初定中心距500mm
依据公式7—12计算带的近似长度L=1708.9mm
由表7-3选取Ld=1800mm,KL=1.01
5)确定实际中心距a=545.6mm
6)验算小带包角α1=1600
7)计算V带的根数Z。
由表7-8查得P0≈1.40,由表7-9查得Ka=0.95,由表7-10查得△P0=0.11,则V带的根数=1.52根
Z=PC/P’=PC/(P1+△P1)KLKa取Z=2
8)计算带宽B
B=(z-1)e+2f
B=35mm
4、高速级齿轮传动设计
高速级齿轮图如图4.1所示:
图4.1高速级齿轮图
4.1 选择材料、精度及参数
小齿轮:
45钢,调质,HB1=240
大齿轮:
45钢,正火,HB2=190
模数:
m=2
齿数:
z1=24
z2=96
齿数比:
u=z2/z1=96/24=4
精度等级:
选8级(GB10095-88)
齿宽系数Ψd:
Ψd=0.83(推荐取值:
0.8-1.4)
齿轮直径:
d1=mz1=48mm
d2=mz2=192mm
压力角:
a=200
齿顶高:
ha=m=2mm
齿根高:
hf=1.25m≈2.5mm
全齿高:
h=(ha+hf)=4.5mm
中心距:
a=m(z1+z2)/2=4.7244in
小齿轮宽:
b1=Ψd·d1=0.83×48=39.84mm
大齿轮宽:
根据《机械设计基础课程设计》P24,为保证全齿宽接触,通常使小齿轮较大齿轮宽,因此得:
b2=40mm
4.2 计算齿轮上的作用力
1)设高速轴为1,低速轴为2
圆周力:
Ft1=2T1/d=2200N
Ft2=2T/d=2058.3N
径向力:
Fr1=F1t·tana=800.7N
Fr2=F2t·tana=749.2N
轴向力为几乎为零
2齿轮许用应力[σ]H[σ]F及校验
ZH——节点齿合系数,对于标准直齿轮,an=20º,β=0,ZH=1.76
ZE——弹性系数,当两轮皆为钢制齿轮(μ=0.3,E1=E2=2.10x10N/mm2)时,ZE=271
Zε——重合系数,对于直齿轮,Zε=1
Kβ——载荷集中系数,由《精密机械设计》图8-38选取,kβ=1.08
Kv——动载荷系数,《精密机械设计》图8-39,kv=1.02
计算得σH=465.00N·mm-2
对应于NHO的齿面接触极限应力其值决定于齿轮齿轮材料及热处理条件,《精密机械设计》表8-10;NHO=2HBS+69=240x2+69=549N·mm-2。
SH——安全系数,于正火、调质、整体淬火的齿轮,去SH=1.1;
KHL——寿命系数
式中NHO:
循环基数,查《精密机械设计》图8-41,NHO=1.5x107;NH:
齿轮的应力循环次数,NH=60nt=60x376x60x8=1.08288x107;
取KHL=1.06
σF=529.04N·mm-2
σH=465.00N·mm-2≤σF=529.04N·mm-2
因此接触强度足够
允许用弯曲应力:
查表8-11(齿轮双面受载时的影响系数,单面取1,双面区0.7-0.8),(寿命系数)循环基数取4x106,循环次数=60nt=60x376x60x8=1.08288x107KFL=0.847≈1
计算得
σF=113.45N·mm-2
σF≤240N·mm-2
5、轴的设计计算
5.1轴的分类
根据轴的承载情况可分为转轴、心轴和传动轴三类。
只承受弯矩,不承受转矩的轴称为“心轴”;只承受转矩,不承受弯矩的轴称为“传动轴”;同时承受弯矩和转矩的轴称为“转轴”。
5.2轴设计的主要问题
在一般情况下,轴的工作能力决定于它的强度和刚度,对于机床主轴,后者尤为重要。
高速转轴则还决定于它的振动稳定性;在设计轴时,除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外,在结构设计上还须满足其他一系列的要求,例如:
1)多数轴上零件不允许在轴上作轴向移动,需要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置;2)为传递转矩,轴上零件还应作周向固定;3)对轴与其他零件(如滑动轴承、移动齿轮)间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求;4)轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性;5)对重型轴还须考虑毛坏制造、探伤
5.3轴类零件的重要性
轴类零件的主要作用是支承传动零件并传递动和动力,它们在工作时受多种应力的作用,因此从选材角度看,材料应有较高的综合机械性能.局部承受摩擦的部位如车床主轴的花键、曲轴轴颈等处,要求有一定的硬度,以提高其抗磨损能力。
要求以综合机械性能为主的一类结构零件的选材,还需根据其应力状态和负荷种类考虑材料的淬透性和抗疲劳性能。
实践证明,受交变应力的轴类零件、连杆螺栓等结构件,其损环形式不少是由于疲劳裂纹引起的。
下面以车床主轴、汽车半轴、内燃机曲轴、镗杆、大型人字齿轮轴等典型零件为例进行分析。
5.3.1机床主轴
1)在选选用机床主轴的材料和热处理工艺时,必须考虑以下几点:
①受力的大小。
不同类型的机床,工作条件有很大差别,如高速机床和精密机床主轴的工作条件与重型机床主轴的工作条件相比,无论在弯曲或扭转疲劳特性方面差别都很大。
② 轴承类型。
如在滑动轴承上工作时,轴颈需要有高的耐磨性。
③主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。
结构形状复杂的主轴在热处理时易变形甚至于开裂,因此在选材上应给予重视。
主轴是机床中主要进零件之一,其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。
因此必须根据主轴的工作条件和性能要求,选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。
2)机床主轴的工作条件如下:
①承受交变的弯曲应力与扭转应力,有时受到冲击载荷的作用;
②主轴大端内锥孔和锥度外圆,经常与卡盘、顶针有相对摩擦;
③花健部分经常有磕或相对滑动。
总之,该主轴是在滚动轴承中动转,承受中等负荷,转速中等,有装配精度要求,且受到一定的冲击力作用。
由此确定热处理技术条件如下:
①整体调质后硬度应为HB200-230,金相组织为回火索氏体;
②内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45-50,表面3-5㎜内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体;
③花键部分的硬度为HRC48-53,金相组同上。
3)选择用钢C616车床属于中速、中负荷、在滚动轴承中工作的机床,因此选用45钢是可以的。
过去此主轴曾采用45钢经正火处理后使用;后来为了提高其强度和韧性,在粗车后又增加了调质工序。
而且调质状态的疲劳强度比正火为高,这对提高主轴抗疲劳性能也是很重要的。
表5-1为45钢正火和调质后的机械性能比较。
表5-1
热处理
σb(MN/㎡)
σs(MN/㎡)
σ-1(MN/㎡)
调质
682
490
338
正火
600
340
260
4)主轴的工艺路线
下料→锻造→正火→粗加工(外圆留余4-5㎜)→调质→半精车外圆(留余2.5-3.5㎜),钻中心孔,精车外圆(留余0.6-0.7㎜,锥孔留余0.6-0.7㎜),铣键槽→局部淬火(锥孔及外锥体)→车定刀槽,粗磨外圆(留余0.4-0.5㎜),铣花键→花键淬火→精磨。
5)热处理工序的作用正火处理是为了得到合适和硬度(HB170-230),以便于机械加工,同时改善锻造组织,为调质处理作准备。
调质处理是为了使主轴得到高的综合机械性能和疲劳强度。
调质后硬度后硬度为HB200-230,组织为回火索氏体。
为了更好的发挥调质效果,将调质安排在粗加工后进行。
内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度,以保证装配精度和不易磨损。
6)热处理工艺调质淬火时由于主轴各部分的直径不同,应注意谈天问题。
调质后的变形虽然可以通过校直来修正,但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸稳定性是不利的。
为减小变形,应注意淬火操作方法。
可采取预冷淬火和控制水中冷水机却时间来减小变形。
花键部分可用高频淬火以减小变形和达到硬度要求。
经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经260-300℃回火,花键部分需经240-260℃回火,以消除淬火应力并达到规定的硬度值。
也有用球墨铸铁制造机床主轴的,如某厂用球墨铸铁的主轴淬火后硬度为HRC52-58,且变形量比45钢为小。
5.3.2汽车半轴
汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件。
半轴材料与其工作条件有关,中型载重汽车目前选用40Cr钢,而重型载汽车则选用性能更高的40CrMnMo钢。
1)汽车半轴的工作条件和性能要求以跃进型载重汽车(载重量为2500kg)的半轴为例。
汽车半轴是传递扭矩的一个重要部件。
汽车运行时,发动机输出的扭矩,经过多级变速和主动器传递给半轴,再由半轴传动车轮。
在上坡或启动时,扭矩很大,特别在紧急制动或行驶在不平坦的道路上,工作条件更为繁重。
因此半轴在工作时承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用,要求材料有足够的抗弯强度和较好的韧性。
硬度:
杆部HRC37-44;
盘部外圆:
HRC24-34。
金相组织:
回火索氏体或回火屈氏体。
弯曲度:
杆中部≯1.8㎜,盘都跳动≯2.00㎜。
2)选择用钢根据JB529-64汽车半轴技术条件规定,半轴材料可选用40Cr、40CrMo、40CrMnMo钢。
同时规定调质后的半轴其金相组织淬透层应呈回火索氏体或回火屈氏体,心部(从中心到花键底半径四分之三范围内)允许有铁素体存在。
根据上述技术条件,选用40Cr钢能满足要求。
同时应指出,从汽车的整体性能来看,设计半轴时所采取的安全系数是比较小的。
这是考虑到汽车超载运行而发生事故时,半轴首先破坏对保护后桥内的主动齿轮不受损坏是有利的。
从这一点出发,半轴又是一个易损件。
3)半轴的工艺路线
下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键4)热处理工艺分析锻造后正火,硬度为HB1