具有国际互换性
该类轴承还多使用英制系列产品主要适用的保持架：
钢板冲压保持架、合成树脂成形保持架、销式保持架主要用途：
汽车：
前轮、后轮、变速器、差速器小齿轮轴。
机床主轴、建筑机械、大型农业机械、铁路车辆齿轮减速装置、轧钢机辊颈及减速装置
推力球轴承由带滚道的垫圈形滚道圈与球和保持架组件构成与轴配合的滚道圈称做轴圈，与外壳配合的滚道圈称做座圈。
双向轴承则将中圈秘轴配合
单向轴承可承受单向轴向负荷，双向轴承可承受双向轴向负荷（二者均不能承受径向负荷）
主要适用的保持架：
钢板冲压保持架、铜合金或酚醛树脂切制保持架、合成树脂成形保持架
主要用途：
汽车转向销、机床主轴⑵轴承的选择
因轴同时受有径向力和轴向力，故此设计选用圆锥滚子轴承70000型
（3）轴承的校核
已知：
最大扭矩为65KgM
p=R173333N，查表得载荷因数fp=1.8，温度因数ft=1
预期寿命
Lh103001648000h
根据式
6.2键的选择计算及校核
（1）键的选择
键连接的作用
键连接是通过键实现轴和轴上零件间的周向固定以传递运动和转矩。
其中，有些类型还可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动联接。
键连接装配中，键（一般用45号钢制成）是用来连接轴上零件并对它们起周向固定作用，以达到传递扭矩的一种机械零件。
其连接类别有较松键连接、一般键连接和较紧键连接。
键连接的装配工艺要点应检查键的直线度、键槽对轴心
线的对称度和平行度。
键的两侧面与轴键槽的配合一般有间隙。
重载荷、冲击、双向使用时，须有过盈。
键两端圆弧应无干涉。
键端与轴槽应留有零点一零mm的间隙。
普通平键的底面与键槽底面应贴实。
半圆键的半径应稍小于轴槽半径，其他要求与一般平键相同。
花键连接的特点及类型
花键连接是由轴和轮毂孔上的多个键齿和键槽组成，如图4-8所示。
键齿侧
面是工作面，靠键齿侧面的挤压来传递转矩。
花键连接具有较高的承载能力，定心精度高，导向性能好，可实现静连接或动连接。
因此，在飞机、汽车、拖拉机、机床和农业机械中得到广泛的应用。
花键连接已标准化，按齿形不同，分为矩形花键、渐开线花键两种。
1、矩形花键连接
为适应不同载荷情况，矩形花键按齿高的不同，在标准中规定了两个尺寸系列：
轻系列和中系列。
轻系列多用于轻载连接或静连接；中系列多用于中载连接。
矩形花键连接的定心方式为小径定心（图4—9）。
此时轴、孔的花键定心面
均可进行磨削，定心精度高。
2、渐开线花键连接
渐开线花键的齿形为渐开线，其分度圆压力角规定了30度和45度两种，如
图4-10所示。
渐开线花键可以用加工齿轮的方法来加工，工艺性较好，制造精度较高，齿根部较厚，键齿强度高，当传递的转矩较大及轴径也较大时，宜采用渐开线花键连接。
压力角为45度的渐开线花键由于键齿数多而细小，故适用于轻
载和直径较小的静连接，特别适用于薄壁零件的连接。
渐开线花键连接的定心方式为齿形定心。
由于各齿面径向力的作用，可使连接自动定心，有利于各齿受载均匀。
键连接的应用
键用于连接轴和轴上零件，进行周向固定以传递转矩，如齿轮、带轮、联轴器与轴的连接，键连接可以分为松键连接、紧键连接和花键连接三大类。
1.松键连接
松键连接所用的键有普通平键，半圆键、导向平键及滑键等，靠键的侧面传递转矩，只对轴上零件作周向固定，不能承受轴向力，如果要轴向固定，贝嚅要附加紧定螺钉或定位环等定位零件。
松键连接的装配要点为：
1）清理键及键槽上的毛刺，保证键与键槽能精密贴合。
2）对重要的键连接，装配前要检查键的直线度和键槽对轴线的对称度及平行度等。
3）对普通平键，导向平键，用键的头部与轴槽试配，应能使键较紧地与轴槽配合。
4）修配键长时，在键长方向键与轴槽留0.1mm的间隙。
5）在配合面上加湿润油，用铜棒或加软钳口的台虎钳将键压入轴槽中，使之与槽底良好接触。
6）试配并安装回转套件时，键与键槽的非配合面应留有间隙，保证轴与回转
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