螺旋伞齿轮设计说明.doc

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目录
1、概述····························································1
2、螺旋伞齿轮的作用················································2
3、螺旋伞齿轮的工艺性分析和技术要求分析····························3
4、螺旋伞齿轮加工工艺规程分析和设计································6
4.1、毛坯的选择与尺寸的确定和精度确定·························6
4.2、基准的选择和精度的确定···································6
4.3、工艺路线的拟定···········································7
4.4、确定各工序切削用量和加工余量·····························9
5、夹具的设计··················································13
5.1、夹具的工序尺寸分析·······································13
5.2、定位基准的选择和定位装置确定·····························13
5.3、夹具的装配图·············································15
6、心得体会························································16
7、参考文献························································17
1、概述
通过在校期间对机械设计的学习，对轴类零件有了一定的认识.轴类零件设计是机械工程类专业学生完成本专业教学计划的一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练.这对我们即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义
而螺旋伞锥齿轮是组成机器零件的主要零件之,来进行运动及动力的传动， 螺旋伞锥齿轮的发展历程大致可分为两类,一类是齿轮行业确定了以圆弧齿制为主的发展方向，这期间圆弧齿制的加工机床主要来自进口，同时大量引进延伸外摆线齿制的机床.另一类是随着螺旋锥齿轮的生产效率的提高，产品质量有了很大改善。
齿轮传动作为一种传统、高效的传动形式很早以前就出现了，随着科学技术的进步，出现了一系列的齿轮传动形式，并形成了相应的齿轮啮合理论、设计、加工方法，这些工作都丰富和发展了齿轮传动理论体系。
螺旋伞齿轮作为齿轮的一种，在各种机械中都有广泛的使用.在汽车驱动桥中，螺旋伞齿轮是纵向配置发动机的汽车所不可缺少的，螺旋伞齿轮。用于相交轴间的传动.单级传动比可到6，最大到8或者以上,传动效率一般为0。94～0。98。因为直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单,但噪声较大，用于低速传动（<5m/s），螺旋伞齿轮传动传递功率可到370千瓦，圆周速度5米/秒.斜齿锥齿轮传动运转平稳，齿轮承载能力较高。因此，根据螺旋伞齿轮这些特点,一般都用于高速重载的场合.分为直齿伞齿轮，和螺旋伞齿轮.螺旋伞齿轮的制造工艺在汽车制造业占有重要地位.
2、螺旋伞齿轮的作用·
螺旋伞齿轮在汽车上的主要功用为:
1、将发动机输出的动力经变速箱、主传动器传给驱动车轮；
2、将纵向配置的发动机所输出的旋转运动改变方向,使驱动车轮获得与汽车行驶方向一致的旋转运动 ；
3、降低发动机输出的旋转速度，提高发动机输出的扭矩，使驱动车轮获得足够的牵引力。
汽车行业通常将螺旋伞齿轮称为减速齿轮,由其组成的总成称为减速器总成.CA1092汽车采用双极主传动器,由一对螺旋伞齿轮实现一级减速，一对螺旋圆柱齿轮实现二级减速。
螺旋伞齿轮共有四种速比:11：25,12:25，13：25,9：25。
螺旋圆柱齿轮有两种速比:14：47,15:46。
驱动桥组成四种速比:
25/11*47/14=7。63，25/12*46/15=6.39，25/13＊46/15=5.897，25/9＊47/14=9。33。
汽车的行驶状况是随外界条件瞬息变化的，所以螺旋伞齿轮的工况极其复杂。中型载重汽车螺旋伞齿轮的线速度可高达17m/s，要求齿面具有耐磨性能、抗冲击性能及抗弯曲性能等。通常要求齿面具有高硬度，心部具有良好的任性。
通过对CA1092汽车驱动桥中螺旋伞齿轮主动轮的分析，进行了汽车螺旋伞齿轮的机械加工工艺规程及专用机床夹具设计.本文多采用常规设计方法，使用通用机床以及通用夹具，只对铣齿的夹具进行了设计。本文并无创新之处，只是通过此次设计整理所学知识，将理论与实际相结合.
3螺旋伞齿轮的工艺性分析和技术要求分析
螺旋伞齿轮齿轮的工作条件及性能要求; 
螺旋伞齿轮齿轮在工作过程中起着传递动力和改变速度的作用，啮合齿面间既有滚动、又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用.在由此而引起的各种应力的作用下,齿轮将发生轮齿折断、齿面胶合、齿面疲劳及齿面磨损等失效情况。引起齿轮失效的主要应力有:摩擦力、接触应力和弯曲应力。根据齿轮失效的形式和原因,在选择齿轮材料及热处理方法是应从以下几个方面考虑：
齿轮表面有足够的硬度。齿面存在实际上的凹凸不平，因而局部会产生很大的压强,引起金属塑性变形或嵌入相对表面,导致金属直接接触和粘着，当啮合齿面相对滑动是，产生了摩擦力。齿面磨损就是由于相互摩擦的结果.减少这类磨损的关键是提高轮齿表面的塑变抗力，即提高齿面硬度。提高齿面硬度还可以改善齿面接触状态，从而提高齿面的抗疲劳能力。
轮齿芯部要有足够的强度和韧性，以保证在变载或冲击载荷作用下，轮齿有足够的抗冲击能力。
大小齿轮应有一定的硬度差,以提高其抗胶合能力。
考虑材料加工性和经济性。螺旋伞齿轮齿轮的性能要求，螺旋锥齿轮是汽车的主要传动零件，主动螺旋锥齿轮是将汽车变速器传过来的动力传递给从动锥齿轮，从动锥齿轮再将动力传递给差速器。因此,零件结构上主动螺旋锥齿轮是齿轮轴，一端是花键,与变速器动力输出轴相连，另一端是螺旋锥齿轮;从动锥齿轮是盘状齿轮，直径大于主动螺旋锥齿轮，起到减速作用，同时沿圆周均布一些螺栓孔，使从动锥齿
轮通过螺栓固定在差速器壳上，将减速后的动力传递给差速器。从动锥齿轮既有高的传动速度，同时又传递较大的扭矩，而且在装载和刹车时承受冲击载荷。这类齿轮的主要失效方式有磨损、点蚀和断裂.故从动螺旋锥齿轮应满足如下性能要求：①良好的力学性能；②良好的渗碳淬火性能；③良好的抗冲击性能；④良好的心部硬度；⑤良好的热变形性能。
材料的选择及技术要求  
目前螺旋伞齿轮齿轮用材大致有20CrMnTi、22CrMoH等。它们的工艺性能优良，广泛用于承受高速、中等或重载及受冲击载荷和摩擦的重要零件，且材料成本相对低廉,
螺旋伞齿轮的设计精度一般是依据齿轮线速度确定工作平稳性精度等级的，然后在按标准规定选定运动精度等级、接触精度等级及齿侧间隙精度等级。中型载重汽车螺旋伞齿轮的精度等级一般为8—7—7.CA1092载重汽车驱动桥中,主、从动螺旋伞齿轮轮的精度为8-7—7D。图1为主动螺旋伞齿轮轴的零件图 。
图1 主动螺旋伞齿轮轴零件图
技术要求分析：螺旋伞齿轮经过渗碳淬火后会产生变形，其中轮齿变形可通过磨齿或研齿方法进行修正，同时会显著降低螺旋伞齿轮的传动噪音，这种方法已在轿车生产中被采用.中型载重汽车通常以提高齿形精度来弥补热处理造成的精度损失。表1所示为主动螺旋伞齿轮轴的渐开线花参数和齿轮参数。
表1 主动螺旋伞齿轮轴的渐开线花键参数和齿轮参数
渐开线花键参数
齿轮参数
花键齿形
渐开线
齿轮
13
模数（mm）
3
分齿圆上端面模数（mm）
9
齿数
14
法面计算啮合角
20o
原始齿形压力角
20o
齿顶高（mm）
10。26
原始齿形移位距（mm）
+1.5
齿全高(mm)
16.992
分齿圆直径（mm)
42
轮齿中点螺旋角
35o
分齿圆上弧齿厚：
理论值（mm）
用通过量规检验（mm）
用量棒检验（mm）
5.80
5。82
5。76
旋转方向
左
刀盘直径（mm)
Ø228。6（9”)
分齿圆上端面理论弧齿厚（mm）
16。652
配对齿轮研磨后在检验台上的齿隙（mm）
0.20～0.35
渐开线的转变直径（mm)
Ø41
齿的工作表面粗糙度（um)
Ra1。6
齿侧表面粗糙度（um）
Ra3。2
按需要量研磨牙齿，配对后在齿轮上打上标记
4、螺旋伞齿轮加工工艺规程分析和设计
4。1毛坯的选择与尺寸的确定和精度确定·
毛坯类型确定:汽车驱动桥齿轮一般都选用20GrMnTi合金钢，采用渗碳淬火处理.CA1092汽车驱动桥齿轮材料及热处理如表2。大批生产中齿轮毛胚采用模锻工艺制造。经正火处理，硬度为157～207HV。
表2 汽车驱动桥齿轮材料及热处理
零件名称
材料
渗碳深度（mm）
表面硬度HRC
心部硬度HRC
螺旋伞齿
20CrMnTi
1.2~1.6
58~63
33～48
螺旋圆柱齿轮
20CrMnTi
1.0~1。6
58~63
33~48
差速器齿轮
20CrMnTi
1.0～1。4
58~63
33～48
毛坯结构、尺寸和精度确定：
简化零件结构细节,由于零件为大批生产，故毛坯精度取普通级，CT9级.根据这些数据，绘出毛坯图。如图2所示:
图2 主动螺旋伞齿轮轴的毛胚图
4。2基准的选择和精度的确定
1）粗基准的选择
根据选择的原则是:
（1）非加工表面原则。
（2）加工余量最小原则.
（3）重要表面原则.
（4）不重复使用原则。
（5)便于装夹原则。
2）精基准的选择
设计基准是图样上所采用的基准。如零件图上的轴心线是各外圆和孔的设计基准。由零件的工艺分析可以知道，此零件的设计基准是Ø50k6mm和Ø35mm的轴线，根据精基准选择的原则是：
（1）基准重合原则。
（2）基准统一原则.
（3）自为基准原则.
（4）互为基准原则.
(5）便于装夹原则。
根据以上选择的原则，在加工时：也从产品使用方面分析，主动螺旋伞齿轮的轴颈ø65mm和轴颈ø50mm是配合表面，根据安装距(118mm）可知ø65mm的轴颈端面是装配基准;从产品设计方面分析，ø65mm轴颈端面又是设计基准，其轴线是形位公差的基准。因此,可确定齿形加工的定位基准应该是ø65mm和ø50mm两个轴颈和ø65mm轴颈的端面。
4.3、工艺路线的确定
工艺分析:螺旋伞齿轮的加工主要分成以下几个阶段：
1) 齿坯加工：齿坯成形，保证铣齿基准的加工精度.
2) 中间检查：重点检查铣齿定位夹紧尺寸精度。
3) 齿形加工:保证接触区的形状、位置、大小、齿面间隙及齿侧间隙变动量。
4) 中间检查：重点检查接触区、齿侧间隙和轮齿表面的粗糙度.
5) 热处理：渗碳淬火，校正。
6) 热处理后加工：精加工装配（使用）基准。
7) 最后检查：全面检查装配基准尺寸精度.
制订机械加工工艺路线
制订机械加工工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证.在生产纲领已确定为中批量生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外,还应当考虑经济效果,以便使生产成本尽量降低。
⑴ 工艺路线方案一
工序1 锻造造;
工序3 热处理；
工序5 铣两端面及钻中心孔；
工序7 车轴颈及背锥；
工序9 车槽锥端面;
工序11 铣渐开线花键;
工序13 磨轴颈及端面；
工序15 加工小孔；
工序17 加工螺纹；
工序19 中间检查轴颈；
工序21 粗铣螺纹;
工序23 精磨齿轮。
工序25 中间检查；
工序27 热处理校正；
工序29 磨轴颈及端面；
工序31 最后检查；
工序33 入库
⑵ 工艺路线方案二
工序1 铸造；
工序3 热处理;
工序5 铣两端面及钻中心孔；
工序7 车轴颈及背锥；
工序9 车槽锥端面;
工序11 铣渐开线花键及钻小孔；
工序13 磨轴颈及端面；
工序15 加工螺纹；
工序17 中间检查;
工序19 粗铣轮齿；
工序21 精铣轮齿凸面；
工序23 精铣轮齿凹面；
工序25 中间检查;
工序27 热处理校正；
工序29 磨轴颈及端面；
工序31 最后检查；
工序33 入库.
4.4确定各工序切削用量和加工余量
1.车轴颈及背锥
由于零件整体加工为外圆端面，故所有轴颈可以一次车削加工,所有轴颈加工余量相同。现已轴颈为例,说明所有轴颈的加工余量。（参考《机械制造工艺设计简明手册》表2.3-9)，
确定工序尺寸及余量：
粗车：ø65。5mm;
精车:
具体工序尺寸见表3。
表3 工序尺寸表
工序
名称
工序间
余量/mm
工序间
工序间
尺寸/mm
工序间
经济精度
/μm
表面粗糙度
/μm
尺寸公差
/mm
表面粗糙度
/μm
精车
0.5
H9
Ra6.3
66

Ra6。3
粗车
1
H12
Ra12。5
68

Ra12.5
2. 加工Ø5mm孔
毛坯为实心，而孔没有精度要求，因此可以只钻孔.（参照《机械制造工艺设计简明手册》表2.3-9及表2。3—12），确定工序尺寸及余量：
钻孔Φ5mm；
具体工序尺寸见表4。
表4 工序尺寸表
工序
名称
工序间
余量/mm
工序间
工序间
尺寸/mm
工序间
经济精度
/μm
表面粗糙度
/μm
尺寸公差
/mm
表面粗糙度
/μm
钻孔
5
H12
Ra12。5
5
无
Ra12.5
3。 加工螺纹
螺纹参数为M27x1。5-6h，(参照《机械制造工艺设计简明手册》表2.3-9及表2.3-12），确定工序尺寸及余量:
具体工序尺寸见表5.
表5 工序尺寸表
工序
名称
工序间
余量/mm
工序间
工序间
尺寸/mm
工序间
经济精度
/μm
表面粗糙度
/μm
尺寸公差
/mm
表面粗糙度
/μm
精车
螺纹
0.16
6h
Ra6。3
26。68

Ra6。3
粗车
螺纹
0.80
8h
Ra12.5
25.08

Ra12。5
工艺流程图
序号
工序名称

使用机床
1
锻造

2
热处理
正火

3
铣两端面及钻中心孔

专用钻床
4
车轴颈及背锥

CA6140卧式车床
5
车槽锥端面

CA6140卧式车床
6
铣渐开线花键及钻小孔

ZBT8216铣钻组合机床
7
磨轴颈及端面

3T16端面外圆磨床
8
加工螺纹

CA6140卧式车床
9
中间检查
Ø65.4 Ø50。40 Ø47.25

10
粗铣齿轮

铣齿机N016
11
精铣齿轮凸面

铣齿机N016
12
精铣齿轮凹面

铣齿机N016
13
中间检查
接触区、齿侧间隙、齿面粗糙度

14
热处理校正
渗碳层深1.2~1.6淬火：表面硬度58～63HRC,心部硬度33~48HRC

15
磨轴颈及端面

M1420A外圆磨床
16
检验

5、夹具的设计
5。1夹具的工序尺寸分析
零件在加工的过程中夹具的定位固定是非常重要的，当定位不准确或加工中出现振动，都会影响零件在加工中各段的精度.并且会随着最终的完工使工件偏离原来尺寸要求达不到设计的要求,这就要有合理的装夹保证在加工中的稳定，保证加工质量。使用夹具要简单装夹或拆卸方便，
夹具的设计主要包括夹具的定位方案，夹紧方案及加工精度等方面来分析.这个夹具具有其自身的优点，夹具体结构简单,操作方便。具有精准的定位。螺旋伞齿轮的主要技术要求
1 轴ф65和 轴ф50的圆度公差在0。06以内。
2相邻两轴的垂直度在ф0.05以内。
由于零件材料为20GrMnTi合金钢，形状规则。精度等级为IT11.
5。2定位基准的选择和定位装置确定
工件的定位是通过工件上的定位表面与夹具上的定位元件V型块接触来实现的。定位基准是确定工件位置时所依据的基准，它通过定位基面所体现。
定位元件的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不变的位置,在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。
1．对定位元件的基本要求
（1）足够的精度 定位元件应具有足够的精度，以保证工件的定位精度。
（2）较好的耐磨性 由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦,容易磨损,为此，要求定位元件工作表面的耐磨性要好，以保持使用寿命和定位精度。
(3）足够的强度和刚度 定位元件在受工件重力、夹紧力和切削力的作用时，不应变形和损坏，因此，要求定位元件有足够的刚度和强度,否则会影响工件定位精度。
(4）较好的工艺性 定位元件应便于制造、装配和维修。
（5）便于清除切屑 定位元件的工作表面形状应有利于清除切屑，以防切屑嵌入影响精度.
螺旋伞齿轮加工的定位元件为V形块和压板。
工件定位之后,在钻孔加工之前,必须用夹紧装置将其夹紧，加紧装置采用气压带动双面斜楔运动加紧压板，以保证工件在加工过程中，在切削力、重力、惯性力等的作用下不产生位移或振动，影响加工质量，甚至使加工无法顺利进行。由零件图可知，本齿轮轴是回转体面，由于在进行齿轮加工时,各外圆圆已经加工完成，所以各外圆面均可以作为定位基准，因为螺旋伞齿轮的小端轴颈ø50mm和轴颈M27mm是配合表面，从零件设计方面分析，ø50mm轴颈端面又是设计基准，其轴线是形位公差的基准。因此，可确定齿形加工的定位基准应该是ø50mm和M27mm轴颈的端面。以此面为基准定位即可限制X移动、z移动 y移动、y转动、Z转动五个自由度，然后再固定两端面即可限制六个自由度。
由零件图可知，本齿轮轴是回转体面，由于在进行齿轮加工时,各外圆圆已经加工完成,所以各外圆面均可以作为定位基准，因为螺旋伞齿轮的小端轴颈ø50mm和轴颈M27mm是配合表面，从零件设计方面分析,ø50mm轴颈端面又是设计基准，其轴线是形位公差的基准.因此，可确定齿形加工的定位基准应该是ø50mm和M27mm轴颈的端面.以此面为基准定位即可限制X移动、z移动 y移动、y转动、Z转动五个自由度，然后再固定两端面即可限制六个自由度。
5。3夹具装配图
6、心得体会
作为一名即将毕业的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种机械设计？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢?我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台.在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是对讨论和共同学习有了进一步的认识。作为一切都要有据可依。有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
我在螺旋伞齿轮的加工工艺规程和夹具的设计过程中，针对加工过程中存在的难点进行了攻关。在夹具的设计上采取了一系列的措施，保证了被加工工艺的加工程度度。主要完成了以下工作：
1）对螺旋伞齿轮加工工艺进行了分析研究，明确了螺旋伞齿轮加工的技术要求和工艺要点.
2）恰当地选择了滚齿机的切削参数，以及齿夹具的设计要求.
本项工作还有许多值得完善的地方，例如：装夹、定位由人工完成，效率较低；自动化程度有待提高等问题。这些问题通过改进设计、完善工艺、现场的不断实践、总结，必将会得到进步的提高。
7。参考文献
[1]《机械制造基础课程设计》，王富山，陈抗生主编,机械工业出版社， 2002。1
［2］《切削用量简明手册》，艾兴、肖诗纲编，机械工业出版社，2000.1
［3]《机械制造技术》，朱正心主编,机械工业出版社，2001.10
[4］《机械制造工艺学》,徐嘉元、曾家驹主编，机械工业出版社，1999。5
[5］《机械制造工艺与机床夹具》,刘守勇主编，北京机械工业出版社， 2002。2
［6]《机床夹具设计手册》，王光斗，上海科技出版社，2000。2
[7]《机床夹具图册》，王小华，机械工业出版社，1992。2