车轴齿轮箱.doc

3.2.3.6车轴齿轮箱
车轴齿轮箱位于轨道车轮对两轮之间的车轴上，是轨道车传动系统的最后一个总成。
车轴齿轮箱的功用是将动力传递方向改变90度，并将输入扭矩放大，并将输入扭矩放大，转速降低，驱动轮对，使轨道车行驶。
车轴齿轮箱有单级齿轮式和双级齿轮是两种。该车轴齿轮箱采用双级齿轮（见图3-14）。主要结构有上箱体、下箱体、一对螺线散齿轮、一对圆柱斜齿轮、剖分试密封圈和法兰盘等。二级减速，速比6.55。车轴齿轮箱两端车轴处，采用两个圆锥滚子滚动轴承，背靠背安放，共同承担来自外界的径向力，轴向力。车轴两端采用剖分试密封圈密封，前端采用骨架油封密封，轴承及螺旋散齿采用飞溅润滑方式，上侧面有加油透气孔下面有油标，便于检查油面高度，底部安放了放油堵，以便清洗和换油。摘　　要
随着铁路事业的发展，尤其近年来电气化铁路的快速发展，轨道车辆作为专用运输和铁路养护设备逐渐成为铁路工务，工程施工，机务牵引供电及其他建设养护部门不可替代的设备。同时也被厂矿企业和一些铁路车站用在小型调车作业。
发动机输出的转矩和转速变化范围很小，而汽车在行驶时所遇到的复杂的道路条件和使用条件要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化。齿轮箱是传动系的重要组成部分，应用在车辆上主要是起到减速增扭作用。
本设计采用传统机械设计与计算机辅助设计相结合的办法对轨道施工车驱动齿轮箱系统设计与分析。
通过广泛查阅文献资料，参考图纸，利用汽车理论、汽车构造和汽车设计的相关知识设计齿轮箱系统的结构形式，对齿轮箱的齿轮进行了参数选择、几何尺寸计算、强度校核；选择了轴的材料，并计算了轴的直径；对所用轴承进行了载荷和寿命计算；运用Solid Edge软件绘制了部分零件的零件图和装配图，并建立三维实体模型。

关键词：齿轮箱，轨道施工车，强度校核，计算机辅助设计
Design and Analysis of Track Construction Vehicles Gear box

Abstract
With the development of railway, especially the electrization railway, the railcar as a kind of transportation and railway service equipment is gradually becoming a vital one for railway business, construction, railway traction and other construction and service department. It is also used on the the task of miniature maneuvering vehicle of mining factory and some railway stations.
The modern automobile engine is a powerful, but do not produce much torque at low engine speeds. The gear box system is a vital device that makes better use of engine power and torque.
In this paper, the traditional mechanical design and computer-aided design approach that combines the construction of the track drive gear box car design and analysis system.
Through extensive literature, reference drawings, the use of automotive theory and design of vehicle structure and vehicle design-related knowledge of the gear box system structure, the gear on the gear box to choose the parameters, geometric dimensions, the intensity calibration; chosen axis materials, and calculate the diameter of the shaft; of bearings used in the calculation of loads and life expectancy; the use of AutoCAD software rendering some parts of the parts drawing and assembly drawing.

Key Words：Gear box, Track Constraction Vehicles, Strength Analysis,
Computer-aided design

3
- -
目　　录
摘　　要 1
Abstract 2
引　　言 1
1概述 2
1.1课题来源 2
1.2课题背景 2
1.2.1 选题背景 2
1.2.2本课题的国内外研究进展 3
1.3轨道车概述 3
1.3.1轨道车分类 4
1.3.2轨道车的基本结构 4
1.4齿轮箱概述 5
1.4.1齿轮箱的作用 6
1.4.2 齿轮箱的特点 6
1.5 任务内容及研究意义和方法 7
1.5.1任务内容 7
1.5.2课题研究意义和方法 7
1.5.3预期成果 7
2 齿轮箱的初步设计计算 8
2.1 齿轮箱传动方案的选择 8
2.2 设计要求及初步分配传动比 8
3 齿轮传动设计 9
3.1 圆锥齿轮传动设计 9
3.1.1 选择齿轮材料，热处理方法，并确定许用应力 9
3.1.2 分析失效，确定设计准则 10
3.1.3按齿面接触疲劳承载能力计算齿轮的主要参数 10
3.1.4 精确计算计算载荷 11
3.1.5 验证轮齿接触疲劳承载能力 12
3.1.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力 12
3.1.7 锥齿轮设计图和参数表 13
3.2 斜齿圆柱齿轮的设计与计算 15
3.2.1 选择材料和热处理方法确定许用应力 15
3.2.2 分析失效，确定设计准则。 16
3.2.3 按轮齿的弯曲疲劳承载能力计算齿轮主要参数 16
3.2.4 精确确定计算载荷。 17
3.2.5 验算轮齿接触疲劳承载能力 17
3.2.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力 18
3.2.7 斜齿轮传动设计图与几何参数表 19
4轴的设计与校核 21
4.1 输入轴的设计与校核 21
4.1.1 轴的直径设计 21
4.1.2 计算轴上受力 21
4.1.3确定危险点 22
4.1.4 计算当量弯矩 22
4.1.5选择轴的材料确定许用应力并校核强度 22
4.2中间轴的设计与校核 23
4.2.1 轴的尺寸设计 23
4.2.2 计算轴上受力 24
4.2.3 确定危险截面并计算合成弯矩 25
4.2.4 计算当量弯矩 26
4.2.6 选择轴的材料，确定许用应力并校核强度 26
4.3 输出轴的设计与校核 27
4.3.1 轴的尺寸设计 27
4.3.2 计算轴上受力 28
4.3.3 确定危险截面并计算合成弯矩 28
4.3.4 计算当量弯矩 29
4.3.5选择轴的材料，确定许用应力并校核强度 30
5轴承的计算与校核 30
5.1输入轴滚动轴承的选择 30
5.2中间轴滚动轴承的选择 30
5.3输出轴滚动轴承的选择与校核 32
6 三维模型的建立 34
6.1 Solid Edge简介 34
6.2 建立部分零件和转配体的三维模型 35
结　　论 38
参 考 文 献 39
附 录 41
附录A 外文文献原文 41
附录B 外文文献译文 50
致　　谢 58

北京科技大学本科生毕业设计（论文）
引　　言
齿轮箱是传动系的重要组成部分，齿轮箱设计的好坏，直接影响到汽车的整体性能、运行和维修成本。
成功的设计不仅能够解决企业设计生产中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导，更能够为企业在降低产品和生产成本，提高产品的质量和设计水平，减少维修时间，从而提高企业核心竞争力方面提供思路和方法。
Solid Edge是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配设计、产品制造信息管理、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经成功应用于机械、电子、航空、汽车、仪器仪表、模具、造船、消费品等行业的大量客户。
简单地说，本文采用传统设计与计算机辅助设计软件相结合的办法。具体而言，首先通过广泛查阅文献资料，参考图纸，利用汽车理论、汽车构造和汽车设计的相关知识设计齿轮箱系统的结构形式，并计算设计出各部件的尺寸，通过强度理论校核各部分的强度和刚度。然后，使用Solid Edge软件画出零件图和装配图。

1概述
1.1课题来源
本课题来源于一个实际设计项目。
1.2课题背景
1.2.1 选题背景
我国铁路交通发展迅速，近几年国家极力加大铁路建设方面的投入。2009年，我国将实施6000亿元的铁路建设计划。
2006年我国在铁路建设全年完成投资1553亿元，完成新线铺轨1040公里、复线铺轨997公里，投产新线1605公里、复线705公里、电气化铁路3960公里。到“十一五”末的2010年，铁路运营里程将由2005年的7.5万公里增加到9.2万公里以上，发达完善的铁路网初具规模。到2020年，铁路运营里程将达到10万公里。
铁路交通的发展要求其相应配套设施也要有相应发展。铁路运营里程数不断的增加，高速铁路的不断新建，不仅会促进整个国民经济的发展，而且也让我们看到轨道施工车辆将会有很大的发展空间。
轨道车主要是施工及检查用的。主要用于铁路设备维修、大修、基建等施工部门执行任务的主要运输工具。轨道车分重型和轻型两种，能由搭乘人员随时撤出线路的，称为轻型轨道车；不能由搭乘人员随时撤出线路的，称为重型轨道车[1]。
和平时坐的火车有很大不同，它自带动力，根据需要，重型轨道车可加挂2个平板车。平时可在一些车站看到。它运行时一样的排运行图，获得行车调度批准后才能按点上道，审批手续非常严格。只有铁路运营单位和施工单位才能拥有。
随着铁路事业的发展，尤其今年来电气化铁路的快速发展，轨道车辆作为专用运输和铁路养护设备逐渐成为铁路工务，工程施工，机务牵引供电及其他建设养护部门不可替代的设备。同时也被厂矿企业和一些铁路车站用在小型调车作业。轨道车已经从当初的牵引运输功能单一的产品发展成为工程施工牵引，专业施工，专业检测检察，专业养护的多功能系列产品。
1.2.2本课题的国内外研究进展
当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化[2]。
自20世纪60年代以来，我国先后制订了《JB1130—70圆柱齿轮减速器》等一批通用减速器标准，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器生产厂。我国现有齿轮生产企业613 家(其中国有与集体所有的大中型企业110家，国有、集体所有的小企业435 家，私有企业48家，三资企业25家)。生产减速器的厂家有数百家，年产通用减速器75万台左右，年生产总值约250亿元。这些企业和厂家对发展我国的机械产品作出了贡献。
20世纪60年代的减速器大多数是参照前苏联20世纪40～50年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于当时的设计、工艺及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距。
改革开放以来，我国引进了一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB 179—60的8～9级提高到GB 10095—88的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在4～5级。部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了大幅度的提高，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。
从1988年以来，我国相继制定了50～60种齿轮和蜗杆减速器的标准，研制了许多新型减速器，这些产品大多数达到了20世纪80年代的国际水平。目前，我国可设计制造2800kW的水泥磨减速器、1700mm轧钢机的各种齿轮减速器。各种棒材、线材轧机用减速器可全部采用硬齿面。但是，我国大多数减速器的水平还不高，老产品不可能立即被替代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。
1.3轨道车概述
轨道车是自轮运转特种设备，即自带驱动装置。通常装机功率在736千瓦以下，能在铁路线路上运行和牵引，作业的专用小型内燃机车。他是伴随着铁路发展应运而生的铁路运送和养护设备，主要用于铁路施工养护，材料机具和人员的运送以及其他特殊用途，成为铁路工务，工程，机务牵引供电及其他建设养护部门不可替代的设备。
1.3.1轨道车分类
按照轨道车作业的不同性能，作用和传动方式，可将轨道车分为以下几种类型：
按运用的性质分类，根据轨道车的质量牵引力与功率及运用中是否按列车办理等运用性质可分为重型轨道车和轻型轨道车，通常我们所说的轨道车是重型轨道车。
按传动类型分类，可分为机械传动轨道车，液力传动轨道车，液力-机械传动轨道车，电传动轨道车。
按轴列式分类，轴列式是机车，轨道车等行走部分的特征。轴式的表示方法有数字表示和字母表示法两种。轨道车按轴列分类有两轴轨道车，三轴轨道车和四轴轨道车。两轴轨道车是两轴驱动方式轨道车，两个轮均为动轮。三轴轨道车是两轴方式驱动并由一根辅助承重车轴的轨道车，常见与轨道起重吊车。四轴轨道车是指由两轴转向架方式构成的轨道车。分为两轴带动力型和双转向架四轴带动力型。我所研究的轨道架线车既是属于两轴式轨道车，由前后桥驱动。
按用途分类，主要有轨道车辆系列，电气化铁路施工、检测、维修设备系列和大中型养路机械系列等。具体说来主要有：
1、轨道车系列，可牵引轨道平板车或通用车辆，适用于运输牵引，调车作业，区间通勤，指挥教授抢险和线路巡视办公等。
2、电气化作业车，具备轨道车运输牵引功能，主要用于电气化铁路接触网的架线，放线，检测，检修，日常维护和故障处理。我所研究的轨道架线车既是属于电气化作业车的类型。
3、轨道起重车，适用于电气化铁路立杆作业线路维修和沿线起重装卸作业。
4、接触网巡检车
5、钢轨探伤车
6、绝缘子清洗车，属于电气化铁路接触网绝缘日常维护车。
1.3.2轨道车的基本结构
轨道车一般由车体、车架、动力及传动系统、行走部、制动系统、电气系统和其他辅助功能部分组成。我要研究的是车架的设计。
车体、车架：为司乘人员提供工作场所，满足动力，辅助，缓冲等各种装置的安装，可分为非承载式车体车架，承载式车体车架。目前大多数轨道车都采用承载式车体车架，具有较强的刚度和抗变形能力。
动力与传动系统：由发动机，机械传动系统，液力传动系统，传动轴总成，车轴齿轮箱，辅助动力箱传动等组成。
走行部：承受上部重量，将传统系统动力传递到轮对转变为轨道车的牵引力和速度。
制动系统：制动系统的功能是轨道车在行驶过程中，为了保证安全作业，正点运行，使轨道车准确的减速或在制定位置停车，制动系统由空气制动，基础制动和手动制动组成。
电气系统，主要承担照明，启动，仪表，信号控制及其他相关工作。
辅助功能泛指用于各个用途轨道车的附加功能，例如作业车的升降部分，轨道车的起重部分及行走部分，巡检车对接触网检查的记录控制部分等。
不管轨道车的车型如何构成和变化还是由柴油机，传动系统，车体，车架，走行部，电气系统，制动系统等最基本的系统构成。不同类型的轨道车包含的组成部分略有不同，但关键最主要部分是相同的。
二轴机械传动型轨道车由柴油机，离合器，变速箱，传动轴，换向箱，前后传动轴，前后车轴齿轮箱，轮对，轴箱，拉杆，车架，车钩等组成。
二轴机械传动型轨道车基本组成
机械传动型轨道车动力传动路线如下：柴油机——离合器——变速箱——传动轴——换向箱——前后传动轴——前后车轴齿轮箱——轮对——轴箱——拉杆——车架——车钩。
1.4齿轮箱概述
齿轮箱分为行星式和直尺式，齿轮箱应用在车辆上主要是起到减速增扭作用，由于发动机的转速过高，输出的扭矩无法驱动车辆行走，必须通过齿轮箱齿轮副的减速增扭作用来实现，故也将齿轮箱称之为减速箱。
1.4.1齿轮箱的作用
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[3]。
1.4.2 齿轮箱的特点
1、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。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R、K、S系列组合得到更大的速比[4]。
1.5 任务内容及研究意义和方法
1.5.1任务内容
研究内容包括：选择齿轮箱结构形式，选择齿轮箱齿轮的基本参数，绘制零件图和装配图，并建立三维实体模型。
1.5.2课题研究意义和方法
齿轮箱是传动系的重要组成部分，齿轮箱设计的不好，汽车的整体性能就会受到影响，增大汽车的运行和维修成本，有时还可能发生安全事故。
成功的设计不仅能够解决企业设计生产中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导，更能够为企业在降低产品和生产成本，提高产品的质量和设计水平，减少维修时间，从而提高企业核心竞争力方面提供思路和方法。
Solid Edge是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配设计、产品制造信息管理、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经成功应用于机械、电子、航空、汽车、仪器仪表、模具、造船、消费品等行业的大量客户。
简单地说，本文采用传统设计与计算机辅助设计软件相结合的办法。具体而言，首先通过广泛查阅文献资料，参考图纸，利用汽车理论、汽车构造和汽车设计的相关知识设计齿轮箱系统的结构形式，并计算设计出各部件的尺寸，通过强度理论校核各部分的强度和刚度。然后，使用Solid Edge软件画出零件图和装配图。
1.5.3预期成果
完成齿轮箱系统结构及尺寸设计，画出相关的CAD图纸，进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作用力等等。
通过设计，解决企业设计生产中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导。
2 齿轮箱的初步设计计算
2.1 齿轮箱传动方案的选择
减速器主要由传动零件（齿轮），轴，轴承，箱体及其附件所组成[10]。
轨道车车轴齿轮箱位于轨道车同一轴两轮之间的的车轴上，是轨道车传动系统的最后一个总成。
图2. 1 传动示意图
它的功用是将传动方向改变90°，并将输入扭矩变大，驱动轮对使轨道车行驶。
本课题的重型轨道车车轴齿轮箱，设计采用两级齿轮传动，第一级为圆锥齿轮传动，第二级为圆柱齿轮传动。
结构上主要由上箱体，下箱体，前箱体，锥齿轮和圆柱齿轮等组成[12]。
如右图是车轴齿轮箱的工作简图
转矩由右端的锥齿轮齿轮轴输入，由左端的圆柱齿轮齿轮轴输出转矩。
2.2 设计要求及初步分配传动比
设计要求：
输入转矩6874牛米，传动比=5.34
设计与计算：
初步分配传动比：
传动比的分配会影响到减速器的尺寸，重量等。因此齿轮箱的设计中，合理的分配传动比非常重要。
本课题的车轴减速器属于圆锥-圆柱齿轮减速器，对于这种减速器的传动比进行分配时，要尽量避免圆锥齿轮尺寸过大，制造困难，因而高速级圆锥齿轮的传动比不宜过大，通常取0.25。
0.25=0.255.34=1.335
取=2.2，=2.4。则=5.28
初步分配传动比误差：0.06/5.34=1.1%<5%
误差在合理范围内。
3 齿轮传动设计
3.1 圆锥齿轮传动设计
圆锥齿轮的传动设计即高速级齿轮传动设计。
3.1.1 选择齿轮材料，热处理方法，并确定许用应力
参考齿轮常用材料及热处理表，初选材料
小齿轮20Cr2Ni4A，调质，240~260 HBS[15]
大齿轮20CrMnTi，表面渗碳深度1.2~1.8，58~62 HRC
根据小齿轮的齿面硬度250HBS和大齿轮的齿面硬度60HRC，按轮齿接触疲劳应力极限图MQ线，查的齿面接触极限疲劳应力如下：
725MPa
660MPa
按齿根弯曲疲劳极限应力图MQ线，查的齿轮弯曲疲劳极限应力如下：
600MPa
560MPa
按无限寿命计算，取寿命系数Zn1=Zn2=0.95，Yn1=Yn2=0.9
查最小安全系数表，取安全系数如下1.0 1.25
于是，
[]=688.75MPa
[]=627MPa
[]=432MPa
[]=403.2MPa
3.1.2 分析失效，确定设计准则
轨道车车轴齿轮箱的锥齿轮是在封闭的箱体内运动的，属于闭式传动，且为软齿面齿轮，最大可能失效是齿面接触疲劳，但如果模数过小，也可能发生轮齿疲劳断裂。因此，本设计按齿面接触疲劳承载能力进行设计，确定主要参数，再验证轮齿的弯曲疲劳承载能力。
3.1.3按齿面接触疲劳承载能力计算齿轮的主要参数
设计式为
传动比u=i=1.8
确定计算载荷
小齿轮转矩T1=6870N.m

取载荷系数K=1.2
=1.2*6870N.m8000N.m
区域系数2.5，弹性系数弹性系数表得到189.8，齿宽系数取0.45。

因大齿轮的许用齿面接触疲劳应力值较小，故将[]=627MPa代入
于是，
mm
=mm=135mm
取=140mm
取14，i2.2*14=30.8，取31
i=31/14=2.214
模数m=140/14=10mm，
取标准模数m=10mm，d1=m*z1=10*14=140mm
计算28.836°
68.1465°
R===145mm
（1-0.5*0.45）*140=108.5mm
3.1.4 精确计算计算载荷

2*6870/108.5=126.6KN
查使用系数表，1，查动载系数图1.15
齿轮传动啮合宽度0.45*145mm=65.25mm取b=70mm
查齿间载荷分配系数表，
126600/70N.mm=180N.mm>100N.mm

查齿向载荷分配系数表，
70/108.5=0.6，
=1*1.15*1.1*1.11=1.4
6870*1.4N.mm=9618N.mm
=2*9618/108.5KN=160KN
3.1.5 验证轮齿接触疲劳承载能力

=189.8*2.5
=611.75MPa<[]=627MPa[16]
轮齿接触疲劳承载能力足够
3.1.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力

由16
83
查外齿轮复合齿形系数图，
得4.1，3.95。70/145=0.48
于是，

= MPa
=165MPa<[]=432MPa

=MPa
=167MPa<[]=403.2MPa
齿轮弯曲疲劳承载能力足够
3.1.7 锥齿轮设计图和参数表

图3. 1 主动锥齿轮

图3. 2 从动锥齿轮

表3-1 锥齿轮基本参数
名称
计 算 公 式
小齿轮
大齿轮
模数m/mm
10
10
齿数z
14
31
压力角
20°
20°
锥顶角
28.88°
68.1465°
齿宽b/mm
70
70
大端分度圆直径d/mm
10*14=140
10*31=310
齿顶高
11.6
5.4
齿根高
7.28
13.48
齿全高h/mm
18.88
18.88
大端齿顶圆直径

10*14+2*10*157.5

10*31+2*10*317.4
大端齿根圆直径

10*14-2*10*122.5

10*31-2*10*302.5
锥距R/mm
R===145
齿顶角
arctan5.4/145=2.13°
齿根角
arctan13.48/145=5.31°
顶锥角
==
28.88°+2.13°
=31.01°
==
68.1465°+2.13°
=70.28°
根椎角
==28.88°-2.13°
=26.75°
==68.1465°-2.13°=66.2°
3.2 斜齿圆柱齿轮的设计与计算
3.2.1 选择材料和热处理方法确定许用应力
参考齿轮常用材料及热处理表，初选材料
小齿轮20CrMnTi，渗碳淬火，58~62HRC[17]
大齿轮20CrMnTi，表面淬火，58~62HRC
根据小齿轮的齿面硬度60HRC和大齿轮的齿面硬度60HRC，按轮齿接触疲劳应力极限图MQ线，查的齿面接触极限疲劳应力如下：
1500MPa
1500MPa
按齿根弯曲疲劳极限应力图MQ线，查的齿轮弯曲疲劳极限应力如下：
850MPa
850MPa
取接触寿命系数Zn3=0.9，Zn4=1，
取弯曲寿命系数Yn3=0.87，Yn4=0.9
取安全系数如下：
1.0 1.25
于是，
[]=1350MPa
[]=1500MPa
[]=1044MPa
[]=1080MPa
3.2.2 分析失效，确定设计准则。
轨道车车轴齿轮箱的齿轮是在封闭的箱体内运动的，属于闭式传动，且为硬齿面齿轮，最大可能失效是齿根疲劳折断，也可能发生齿面疲劳。因此，本设计按轮齿的弯曲疲劳承载能力进行设计，确定主要参数，再验证齿面接触疲劳承载能力。
3.2.3 按轮齿的弯曲疲劳承载能力计算齿轮主要参数
设计式为
确定计算载荷
小齿轮转矩=6870*2.2牛米=15000牛米

查齿轮传动载荷系数表，考虑本齿轮传动为斜齿圆柱齿轮传动，综合考虑各种因素。取载荷系数为K=1.2
=1.2*15000牛米=18000牛米
查齿宽系数表，取1.1
5.34/2.2=2.4
初选17，42，
42/17=2.47，11°
°=17.97
°=44.4
查外齿轮复合齿形系数表，两轮的复合齿形系数为
4.1，4.2
由于4.1/1044=0.0039<4.2/1080=0.00391
将齿轮4参数代入计算
于是，
=mm
=9.2mm
取标准模数10mm，则

=mm=300.52mm
取中心距a=300mm
则=arccos0.981764705
=10.56°
3.2.4 精确确定计算载荷。

K=1.2
=172.9mm
齿轮传动啮合宽度
1.1*172.9/2mm=95.1mm
考虑在选取模数时，加大了模数，取齿宽时可适当的减小，
取b=95mm
=1.2*15000牛米=18000牛米
kN=208kN
3.2.5 验算轮齿接触疲劳承载能力

查区域系数图，标准齿轮2.45;查弹性系数表189.8；
=0.97；
因为大齿轮的许用齿面疲劳接触应力值较小，
故将[]=1500MPa代入，于是

=MPa
=1220MPa
齿面接触疲劳强度足够。
3.2.6 验证轮齿弯曲疲劳承载能力

=0.55
查螺旋角系数表

MPa
=772MPa<[]=1044MPa
MPa
=743.7<[]=1080MPa
轮齿弯曲疲劳承载能力足够
3.2.7 斜齿轮传动设计图与几何参数表

图3. 3 主动斜齿轮

图3. 4 从动斜齿轮

表3-2 斜齿轮基本参数
名称
计 算 公 式
小齿轮
大齿轮
法向模数/mm
10
10
法向压力角
20°
20°
螺旋角
10.56°
10.56°
齿宽b/mm
95
95
分度圆直径d/mm

=
=173

=
=417
齿顶高
14.25
5.57
齿根高
8.25
16.77
齿全高h/mm
22.5
22.34
齿顶圆直径
173+2*14.25
=201.1
417+2*5.57
=428.5
齿根圆直径
173-2*8.25
=156.5

417-2*16.77=383.46
顶隙c/mm
=2.5
标准中心距a/mm
=mm=300mm
节圆直径/mm
=173
=417
传动比i
i=42/17=2.47
4轴的设计与校核
4.1 输入轴的设计与校核
4.1.1 轴的直径设计
由于轨道车传动过程中，扭矩很大。因此按按扭转强度条件设计轴的直径大小。
根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为

式中为扭转切应力，单位MPa，T为轴所受的转矩，单位牛米，为轴的抗扭截面系数，d为计算截面处的轴的直径，单位是mm；[]为许用抗扭切应力MPa，
由上式可得轴的直径

T=6874牛米
[]查轴常用材料的[]值表
取[]=45MPa
得
=89mm
取d=90mm
即与齿轮轮毂配合处轴的直径是90mm
4.1.2 计算轴上受力
压力角20°
锥顶角28.836°
转矩6874牛米
（1-0.5*0.45）*140=108.5mm
圆周力=2*6870/108.5=126.6KN
径向力=126.6*tan20°cos°
=40kN
轴向力=126.6*tan20sin°
=22kN
4.1.3确定危险点
由于在轴承支撑处所受弯矩最大，因此危险应力点应该在轴承支撑处。
由于小锥齿轮的齿全高为18.88mm，齿根高为7.28mm，因此设计时，让锥齿轮距箱体距离为30mm。即锥齿轮与轴承的距离为30mm
由于齿轮的圆周力和径向力产生的合力为
F1==kN
=132kN
在轴承支撑处产生的弯矩为
M1=F1*30mm=3960牛米
4.1.4 计算当量弯矩
=
在这里，取=0.6，=0.6*6870牛米=4122牛米
则，轴承处的最大当量弯矩为

=牛米
=5716牛米
4.1.5选择轴的材料确定许用应力并校核强度
轴材料选用45钢，调质，查轴的常用材料及其力学性能表，得

取轴承支撑处为危险截面，则此截面的强度条件为

=51.1MPa<
结论：按扭转合成强度校核小齿轮轴的强度足够安全
4.2中间轴的设计与校核
4.2.1 轴的尺寸设计
首先确定齿轮轮毂处轴的直径
由于轨道车传动过程中，扭矩很大。因此按按扭转强度条件设计轴的直径大小。
根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为

式中为扭转切应力，单位MPa，T为轴所受的转矩，单位牛米，为轴的抗扭截面系数，d为计算截面处的轴的直径，单位是mm；[]为许用抗扭切应力MPa，
由上式可得轴的直径

牛米
牛米=12098牛米
[]查轴常用材料的[]值表
取[]=45MPa
得
=78mm
取d=80mm
即与小斜齿轮轮毂配合处轴的直径是80mm
以下确定轴的长度
因为中间轴上安装有大锥齿轮和小斜齿轮
小锥齿轮，
大端齿顶圆直径
10*14+2*10*157.5
大锥齿轮，
10*31+2*10*317.4
齿顶高5.4mm
齿根高13.48mm
齿全高18.88mm
小斜齿轮，
齿宽b=70mm
大斜齿轮
齿宽b=70mm
综合考虑各种因素
设计中间轴的长度为l=350mm
两齿轮间相距250mm，齿轮距齿轮箱壁相距各50mm
4.2.2 计算轴上受力
大锥齿轮
因为大锥齿轮上受力和小锥齿轮上受力是作用力与反作用力。因此和小锥齿轮的受力大小相等，方向相反。
（1-0.5*0.45）*140=108.5mm
圆周力=2*6870/108.5=126.6KN
径向力=126.6*tan20°cos
=40.3kN
轴向力=126.6*tan20sin
=22kN
小斜齿轮
小斜齿圆柱齿轮螺旋角10.56°
小齿轮直径=173mm
小斜齿圆柱齿轮受力
转矩牛米=12098牛米
圆周力143.6kN
径向力54.3kN
轴向力143.6tan10.56°=40.9kN
由此，可以得出小齿轮轴的受力
4.2.3 确定危险截面并计算合成弯矩
由于中间轴既受到轴向力圆周力等产生的弯矩作用，又受到扭矩的作用，因此受力实际上很复杂。在分析时，我们选择两个齿轮所在截面为危险截面进行分析。校核这两个截面的强度，如果满足要求，则轴的设计就认为合理。
计算支撑反力

=
=-8.4kN

=8.4-15+54.3=47.7kN
=26.3kN
=69.6kN
大锥齿轮中间处左侧弯矩为
=420牛米
大锥齿轮中间处右侧弯矩为
=8.4*50-8.5*175=-1067.5kN
大椎齿轮中间处的垂直弯矩为
=26.3*50=1315牛米
小斜齿轮中间处右侧弯矩为
=47.7*50=2385牛米
小斜齿轮中间处左侧弯矩为
=3885+40.9*84.22=444牛米
小斜齿轮中间处垂直弯矩为
=69.6*50=3480kN
从而可以看出最大危险截面出现在小斜齿轮中间处右侧
==4218牛米
4.2.4 计算当量弯矩
按下式求当量弯矩
=
在这里，取=0.6，=0.6*12098牛米=7258牛米
则，轴承处的最大当量弯矩为

=牛米
=8394牛