课程设计齿轮传动的设计与制作.docx
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课程设计齿轮传动的设计与制作
《机械基础》课程设计任务书
班级
机电4班
学生姓名
指导教师
课程设计题目
齿轮传动的设计与制作
主要
设计
内容
1.装配图、零件图的绘制
2.设计计算说明书的编写
3.齿轮的选择与校核
4.齿轮传动设计计算
5.齿轮运动参数计算
主要
技术指标
和设
计要
求
1．设计指标
1时间以12小时为一个周期；
2工作时有中等冲击，单向传动
3使用期限为10年
4传递功率P=4KW
5主动小齿轮的转速n1=1200r/min,传动比i=6
2．设计要求
1画出机械图
2零件及参数选择；
3校正结果
3．制作要求自行装配，并能发现问题和解决问题。
4．编写设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
主要
参考
资料
及文
献
1.机械基础齿轮传动章节
2.机械制图手册齿轮传动章节
3.齿轮装配章节
目录
一、设计任务书··············································1
二、概述····················································2
2.1齿轮传动的特点和应用····································4
2.2齿轮传动的类型··········································7
2.3齿廓啮合基本定律·······································10
三、原始数据及设计要求······································11
四、设计过程················································12
4.1选择精度等级·············································13
4.2选择材料与热处理及确定齿轮硬度···························13
4.3确定设计公式及校核公式···································13
4.4计算过程·················································14
4.5确定主要参数·············································15
4.6校核接触疲劳强度·········································15
4.7计算圆周速度···········································16
4.8结构设计及齿轮零件图·····································17
五、设计小结·················································17
二、概述
2.1齿轮传动的特点和应用
齿轮传动是应用极为广泛的传动形式之一。
特点：
能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳、可靠，效率高，寿命长，结构紧凑，传动速度和功率范围广。
但需要专门设备制造，加工精度和安装精度较高，且不适宜远距离传动。
2.2齿轮传动的类型
齿轮传动的类型很多，按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动或空间运动，可将其分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类
齿轮传动的类型
齿
轮
传
动
平面齿轮运动
（传递平行轴间的运动）
直齿圆柱齿轮传动
（轮齿与轴平行）
外啮合
内啮合
齿轮齿条
斜齿圆柱齿轮传动
（轮齿与轴不平行）
外啮合
内啮合
齿轮齿条
人字齿轮传动（轮齿成人字形）
空间齿轮运动
（传递不平行轴间的运动）
传递相交轴运动
（锥齿轮传动）
直齿
斜齿
传递交错轴运动
交错轴斜齿轮传动
蜗轮蜗杆传动
准双曲面齿轮传动
2.3齿廓啮合基本定律
齿轮传动要求准确平稳，即要求在传动过程中，瞬时传动比保持不变，以免产生冲击、振动和噪音。
不论齿廓在任何点接触，过接触点所作两齿廓的公法线必须与连心线交于一固定点，这就是齿廓啮合基本定律。
三、原始数据及设计要求
设计用于某减速器的一级直齿圆柱齿轮的齿轮传动，传递功率P=4KW，主动小齿轮的转速n1=1200r/min,传动比i=6，工作时有中等冲击，单向传动，两班制，使用10年。
设计过程
四、设计过程和结果如下所示：
4.1选择精度等级
该机械时一般工程机械，速度不是太高，故用6级精度。
4.2选择材料与热处理及确定齿轮硬度
制造齿轮的材料主要时各种钢材，其次是铸铁，还有其它非金属材料。
（1）钢
钢材可分为锻钢和铸钢两类，只有尺寸较大（d＞400～600），结构形状复杂的齿轮宜用铸钢外，一般都用锻钢制造齿轮。
软齿面齿轮多经调质或正火处理后切齿，常用45、45Cr等。
因齿面硬度不高，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。
由于在啮合过程中，小齿轮的轮齿接触次数比大齿轮多。
因此，若两齿轮的材料和齿面硬度都相同时，则一般小齿轮的寿命较短。
为了使大小齿轮的寿命接近，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高出30～50HBS。
对于高速、重载或重要的齿轮传动可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。
（2）铸铁
由于铸铁的抗弯和耐冲击性能都比较差，因此主要用于制造低速、不重要的形式传动、功率不大的齿轮。
常用材料有HT250、HT300等。
（3）非金属材料
对于高速、重载而又要求低噪音的齿轮传动，也可采用非金属材料，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。
表6—4常用的齿轮材料，热处理硬度和应用举例
材料
牌号
热处理方法
硬度
应用举例
齿芯HBS或齿面HRC
优质碳素钢
35
正火
150~180
低速轻载的齿轮或中速中载的大齿轮
45
162~217
50
180~220
45
调制
217~255
合金钢
35SiMn
217~269
40Cr
241~286
优质碳素钢
35
表面淬火
180~210
40~45
高速中载、无剧烈冲击的齿轮。
45
217~255
40~50
合金钢
40Cr
241~286
42~55
20Cr
渗碳淬火
56~62
高速中载、承受冲击载荷的齿轮
20CrMnTi
56~62
38CrMoAIA
氮化
>850HV
载荷平稳、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。
HT300
187~255
常用的热处理方法与化学方法包括表面淬火、渗碳淬火、调制、正火、渗碳。
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，可不磨齿硬度可达52~56HRC面硬芯软，能承受一定冲击载荷。
调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35MnTi等调质处理后吃面硬度为220~260HBS.，因为硬度不高。
故可以在热处理后经切齿型，且在使用中易于饱和。
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。
由于该齿轮工作在高速中等冲击载荷下，为了能达到要求并根据上述知识，采用硬齿面，大、小齿轮均用45钢、表面淬火处理，齿芯硬度：
220~260HBS，齿面硬度：
40~50HRC。
4.3确定设计公式及校核公式
该齿轮传动为闭式硬齿面，具有一定的齿面抗点蚀能力，主要失效形式是齿根折断，故按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。
设计公式为：
渗碳淬火因渗碳钢量0.15~0.25%的低碳钢和地毯合金钢如20、20等。
吃面硬度达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。
校核公式为：
4.4计算过程
（1）齿数z
对于软吃面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，一般取z1=20~40.因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的平稳性。
对于硬齿面的齿轮传动，首先应具有足够大的模数以保证齿根弯曲疲劳强度，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。
根据设计要求取z1=18，z2=iz1=6×18=108。
（2）载荷系数K，按表6－5取K=1.5
表6－5载荷系数K
载荷状态
工作机器
原动机：
电动机、内燃机、燃气轮机
往复式发动机
多缸
单缸
均匀轻微冲击
运输机、轻、中型的卷扬机、起重机、发电机鼓风机
1
1.25
1.5
中、小冲击
重型运输机、卷相机、起重机、混泥土搅拌机、机床主传动
1.25
1.5
1.75
较大冲击
碎矿机、特重型起重机、轧钢机、锻压机
1.75
≥2
2.25
（3）转矩T1=9.55×106×P1/n1
=9.55×106×10/1200
=79583.3N·mm
（4）弯曲疲劳许用应力
按齿面硬度中间值查图6-18得，
σFlim1=310MPa,σFlim2=300MPa
图6-18齿轮材料的σFlim
按一年工作300天计算，应力循环次数，
N1=60njLh
=60×1200×1×10×300×16
=3.456×109
N2=N1/i=3.456×109/6=5.76×108
由图6-20得弯曲疲劳寿命系数
YN1=0.86，YN2=0.9
图6-20弯曲疲劳寿命系数YN
按一般可靠性要求，取SF=1,则
[σFl]=
=
=266.6
[σF2]=
=
=270
表6—24齿形系数
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
∞
YFa
2.52
2.45
2.40
2.35
2.32
2.28
2.24
2.22
2.20
2.18
2.14
2.12
2.06
YSa
1.625
1.65
1.67
1.68
1.70
1.73
1.75
1.77
1.78
1.79
1.83
1.865
1.97
查表6—24得
YFa1=2.91,YSa1=1.53
YFa2=2.20,YSa2=1.78
由公式
和
得
=
=59.88
=
=68.95
取其中的较小者。
（5）计算齿轮的模数
查表6—7按齿轮相对轴承对称布置取φd=0.6
表6—7齿宽系数φd
将以上数据代入下式，得
=
=2.7372
表6—23
由上表选取m=3mm
4.5确定主要参数
（1）齿数z1=18,z2=108。
（2）分度圆直径d1=mz1=3×18=54mm
d2=mz2=3×108=324mm
（3）齿顶圆直径da1=d1+2m=54+6=60mm
da2=d2+2m=324+6=330mm
（4）齿根圆直径df1=d1-2.5m=54-7.5=46.5mm
df2=d2-2.5m=324-7.5=316.5mm
（5）中心距a=（d1+d2）/2=（54+324）/2=189mm
4.6校核接触疲劳强度
对于渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，其齿面接触疲劳强度的校核公式为：
式中：
“±”分别用于外啮合、内啮合齿轮；ZE为齿轮材料弹性系数，见表6—6；ZH为节点区域系数，标准直齿轮正确安装时ZH=2.5；[σH]为两齿轮中较小的许用接触应力。
U为齿数比，即大齿轮齿数与小齿轮齿数之比。
（1）接触疲劳强度许用应力
[
]=
图6—19齿轮材料的σHlim
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
∞
YFa
2.52
2.45
2.40
2.35
2.32
2.28
2.24
2.22
2.20
2.18
2.14
2.12
2.06
YSa
1.625
1.65
1.67
1.68
1.70
1.73
1.75
1.77
1.78
1.79
1.83
1.865
1.97
按齿面硬度中间值查图6—19得
σHlim1=1160MPa,σHlim2=1150MPa
由图6—21得接触疲劳寿命系数为
ZN1=0.9,Zn2=1.05
按一般可靠性要求，取接触疲劳安全系数为SH=1,则
[σHl]=
=
=1044
[σH2]=
=
=1207.5
图6—21接触疲劳寿命系数ZN
（2）校核计算
查表6—6，得
=189.8
表6—6齿轮材料弹性系数
=
=701.311＜[σHl]
故强度合适。
4.7计算圆周速度
=
=3.3912
因为V=3.3912<6m/s,
故取6级精度合适。
4.8结构设计及齿轮零件图
齿轮的结构形式主要与齿轮的尺寸大小、毛坯材料、加工工艺、使用要求及经济性等因素有关。
进行齿轮结构设计时，通常是先按齿轮动的直径大小选定合适的结构形式，再由经验公式确定有关尺寸，绘制零件工作图。
常用的齿轮结构形式有一下几种：
（1）齿轮轴
如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e2mt（锥齿轮e1.6m时），则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴.如图2—5
图2—5
（2）实体式齿轮
当齿轮的齿顶圆直径da≤200mm时，可采用实体式结构，这种齿轮常用锻钢制造。
如图2—6
图2—6
（3）腹板式齿轮
当齿轮的齿顶圆直径da=200～500mm时，可采用腹板式结构这种齿轮通常用锻钢制造，其各部分尺寸由经验公式确定。
如图2—7
图2—7
（4）轮辐式齿轮
当齿轮的齿顶圆直径da>500mm时，可采用轮辐式结构，这种结构的齿轮常采用铸钢或铸铁制造，其各部分尺寸由经验公式确定。
如图2—8
图2—8
（5）镶套式齿轮
大直径的齿轮,为节省材料,可采用镶套式齿圈。
如图2—9
图2—9
因为小齿轮的齿顶圆直径da=60mm<200mm，大齿轮齿顶圆直径da=276mm,在200～500mm之间，所以小齿轮采用实体式结构，大齿轮采用腹板式结构。
大、小齿轮的零件图如下图所示：
五、设计小结
课程设计体会
课程设计都需要刻苦耐劳，努力钻研的精神。
对于每一个事物都会有第一次的吧，而没一个第一次似乎都必须经历由感觉困难重重，挫折不断到一步一步克服，可能需要连续几个小时、十几个小时不停的工作进行攻关；最后出成果的瞬间是喜悦、是轻松、是舒了口气！
课程设计过程中出现的问题几乎都是过去所学的知识不牢固，许多计算方法、公式都忘光了，要不断的翻资料、看书，和同学们相互探讨。
虽然过程很辛苦，有时还会有放弃的念头，但始终坚持下来，完成了设计，而且学到了，应该是补回了许多以前没学好的知识，同时巩固了这些知识，提高了运用所学知识的能力。
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