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机械基础课程设计

《机械基础》课程设计

题目：

直齿圆柱齿轮的设计

系别：

机电工程系

专业：

机电一体化

班级：

08级四班

学生姓名：

指导老师：

完成日期：

2009年12月

河南质量工程职业学院

《机械基础》课程设计任务书

班级

机电四班

学生姓名

指导教师

课程设计题目

直齿圆柱齿轮的设计

主要

设计

内容

1、设计主动轮，从动轮各结构及尺寸。

2、绘制主动轮图，标注主要尺寸及参数。

3、设计计算主动轮轴键联接。

主要

技术指标

和设

计要

求

1、设计要求

工作条件：

单班工作制，每班10h，工作期限10年.

原始数据：

该减速器由电动机驱动齿轮传递功率为15KW，低速轴转速n=1450r/nin,传动比i=4,单向传动。

2、技术要求

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..

主要

参考

资料

及文

献

【1】隋冬杰主编《机械基础》高等教育出版社2009.9

【2】胡宴如主编．《机械设计基础》高等教育出版社．2005.10

【3】吴晗主编《机械设计教程》北京理工大学2007.3

【4】黄鹤汀主编《机械制造技术》.北京:

机械工业出版社.1997.12....

【5】成大先主编《机械设计手册（第五版）》化学工业出版社2008.04

1.《机械基础》课程设计任务书…………………………………………………1

1.1直齿圆柱齿轮设计拟定设计任务和要求及选题意义…………………………3

1.1.1设计任务和要求…………………………………………………………3

1.1.2选题意义…………………………………………………………………3

1.2直齿圆柱齿轮的设计……………………………………………………………3

1.2.1选择齿轮精度等级………………………………………………………3

1.2.2选材与热处理……………………………………………………………4

1.2.3按齿面接触疲劳强度设计………………………………………………7

1）选载荷系数：

………………………………………………………………8

2）计算转矩……………………………………………………………………8

3）接触疲劳许用应力…………………………………………………………8

4）计算小齿轮分度圆直径……………………………………………………9

5）计算圆周速度………………………………………………………………10

1.2.4确定主要参数……………………………………………………………10

1）齿数Z。

……………………………………………………………………10

2）模数m。

……………………………………………………………………10

3）分度圆直径d1……………………………………………………………11

4）齿宽系数Ψd………………………………………………………………11

1.2.5校核弯曲疲劳强度………………………………………………………11

1）齿形系数YFS………………………………………………………………11

2）弯曲疲劳许用应力………………………………………………………12

3）弯曲疲劳强度寿命系数。

………………………………………………13

4）校核计算…………………………………………………………………13

1.2.6结构设计及绘制齿轮零件图……………………………………………13

1.3小结………………………………………………………………………………16

1.4参考文献…………………………………………………………………………16

直齿圆柱齿轮设计拟定

设计任务和要求

1.1.1设计指标

1）题目：

设计带式输送机的一级直齿圆柱齿轮。

设计计算主动轮，从动轮各结构及尺寸，绘制主动轮图，标注主要尺寸及参数，设计计算主动轮轴键联接

2）工作条件：

单班工作制，每班10h，工作期限10年.该减速器由电动机驱动齿轮传递功率为15KW，低速轴转速n=1450r/nin,传动比i=4,单向传动。

1.1.2选题的意义

齿轮传动用于传动空间任意两轴之间的运动和力，靠齿和齿之间的连续接触实现运动的传递，是机械传动中最重要的传动之一，而直齿圆柱齿轮广泛的用于现代机械中，因此直齿圆柱齿轮的传动在现代机械工业中起着相当重要的作用。

直齿圆柱齿轮的传动从原理上讲是一种典型的机械传动，其中包括要考虑齿轮间传动的转动比，，齿面接触疲劳强度等。

因此，我们此次设计与设计直齿圆柱齿轮就是为了更加了解齿轮的传动。

而且我们还可以通过进一步的学习与掌握各种机械传动的原理和使用方法。

直齿圆柱齿轮的设计

1.2.1选择齿轮精度等级

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

齿轮的精度等级

6级（高精度）

7级（较高精度）

8级（普通）

9级（低精度）

加工方法

用范成法在精密机床上精磨或精制

用范成法在精密机床上精插或精滚，对淬火齿轮需要磨齿或研齿等

用范成法插或滚

用范成法或仿形法粗滚或型铣

齿面粗糙度Ra/um

0.80~1.60

1.60~3.2

3.2~6.3

6.3

用途

用于分度机构或高速重载的齿轮，如机床，精密仪器，汽车，船舶，飞机中的重要齿

用于高、中速重载齿轮，如机床，内燃机中的较重要齿轮，标准系列减速器的齿轮

一般机械中的齿轮，不属于分度系统的机床齿轮，飞机拖拉机中不重要的齿轮。

轻载传动的不重要齿轮或低速传动对精度要求低的齿轮

周速度

V（m/s）

圆

柱

齿

轮

直齿

斜齿

3.5

圆

锥

直齿

2.5

表1

1.2.2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；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；

a）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；。

b）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。

b）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。

c）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。

d）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。

e）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，齿面硬度：

169～217HBS。

材料

牌号

热处理方法

硬度

应用举例

齿芯

齿面

优质碳素钢

正火

150~180

低速轻载的齿轮或中速中载的大齿轮

162~217

180~220

调制

217~255

合金钢

35SiMn

217~269

40Cr

241~286

优质碳素钢

表面淬火

180~210

40~45

高速中载、无剧烈冲击的齿轮。

如汽车、拖拉机中的重要齿轮

217~255

40~50

合金钢

40Cr

241~286

48~55

20Cr

渗碳淬火

56~62

高速中载、承受冲击载荷的齿轮。

如机床变速箱中的重要齿轮

20CMnTi

56~62

38CrMoAlA

氮化

229

＞850HV

在和平稳、润滑良好的齿轮

铸钢

ZG45

正火

163~197

重型机械中的低速齿轮

ZG55

179~207

球墨铸铁

QT700—2

225~305

可用来代替铸钢

QT600—2

229~302

灰铸铁

HT250

170~241

低速中载、不受冲击的齿轮。

如机床操纵机的齿轮

HT300

187~255

1.2.2按齿面接触疲劳强度设计：

1）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］

2）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:

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：

齿面接触疲劳强度的校核式：

齿面接触疲劳强度的设计式：

上述式中：

u─齿数比，u=z2/z1；ZE─弹性影响系数；ZH─区域系数；

1）载荷系数，

按下表2取K=1.3，

载荷系数K

原动机

工作机的载荷特性

均匀、轻微冲击

中等冲击

大冲击

电动机

1~1.2

1.2~1.6

1.6~1.8

多缸内燃机

1.2~1.6

1.6~1.8

1.9~2.1

单缸内燃机

1.6~1.8

1.8~2.0

2.2~2.4

表2

2）T1=9.55*106*P1/n1=9.55*106*15/1500=9.88*104N.mm

3）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*1450*1*12*300*10=3.13*109

N2=N1/i=7.8*108

由下图得接触疲劳强度寿命系数ZN1=1,ZN2=1.03

（N1>N2.N0=109）

按一般可靠性要求，取SH=1，则

接触疲劳许用应力[σH]=σHlim*Zn/SH

按齿面硬度中间值，如图6-19查得

σHlim1=600MPa,σHllim2=550MPa

按一年工作300天计算，应力循环次数

N1=60njlh=60*1500*1*12*300*10=3.24*109

N2=N1/i=8.1*108

由下图得接触疲劳强度寿命系数

ZN1=1,ZN2=1.03（N1>N2.N0=109）

按一般可靠性要求，取SH=1，则

[σH1]=σHlim1*ZN1/SH=600*1/1=600MPa.

[σH2]=σHlim2*ZN2/SH=550*1.03/1=566.5MPa.

取[σH]=566.5MPa

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=1.1，ZH=2.5,

齿宽系数Ψd=b/d1

齿相对轴承位置

齿面硬度

350HBS

>350HBS

对称布置

0.8~1.4

0.4~0.9

非对称布置

0.6~1.2

0.3~0.6

悬臂布置

0.3~0.4

0.2~0.25

表3

查下表4得ZE=189.8

齿轮材料弹性系数：

ZE（

）

大齿轮

材料

小齿轮

材料

钢

铸钢

铸铁

球墨铸铁

钢

189.8

188.9

165.4

181.4

铸钢

188.9

188.0

161.4

180.5

表4

将以上参数代入式

=61.2mm

取d1=64mm

5）计算圆周速度

V=n1

d1/60*1000=1500*3.14*55/（60*1000）=4.85m/s.

因V<6m/s,故去8级精度合适。

1.2.4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Z1=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Z1=17~20。

故取Z1=20，Z2=Z1i=20*4=80

2）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=d1/z1=64/20=3.2mm在下表5查的m=3mm

第一系列

…1.522.534568101216

2025324050

第二系列

…1.752.252.75（3.25）3.5（3.75）4.5

5.5（6.5）79（11）141822283645

表5

3）分度圆直径d1=Z1m=20*3=60mm

d2=Z2m=80*3=240mm

中心距a=（d1+d2）/2=（60+240）/2=150mm

4）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d1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。

b2=Ψdd1=1.1*60=66mm取b2=70mmb1=75mm

5.校核弯曲疲劳强度。

1）齿形系数YFS,查下表6得：

根据z1、z2得YFS.

表准处齿轮的齿形系数YFa及应力修正系数Ysa。

YFa

2.97

2.91

2.85

2.80

2.76

2.72

2.69

2.65

2.62

Ysa

1.52

1.53

1.54

1.55

1.56

1.57

1.575

1.58

1.59

YFa

2.60

2.57

2.55

2.53

2.52

2.45

2.40

2.35

2.32

Ysa

1.595

1.60

1.61

1.62

1.625

1.65

1.67

1.68

1.70

100

150

200

∞

YFa

2.28

2.24

2.22

2.20

2.18

2.12

2.06

Ysa

1.73

1.75

1.77

1.78

1.79

1.83

1865.

1.97

表6

YFa1=2.80Ysa1=1.55YFS1=YFa1*Ysa1=4.34

YFa2=2.22Ysa2=1.77YFs2=YFa2*Ysa2=3.9294

2）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=240MpaσFlim2=220MPa.

由图得弯曲疲劳强度寿命系数：

YN1=1（N0=3*106,N1>N0）

YN2=1（N0=3*106,N2>N0）

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=220MPa

4）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：

YFa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=2KT1/bmd1*YFS

2［σF］

σF=2KT1/ΨdZ12m3*YFS

220［σF］

则：

σF1=2KT1/bmd1*YFS1=2*1.4*9.88*104/（70*3*62）*4.35=95.5MPa<［σF1］

σF2=2KT1/bmd1*YFS2=σF1*YFS2/YFS1=90.01Mpa<［σF2］

1.2.6结构设计

小齿轮:

因da=60mm<200mm,故用实体结构。

因ds=20mm,则键为b*h*l=6*6*60

大齿轮：

因200mm

d2=240mm,da=246mm,df=232.5，ds=50mm

D2=242.15-18=224.15mm,

C=0.2b=0.2*70=14mm,

r=0.5C=7mm,n=0.5m=1.5mm,

键用b*h*l=8*14*70.

小齿轮结构图

大齿轮结构图

总结

1.4.1设计体会

通过这次对直齿圆柱齿轮的设计，让我了解了设计，也让我了解了关于设计直齿圆柱齿轮的关键所在，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，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。

而且，在现实设计中存在着各宗各样的误差。

所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

通过这次学习，让我对齿轮的传动有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些还是应该自己亲自动手设计才会有深刻理解。

1.4.2对设计的建议

我希望老师在我们设计齿轮传动之前应先告诉我们一齿轮设计的资料、原理，以及一些注意事项。

这样会有助于我们进一步的进入状况，完成设计

【参考三文献】

【1】隋冬杰主编机械基础高等教育出版社2009.9

【2】胡宴如主编．机械设计基础．高等教育出版社．2005.10

【3】．吴晗主编机械设计教程北京理工大学2007.03

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