机械基础优秀课程设计实训综合报告.doc

课程设计实训汇报

课程名称： 《机械基础》
设计题目： 齿轮传动设计
系 别： 机电工程系
专业班级： 机电一体化技术3班
学生姓名： 邢志远
学 号：
指导老师： 魏波
设计时间： 12月

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
班级
09机电3班
学生姓名
邢志远
指导老师
魏波
课程设计题目
齿轮传动设计
关键
设计
内容

1、设计计算主动轮、从动轮结构及尺寸。
2、绘制主动轮图并标注关键尺寸及参数。
3、设计计算主动轮轴键联接。
关键
技术指标
和设
计要
求
1．设计指标
① 齿轮传输功率为20kw，低速轴转速为200r/min，传动比为i=3.5；
② 单向传动，一天工作20小时，十二个月工作300天，工作二十五年，齿轮和轴材料均为45钢。
③ 选择齿轮精度等级。输送机是通常工作机械，考虑次对齿轮传输功率不大，速度不高，故大小齿轮全部选择8级精度。要求齿轮面粗糙度Ra1.6～3.2um..
2．设计要求
① 画出齿轮结构设计图；
② 齿轮关键参数；
③ 校核齿轮强度；
④ 轴结构设计于计算；
关键
参考
资料
及文
献
[1]张晓坤.隋晓朋.Autocad汉字版实用教程.北京：北京经济日报出版社，.9
[2]徐锦康.机械设计.北京：高等教育出版社,.3
[3]唐金松.简明机械设计手册（第二版）.上海：上海科学技术出版社，.5
[4]黄祖德.机械设计.北京：北京理工大学出版社，.9
[5] 岳优兰，马文锁.机械设计基础.开封：河南大学出版社，.5

目 录

1 方案选择和确定 3
1.1 齿轮参数选择 3
1.2设计和计算及说明 3
2轴设计 8
2.1选择轴材料 8
2.2轴最小直径估算： 8
2.3轴结构设计 8
2.4轴结构工艺性 9
2.5提升轴疲惫强度结构方法 11
3小结 13
4参考文件 13

1 方案选择和确定
依据任务要求，选择齿轮传动设计，设计带式输送机一级直齿圆柱齿轮减速器中齿轮传动，该减速器由电动机驱动，齿轮传输功率为20 KW，低速轴转速n2=200r/min，传动比i = 3.5，单向传动，长久使用，齿轮和轴材料均为45钢。
1.1 齿轮参数选择
1.1.1 齿数z
对于软齿面闭式传动，在满足弯曲疲惫强度条件下，宜采取较多齿数，通常取Z1 =20～40。因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提升传动平稳性。对于硬齿面闭式传动，首先应含有足够大模数以保持齿根弯曲强度，为减小传动尺寸，宜取较少齿数，但要避免发生根切，通常取Z1 =17～20。
1.1.2、模数m
模数影响齿轮抗弯强度，通常在满足齿轮弯曲疲惫强度条件下，一去较小模数，以增大齿数，减小切齿量。
1.1.3 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，可减小齿轮传动装置径向尺寸，降低齿轮圆周速度。不过齿轮越大，载荷分布越不均匀。为便于装配和调整，常将小齿轮宽加大5～10 mm ，但设计计算时按大齿轮齿宽计算。
1.2设计和计算及说明
1.2.1.选择齿轮精度等级。
表1.1齿轮传动常见精度等级及其应用
精度 等级
圆周速度v/m·s-1
应 用 举 例
直齿圆柱
斜齿圆柱
直齿锥齿轮
6
≤15
≤30
≤9
要求运转正确或在高速重载下工作齿轮传动；精密仪器和飞机、汽车、机床中关键齿轮
7
≤10
≤20
≤6
通常机械中关键齿轮；标准系列减速器齿轮；飞机、汽车和机床中齿轮
8
≤5
≤9
≤3
通常机械中关键齿轮；飞机、汽车和机床中不关键齿轮；纺织机械中齿轮；农业机械中关键齿轮
9
≤3
≤6
≤2.5
工作要求不高齿轮；农业机械中齿轮
由表1.1可知精度等级可选八级。
1.2.2.选材和热处理
该齿轮传动无特殊要求，为制造方便采取软齿面，大小齿轮均用45号钢，小齿轮调质处理，齿面硬度：229～286HBS,大齿轮正火处理，齿面硬度:169～217HBS.
1.2.3按齿面接触疲惫强度设计
该传动为闭式软齿面，关键失效形式为疲惫点蚀，故按齿面解除疲惫强度设计，再按齿根弯曲疲惫强度校核。
设计公式：
查表1.2
表1.2载荷系数k
原动机
工作机载荷特征
均匀、轻微冲击
中等冲击
大冲击
电动机
多缸内燃机
单缸内燃机
1～1.2
1.2～1.6
1.6～1.8
1.2～1.6
1.6～1.8
1.8～2.0
1.6～1.8
1.9～2.1
2.2～2.4

[1]载荷系数K,取K=1.2
[2]由n2=n1/i得n1=n2 x i=200x3.5=700 r/min
转矩T1=9.55x106x p1/n1=9.55x106x20/700=272857.1N.mm
[3]接触疲惫许用应力 [σH]= σHlimZN/SH
按齿面硬度中间值查 图1.2 得σHlim1=600MPa, σHlim2=550MPa

图1.2HBS硬度
按十二个月工作300天,一天20小时工作；25年则应力循环次数N1=60njln
=60x700x1x20x300x25=6.3x109
N2=N1/i=1.8x 109
接触疲惫强度寿命系数表1.3得接触疲惫寿命系数ZN1=1 ZN2=1 (N1 ＞N1 ＞N0 , N0=109)
按通常可靠性要求，取SH=1 则
[σH1]=600x1/1=600MPa
[σH2]=550x1/1=550MPa
取[σH]=550MPa

图1.3接触疲惫强度寿命系数
[4]计算小齿轮分度圆直径d1查表1.4按齿轮相对轴承对称部署取Ψd=1.04 ZH=2.5
表1.4齿宽系数ψd=b／d₁
齿相对轴承位置
齿 面 硬 度
≤350HBS
＞350HBS
对称部署
0.8～1.4
0.4～0.9
非对称部署
0.6～1.2
0.3～0.6
悬 臂 布 置
0.3～0.4
0.2～0.25
表1.5齿轮材料弹性系数Z()
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
因为材料为45号钢，故取ZE=189.8 。
将以上参数代入下式得：

=
=84.46 mm
取 d1=90 mm
[5]计算圆周速度 V=n1πd1/(60x1000)=700x3.14x90/(60x1000)=3.297m/s
1.2.4.确定关键参数
表1.6渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式表

注：式中上面符号用于外齿轮或外啮合传动，下面符号用于内齿轮或内啮合传动。

（1）齿数 取Z1=20 则Z2=Z1i=20x3.5=70
(2) 模数 m=d1/Z1=90/20=4.5 mm (恰好是标准模数第二系列上数值)
（3）分度圆直径 d1=Z1m=20x4.5=90 mm d2=Z2m=70x4.5=315 mm
(4) 中心距 a=(d1+d2)/2=(90+315)/2=202.5 mm
(5) 齿宽 b=Ψdxd1=1.04x90=93.6 mm 取b2=100 mm b1=b2+5=105 mm
1.2.5.校核弯曲疲惫强度
表1.7齿形系数YFa及应力校正系数
z(zv)
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
YFa
2.97
2.91
2.85
2.80
2.76
2.72
2.69
2.65
2.62
2.60
2.57
2.55
2.53
YSa
1.52
1.53
1.54
1.55
1.56
1.57
1.575
1.58
1.59
1.595
1.60
1.61
1.62
z(zv)
30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
150
200
∞
注：1）基准齿形参数为α=20°、、ρ=0.38m(m为齿轮模数)；
　　2）对内齿轮：当α=20°、、ρ=0.15m时，齿形系数YFa＝2.65，YSa＝2.65。

(1)齿形系数YFS,查得 YFS1=4.25 YFS2=4.1
(2)弯曲疲惫许用应力 [σF]= σFlimYN/SF
按齿面硬度中间值查图一得：σFlim1=250 MPa σFlim2=210 Mpa
由图1.8 得弯曲疲惫寿命系数；
图1.8弯曲疲惫寿命系数

YN1=1 (N0=3x106,N1>N0)
得：σFlim1=250 MPa σFlim2=210 Mpa
[σF1]=250 MPa
YN2=1 (N0=3x106,N2>N0) [σF2]=210 MPa
按通常可靠性要求，取弯曲疲惫安全系数SF=1,则
[σF1]= σFlim1Y N1/SF=250 MPa
[σF2]= σFlim2 YN2/SF=210 Mpa
(3)校核计算
σF1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x272857.1x4.25/(100x4.5x90)=68.7MPa＜[σF1]
σF2=σF1YFS2/YFS1=68.7x4.1/4.25=66.3 MPa ＜[σF2]
1.2.6. 结构设计
渐开线齿轮有五个基础参数

名称
符号
意义
标准化数值
齿数(teeth number) 
Z
在齿轮整个圆周上轮齿总数称为齿数

模数(module)
m
齿距分度圆齿距p和π比值
模数决定了齿轮大小及齿轮承载能力。
中国要求标准化模数
压力角(特指分度圆压力角)(pressure angle)

决定渐开线齿形和齿轮啮合性能关键参数
中国要求标准化压力角为20度
齿顶高系数

齿顶高计算系数:
中国要求标准化齿顶高系数为1
顶隙系数

顶隙(clearance)计算系数
中国要求标准化顶隙系数为0.25

da=d+2ha=90+9=99 mm
df=d+2df=d-2x1.25m=90-11.25=78.75 mm
2轴设计
2.1选择轴材料
该轴没有特殊要求，所以选择调质处理45号钢，能够查其强度极限＝650MPa。
2.2轴最小直径估算：
表2.1轴常见材料[τ]值和C值
轴材料
Q235,20
35
45
40Cr,35SiMn
[τ]/MPA
12～20
20～30
30～40
40～52
C
160～135
135～118
118～106
107～97

查表2.1得C取118

所以 取d=40 mm
由机械制图手册查得

公称直径d
公称尺寸b×h
长度L
＞38～44
12×8
28～140
2.3轴结构设计
依据齿轮减速器简图确定轴上关键零件部署图（图）和轴初步估算定出轴径进行轴结构设计。
图2.1

2.3.1轴上零件轴向定位
齿轮一端靠轴肩定位，另一端靠套筒定位，装拆、传力均较为方便；两段端承常见同一尺寸，方便于购置、加工、安装和维修；为了便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜过高（其高度最大值可从轴承标准中查得），故左端轴承和齿轮间设置两个轴肩。
2.3.2轴上零件得周向定位
齿轮和轴、半联轴器和轴得周向定位均采取平键联接及过盈配合。依据设计手册，并考虑便于加工，取在齿轮、半联轴器处得键剖面尺寸为b×h=18×11，配合均采取H7/k6；滚动轴承内圈和轴配合采取基孔制，轴得尺寸公差为k6。
2.3.3确定各段轴径直径和长度
轴长：取决于轴上零件得宽度及她们得相对位置。
具体工作时，需要注意以下多个问题：
1）轴上和零件向配合直径应取成标准值，非配合轴段许可为非标准值，但最好取为整数。
2）和滚动轴承相配合直径，必需符合滚动轴承内径标准。
3）安装联轴器轴径应和联轴器孔径范围相适应。
4）轴上螺纹直径应符合标准。
5）轴上和零件相配合部分轴段长度，应比轮毂长度略短2～3mm，以确保零件轴向定位可靠。
6）若在轴上装又滑移零件，应该考虑零件滑移距离。
7）轴上各零件之间应该留有合适间隙，以预防运转时相碰。
2.4轴结构工艺性
轴形状，从满足强度和节省材料考虑，最好是等强度抛物线回转体。不过这种形状轴既不便于加工，也不便于轴上零件固定；从加工考虑，最好是直径不变光轴，但光轴不利于零件拆装和定位。因为阶梯轴靠近于等强度，而且便于加工和轴上零件定位和拆装，所以实际上轴多为阶梯形。为了能选择适宜圆钢和降低切削用量，阶梯轴各轴段直径不宜相差过大，通常取为5～10MM。
为了便于切削加工，一根轴上圆角应尽可能取相同半径，退刀槽取相同宽度，倒角尺寸相同；一根轴上各键槽应开在同一母线上，若揩油键槽轴段

图2.2

直径相差不大时，应尽可能采取相同宽度键槽（图2.2），以降低换刀次数。
需要磨削轴段，应该留有砂轮越程槽，方便磨削时砂轮能够磨削到轴肩端部；需要切制螺纹轴段，应留有退刀槽，以确保螺纹牙均能达成和其期高度（图）。
图2.3

为了便于加工和检验，轴直径应取为圆整值；和滚动轴承相配合轴颈直径应符合滚动轴承内径标准；有螺纹轴段直径应符合螺纹标准直径。
为了便于装配，轴端应加工出倒角（通常为45º），以免装配时把轴上零件孔壁擦伤（图）；过盈配合零件装入端应加工出导向锥面（图），方便零件能顺利地压入。
图2.4

制造工艺性往往是评价设计优劣一个关键方面，为了便于制造、降低成本，一根轴上具体结构全部必需认真考虑。
图2.4所表示轴结构：1）螺纹段留有退刀槽（图a中①），磨削段要留越程槽（图b中④）;同一轴上圆角、倒角应尽可量相同；同一轴上多个键槽应开在同一母线上（图b中⑤）；螺纹前导段（图a中②）直径应该小于螺纹小径；轴上零件（如齿轮、带轮、联轴器）轮毂宽度大于和其配合轴段长度；轴上各段精度和表面粗糙度不一样。
2.5提升轴疲惫强度结构方法
轴基础形状确定以后，换需要根据工艺要求，对轴结构细节进行合理设计，从而提升轴加工和装配工艺性，改善轴疲惫强度。
2.5.1减小应力集中
轴上应力集中会严重减弱轴疲惫强度，所以轴结构应尽可能避免和减小应力集中。为了减小应力集中，应该在轴剖面发生突变地方制成合适过渡圆角；因为轴肩定位面要和零件接触，加大圆角半径常常受到限制，这时能够采取凹切圆角或肩环结构等。
常见减小应力集中方法如表2.2所表示。
2.5.2改善轴表面质量
表面粗糙度对轴疲惫强度也有显著影响。实践表明，疲惫裂纹常发生在表面粗糙部位。设计时应十分注意轴表面粗糙度参数值，即使是不和其它零件向配合自由表面也不应该忽略。采取輾压、喷丸、渗碳淬火、氮化、高频淬火等表面强化方法能够显著提升轴疲惫强度。
表2.2减小应力集中方法

2.5.3改善轴受力情况
改善轴上零件结构，减小轴上载荷或改善其应力特征，也能够提升轴强度和刚度，图2.5所表示。假如把轴毂配合面分成两段（图b），能够显著减小轴弯矩，从而提升轴强度和刚度。把转动心轴（图a）改成不转心轴（图b），可使轴不承受交变应力作用。
图2.5

3小结
经过这次对直齿圆柱齿轮设计，让我知道了工程设计关键性和设计时应考虑多方面原因，也让我了解了相关设计直齿圆柱齿轮关键原因，设计齿轮传动时，各个齿轮硬度要达成一定强度才能够满足使用要求。不过最终成品却不一定和设计时完全一样，因为，再实际生产设计中存在着多种多样条件制约。而且，在现实设计中存在着多种多样误差。所以，在设计时应考虑全方面，依据生产实际，从中找出最适合设计方案。
经过这次学习，让我对齿轮传动有了一定了解，所以说，应该进行实际操作和理论结合，对自己关键性。
4参考文件
[1]张晓坤，隋晓朋.Autocad汉字版实用教程.北京：北京经济日报出版社，.9
[2]徐锦康.机械设计.北京：高等教育出版社,.3
[3]唐金松.简明机械设计手册（第二版）.上海：上海科学技术出版社，.5
[4]黄祖德.机械设计.北京：北京理工大学出版社，.9
[5] 岳优兰，马文锁.机械设计基础.开封：河南大学出版社，.5
[6]隋冬杰.机械基础.上海：同济大学出版社，.9
[7]胡宴费.机械设计基础.北京：高等教育出版社．.10
[8]吴晗.机械设计教程. 北京:北京理工大学出版社..3
[9]黄鹤汀.机械制造技术..北京:机械工业出版社.1997.12
[10]成大先.机械设计手册(第五版).北京：化学工业出版社，.04

附cad图：

河南质量职业学院机电工程系
课程设计综合成绩评定表
姓名
邢志远
学号

班级
机电三班
课程名称
机械基础
设计题目
齿轮传动设计
指导老师评语

指导老师签字：
年 12月 10 日
设计汇报成绩综合评定
项 目
标准
成绩
1、计算和绘图能力
10

2、综合利用专业知识能力
20

3、利用计算机能力和外语能力
10

4、查阅资料、利用工具书能力
10

5、独立完成设计能力
10

6、书写情况（文字能力、整齐度）
10

7、表述能力（逻辑性、条理性）
10

平时考评成绩（20）
设计考评成绩（80）
综合成绩

教研室主任署名： 年 12月 10 日