齿轮传动毕业设计.doc

江苏畜牧兽医职业技术学院论文（设计）毕业论文（设计）齿轮传动的设计课题名称 齿轮传动的设计 _系 别 机电工程系 _专 业 机电一体化 班 级 高专机电091班 _姓 名 王国平 学号200906053102 _指导老师 刘蕴青 摘要齿轮传动是应用极为广泛和特别重要的一种机械传动形式，它可以用来在空间的任意轴之间传递运动和动力，目前齿轮传动装置正逐步向小型化，高速化，低噪声，高可靠性和硬齿面技术方向发展，齿轮传动具有传动平稳可靠，传动效率高（一般可以达到94%以上，精度较高的圆柱齿轮副可以达到99%），传递功率范围广（可以从仪表中齿轮微小功率的传动到大型动力机械几万千瓦功率的传动）速度范围广（齿轮的圆周速度可以从0.1m/s到200m/s或更高，转速可以从1r/min到20000r/min或更高），结构紧凑，维护方便等优点。因此，它在各种机械设备和仪器仪表。关键词：键 ; 轴 ; 啮合 ; 直齿圆柱齿轮 ; 减速器AbstractGear is the application of a wide range of important and special form of a mechanical transmission, which can be used to the arbitrary axis in the space between the movement and power transmission, gear device is gradually to the small, high-speed, low noise, high reliability Hardened and technical direction of transmission gear is smooth and reliable, high transmission efficiency (generally above 94% can be achieved, the higher the accuracy of cylindrical gear can be achieved 99%), a wide range of power transmission (gear can be Instrument Micro power transmission to large-scale power plant tens of thousands of kilowatts of power transmission) wide speed range (the circumferential speed gear from 0.1 m / s to 200 m / s or higher, speed can be an r / min to 20000 r / min or higher ), compact structure, the advantages of easy maintenance. Therefore, in the machinery and equipment and instrumentation.KEY WORD：Key Shaft Smesh Spur Gear Reducer目录绪论.1第一章 齿轮传动的类型及特点.1第二章 渐开线的形成和基本性质.2第三章 渐开线标准直齿圆柱齿轮的参数及几何尺寸.3第四章 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动.4第五章 变位齿轮传动简介.8第六章 齿轮的失效形式与设计准则.9第七章 齿轮传动的润滑与维护.10总结.11参考文献.11绪论 本论文主要叙述了传动系统中的齿轮传动。总共包括可八个部分，第一部分是齿轮传动的类型及特点；第二部分是渐开线的形成及性质；第三部分是渐开线标准直齿圆柱齿轮的参数及几何尺寸；第四部分是渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动；第五部分是齿轮的失效形式与设计准则；第六部分是齿轮的常用材料及选择；第七部分是一级圆柱齿轮减速器的设计；第八部分是齿轮传动的润滑与维护。齿轮传动是现代机械中应用极为广泛和特别重要的一种机械传动形式它的主要优点是： 瞬时传动比恒定、工作平稳、传动准确可靠可传递空间任意两轴之间的运动和动力； 适用的功率和速度范围广； 传动效率高，=0.92-0.98； 工作可靠、使用寿命长； 外轮廓尺寸小、结构紧凑。 本论文中的实例主要讲述了带式运输机的传动装置一级圆柱齿轮减速器的设计过程。首先进行了传动方案的评述，选择齿轮减速器作为传动装置，然后进行减速器的设计计算（包括选择电动机、设计齿轮传动、轴的结构设计、选择并验算滚动轴承、选择并验算联轴器、校核平键联接、选择齿轮传动和轴承的润滑方式九部分内容）。 减速器具有很大的发展前景和意义。国内减速器现状，国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内使用的大型减速器（500kw以上），多从国外（如丹麦、德国等）进口，花去不少的外汇。60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点。但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于40kw。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。90年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率/体积（或重量）比值仍小。且其输入轴与输出轴不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。北京理工大学研制成功的内平动齿轮减速器不仅具有三环减速器的优点外，还有着大的功率/重量（或体积）比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。国内有少数高等学校和厂矿企业对平动齿轮传动中的某些原理做些研究工作，发表过一些研究论文，在利用摆线齿轮作平动减速器开展了一些工作。第一章 齿轮传动的类型及特点 1.1 齿轮传动的类型 齿轮传动类型很多，按两轮轴线的相对位置和齿向可分为如图表格所示几类。 齿轮传动平面齿轮传动直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动人字齿传动齿轮条传动空间齿轮传动相交轴齿轮传动直齿锥齿轮传动斜齿轮传动曲线齿锥齿轮传动交错轴齿轮传动交错轴斜齿轮传动蜗轮蜗杆传动准双曲面齿轮传动 按照轮齿齿廓曲线的形状，可以将齿轮传动分为渐开线齿轮传动、圆弧齿轮传动和摆线齿轮传动等。 按照工作条件的不同，可以将齿轮传动分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动1.2 齿轮传动的特点 齿轮传动主要有以下几点优点：（1) 适用的圆周速率和功率范围广，效率高；（2) 能保证瞬时传动比恒定；（3) 工作可靠且寿命长；（4) 可以传递空间任意两轴之间的运动及动力。 齿轮传动的主要缺点如下: (1)制造、安装精度要求较高，故成本高；（2）精度低时噪音大，是机器的主要噪声源之一；（3）不宜用作轴间距过大的两轴之间的传动（4）无过载保护； (5)需专门的加工设备。第二章 渐开线的形成和基本性质 2.1渐开线的形成和性质 如图5.2.1-1所示，一条直线（称为发生线(generating line)）沿着半径为rb的圆周（称为基圆(base circle)）作纯滚动时，直线上任意点K的轨迹称为该圆的渐开线(involute)。 由渐开线的形成(construction of an involute)过程可知它具有以下特性：相应于发生线和基圆上滚过的长度相等，即,即为渐开线在K点的法线。渐开线上各点的曲率半径不同，离基圆越远，其曲率半径越大，渐开线越平直。渐开线上任意一点的法线必切于基圆。渐开线的形状取决于基圆半径的大小。基圆半径越大，渐开线越趋平直。基圆以内无渐开线。第三章 渐开线标准直齿圆柱齿轮的参数及几何尺寸3.1直齿圆柱齿轮各部分的名称和符号 由齿轮类型可知，直齿圆柱齿轮包含有圆柱外齿轮(external gear)、圆柱内齿轮(internal gear)以及齿条。其中圆柱外齿轮及其啮合传动最为广泛，也是本章讨论的重点。为简便起见，以下就将“外”字去除，简称齿轮和齿轮啮合传动。图5.3.1-1所示为齿轮的一部分，由于齿轮沿其宽度B方向的剖面形状都相同，因此只需从其端面形状来讨论齿轮的各部分名称及尺寸计算。常见的各部分名称是：(1).齿顶圆(addendum circle)过所有轮齿顶端的圆，其半径用ra表示。(2).齿根圆(dedendum circle)过所有齿槽底部的圆，其半径用rf表示。(3).基圆(base circle)形成渐开线齿廓的圆，其半径用rb表示。(4).分度圆(standard pitch circle)位于轮齿的中部，是设计、制造的基准圆，其半径用r表示。(5).齿顶高(addendum)齿顶圆与分度圆之间的径向距离，其长度用ha表示。(6).齿根高(dedendum)齿根圆与分度圆之间的径向距离，其长度用hf表示。(7).全齿高齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，其长度用h表示，且h=ha+hf。(8).齿厚(tooth thickness)每个轮齿在某一个圆上的圆周弧长。不同圆周上的齿厚不同，在半径为rk的圆上，齿厚用sk表示；在半径为r的分度圆上，齿厚用s表示。(9).齿槽宽(tooth space)相邻两个齿间在某一个圆上的齿槽的圆周弧长。不同圆周上的齿槽宽不同，在半径为rk的圆上，齿槽宽用ek表示；在半径为r的分度圆上，齿槽宽用e表示。(10).齿距(circular pitch)（或称周节）相邻两个轮齿同侧齿廓之间在某一个圆上对应点的的圆周弧长。不同圆周上的齿距不同，在半径为rk的圆上，齿距用pk表示，显然有pk=sk+ek；在半径为r的分度圆上，齿距用p表示，同样p=s+e。若为标准齿轮，则有s=e=。(11).法向齿距(norm base pitch)相邻两个轮齿同侧齿廓之间在法线方向上的距离，用pn表示。由渐开线特性可知：pn=pb（基圆齿距）。图5.3.1-13.2标准直齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸计算1、标准直齿圆柱齿轮的基本参数标准直齿圆柱齿轮的基本参数如下（1) 模数 设齿轮的齿数为z，为计算分度圆半径r，则有 则 所以由上面公式可知 ，当z一定时，齿距p的大小能说明齿轮的大小。此外由p的大小还可以对轮齿的厚薄有一粗略的了解。可见分度圆齿距p是齿轮参数中比较有代表性的参数。但是由式(5.3.2-1)来计算r或p都会涉及无理数p，为避免此情况，工程中引入一个新参数，称为模数(modul)（单位为mm），作为设计、制造的基本参数，并将其标准化，其标准值见表3.2-1。表标3.2-1 准模数系列第一系列0.1， 0.12， 0.15， 0.2， 0.25， 0.3， 0.4， 0.5， 0.6， 0.8，1， 1.25， 1.5， 2， 2.5， 3， 4， 5， 6， 8，10， 12， 16， 20， 25， 32， 40， 50第二系列0.35， 0.7， 0.9， 1.75， 2.25， 2.75，(3.25)， 3.5， (3.75)，4.5， 5.5， (6.5)， 7， 9， (11)， 14， 18， 22， 28， (30)， 36， 45（2） 压力角 如前所说，齿轮轮廓上各点的压力角不一样。为了便于设计、制造和互换使用，将分度圆上的压力角规定为标准值。我国标准规定a=20。此外，有些国家也采用14.5、15等标准值。分度圆上的压力角就是通常所说的齿轮的压力角。而对于齿条，由于齿廓上各点的法线是平行的，而且在传动时齿条做平动，齿廓上各点的速度的大小和方向都一致，所以齿条齿廓上各点的压力角均相同，且等于齿廓的倾斜角（取标准值20),也称为齿形角。(3） 齿数 齿数不但影响齿轮的几何尺寸，而且影响齿廓曲线的形状。由公式db=dcosa=mzcosa，可见只有m、z、a都确定了，齿轮的基圆直径db才能确定，同时渐开线的形状才能确定，所以m、z、a是决定轮齿渐开线形状的三个基本参数。当m、a不变时，z越大，基圆越大渐开线越平直。(4) 齿顶高系数ha*和顶隙系数c* 齿轮的齿顶高、齿根高都与模数m成正比， 即ha=ha*.m hf=（ha*+c*）m h=(2ha*+c*)m式中，ha*为齿顶高系数，c*为顶隙系数。国家标准规定：对于正常齿制，ha*=1，c*=0.25；对于短齿制，ha*=0.8，c*=0.3.2、标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 现将其主要公式列于下表中第4章 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动4.1、渐开线齿廓啮合特性1、瞬时传动比恒定 由渐开线性质（2）可知，过啮合点k所作的两齿廓的公法线必同时与两轮的基圆相切，齿轮传动时，两轮在过啮合点k的公法线上的速度必须相等，所以vk1cosak1=vk2cosak2即w1O1Kcosaak1=w2O2Kcosak2于是该瞬时传动比为i=w1/w2=rb2/rb1=常数（7-8） 由于基圆半径不变，且k为任意一点，所以渐开线齿廓在任意点k啮合时，两轮的瞬时传动比都等于基圆半径的反比，故瞬时传动比恒定。 注意：节圆是一对齿轮传动时出现了节点以后才存在的，单个齿轮不存在节点，也就不存在节圆。而且如果两轮的中心O1、O2发生改变，两轮的节圆大小也将随之改变。 齿轮传动中，齿廓在除节点外的其他点上，沿公切线上的分速度并不相等，故两齿廓沿切向必将产生相对滑动，且啮合点k离节点越远，滑动速度越大。2、中心距可分性 由式(7-8)可知，渐开线齿轮的传动比等于两轮基圆半径的反比。 齿轮在加工完成后，基圆半径就确定了。当两轮的中心距由于制造、安装的误差以及在运转过程中轴的变形、轴承的磨损等原因，使得实际值与设计值有所偏差时，也不会改变传动比。渐开线齿轮传动的这一特性称为中心距可分性。它为齿轮的设计，制造和安装带来很大方便，也是渐开线齿轮传动得到广泛应用的重要原因。 中心距变化后，两轮的节圆半径也随之变化，但它们的比值将保持不变。4.2、渐开线直齿圆柱齿轮的啮合过程和正确啮合条件1、啮合过程 图中B2点 是从动轮2齿顶圆与啮合线N1N2的交点，是一对轮齿啮合的起始点。随着啮合传动的进行，两齿廓的啮合点沿着啮合线移动，直到 主动轮1的齿顶圆与啮合线的交点B1时，两轮齿即将脱离接触，B1点为轮齿啮合的终止点。 从一对轮齿的啮合过程来看，啮合点实际走过的轨迹只是啮合线上的一段，即，称为实际啮合线。 当两轮齿顶圆加大时，点B2和B1将分别趋近于点N1和N2，实际啮合线将加长，但因基圆内无渐开线，所以实际啮合线不会超过N1N2，即N1N2是理论啮合线，称为理论啮合线。2、正确啮合条件 三个图中的齿轮都是渐开线齿轮，但 图1和图2中的主动轮只能带动从动轮转过一个小角度就卡死不能动了，而图3中的主动轮可以带动从动轮整周转动，看来并不是任意两个渐开线齿轮都能正确地进行啮合，而是必须满足一定的条件，即正确啮合条件。那么，这个条件是什么？ 从图3中可以看出：两个渐开线齿轮在啮合过程中，参加啮合的轮齿的工作一侧齿廓的啮合点都在啮合线N1N2上。而在 图1和图2中，工作一侧齿廓的啮合点H不在啮合线N1N2上，这就是两轮卡死的原因。 从图3中可以看出 是齿轮1的法向齿矩，是齿轮2的法向齿矩 ，亦即: 这个式子就是一对相啮合齿轮的轮齿分布要满足的几何条件,称为正确啮合条件。 由渐开线性质可知，法向齿距与基圆齿距相等，故上式也可写成 将和代入式中得： 由于模数m和压力角均已标准化，不能任意选取，所以要满足上式必须使： 结论：一对渐开线齿轮，在模数和压力角取标准值的情况下，只要它们分度圆上的模数和压力角相等。4.3、渐开线连续传动条件及重合度 1.轮齿啮合过程 图中B2点 是从动轮2齿顶圆与啮合线N1N2的交点，是一对轮齿啮合的起始点。随着啮合传动的进行，两齿廓的啮合点沿着啮合线移动，直到 主动轮1的齿顶圆与啮合线的交点B1时，两轮齿即将脱离接触，B1点为轮齿啮合的终止点。 从一对轮齿的啮合过程来看，啮合点实际走过的轨迹只是啮合线上的一段，即，称为实际啮合线。 当两轮齿顶圆加大时，点B2和B1将分别趋近于点N1和N2，实际啮合线将加长，但因基圆内无渐开线，所以实际啮合线不会超过N1N2，即N1N2是理论啮合线，称为理论啮合线。 从动画中可以看出，在两轮轮齿的啮合过程中，并非全部渐开线齿廓都参加工作，而是图中阴影线所示的部分。实际参与啮合的这段齿廓称为齿廓工作段。 2.连续传动条件从图中可以看出，虽然一对渐开线齿轮的法向齿距相等，但是，当前一对轮齿在点B1脱离啮合时，后一对轮齿尚未进入啮合，传动中断。 若 ，当前一对轮齿在B1点即将脱离啮合时，后一对轮齿正好在B2点啮合，传动刚好连续，在传动过程中，始终有一对轮齿啮合。若，当前一对轮齿尚未脱离啮合时，后一对轮齿已进入啮合，确保了传动的连续性。在传动过程中，有时是一对轮齿啮合，有时是两对轮齿啮合。 则齿轮连续传动的条件：实际啮合线的长度大于或至少等于法向齿距。我们把与的比值用 表示， 称为齿轮传动的重合度，故齿轮连续传动的条件为： 齿轮传动的重合度越大，就意味着同时参与啮合的轮齿越多。这样，每对轮齿的受载就小，因而也就提高了齿轮传动的承载能力。故 是衡量齿轮传动质量的指标之一。第5章 变位齿轮传动简介5.1变位齿轮 前面讨论的都是渐开线标准齿轮。它们设计简单，互换性好，有许多优点，因而广泛应用。但随着生产的发展，对齿轮传动性能的要求日益提高，标准齿轮暴露出许多不足。例如：(1) 结构不够紧凑。因受根切限制，齿数不得小于zmin，这就限制了齿轮结构尺寸不能太小。(2) 难以凑配中心距。因标准中心距为a=m/2（z1+z2），当实际中心距aa时，根本无法安装；而当aa时，虽然能安装，但将产生较大的齿侧间隙，必将产生冲击和噪声。而且重合度也要降低，影响传动的平稳性。(3) 承载能力较低。一对标准齿轮传动时，小齿轮的齿根厚度小，而啮合次数又较多，故在相同条件下，小齿轮比大齿轮容易破坏。因此，大齿轮轮齿抗弯能力不能充分发挥出来，达不到等强度的要求，限制了大齿轮的承载能力。 采用变位齿轮可以弥补上述标准齿轮的不足。2、 变位齿轮传动的类型 按照相互啮合的两齿轮的变位系数之和x1+x2值的不同，变位齿轮传动可分为三种基本类型，标准齿轮传动可看做是零变位传动的特例。 变位齿轮传动的类型及性能比较见下表。 传动类型高度变位齿轮传动角度变位齿轮传动正传动负传动齿数条件Z1+Z22ZminZ1+Z22Zmin）Z1+Z22Zmin变位系数要求X1=-X2,X1+X2=0X1+X20X1+X2aaa主要优点小齿轮取正变位，允许Z1a的中心距要求重合度略有提高，满足aa的中心距要求主要缺点互换性差，小齿轮齿顶易变尖，重合度略有下降互换性差，齿顶变尖，重合度下降较多互换性差，抗弯强度和接触强度下降，轮齿磨损加剧第六章 齿轮的失效形式与设计准则6.1 齿轮的失效形式在研究齿轮强度时，必须了解齿轮传动的失效形式，分析产生失效的主要原因，然后确定齿轮强度的计算方法。1、 轮齿折断轮齿可简化为悬臂梁，受到载荷作用后，齿根处产生的弯曲应力最大，并且由齿根圆角和切削刀痕等会引起应力集中，如果弯曲应力超过了齿根弯曲疲劳极限，在多次重复载荷作用下，齿跟圆角处会产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大导致疲劳断齿，这种折断为疲劳折断。当轮齿受到意外的冲击和短时过载时，往往会发生突然折段，称为过载折断。这种情况特别是在轮齿材料较脆和模数较小时容易发生。为了防止轮齿弯曲疲劳折断，应对轮齿进行弯曲疲劳计算。此外，采用增大齿根过渡圆半径、提高齿面加工精度等工艺措施，也能提高齿轮抗弯曲疲劳能力。2、 齿面磨损因齿轮在啮合过程中存在相对滑动，当其工作面间进入应屑粒时，将引起齿面磨损，齿面磨损渐开线齿形，齿侧间隙加大，引起冲击和振动。严重时会因轮齿变薄，抗弯强度降低而折断。 齿面磨损是开式传动的主要失效形式。采用闭式传动，提高齿面硬度，减少齿面粗糙度及采用清洁的润滑油，都可以减轻齿面磨损。3、齿面点蚀轮齿工作时，其工作表面上的接触应力是按脉动循环变化的。齿面长时间在这种交变接触应力作用下，可能出现微小的剥落而形成一些疲劳浅坑，这种现象称为疲劳点蚀。齿轮发生齿面点蚀后，将使轮齿啮合情况恶化而影响使用。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节圆处。提高齿面硬度，降低齿面粗糙度、采用黏度较大的润滑油以及合理的变位等，都能提高齿面抗疲劳点蚀的能力。软齿面（齿面硬度350HBS）的闭式齿轮传动常因齿面疲劳点蚀而失效。为了防止出现齿面疲劳点蚀，对闭式齿轮传动，须进行齿面接触疲劳强度计算。在开式传动中，由于齿面磨损较快，一般看不到点蚀现象。4、齿面胶合在高速重载转动中，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，致使两齿面金属直接接触并相互粘连，当两齿面相对运动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹，这种现象称为齿面啮合。在低速重载中，由于齿面间的润滑油膜不易形成也可以产生胶合破坏。 提高齿面硬度和减小表面粗糙度能增强抗胶合能力，对于低速传动采用黏度较大的润滑油，对于高速传动采用含抗胶合添加剂的润滑油也很有效。5、 齿面塑性变形 当轮齿材料较软且载荷较大时，轮齿表层材料在摩擦力作用下，因屈服将沿着滑动的方向产生局部的齿面塑性变形。 提高齿面硬度，采用黏度较高的润滑油，都有助于防止轮齿产生塑性变形。6.2齿轮的设计准则 设计齿轮传动时，应根据实际情况，分析其主要失效形式，选择相应的设计准则进行设计计算。 对于一般工作条件下的闭式软面齿轮传动，其主要失效形式为齿面点蚀，故设计准则为按齿面接触疲劳强度设计。确定齿轮的主要参数和尺寸，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。 闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式是轮齿折断，故设计准则为按齿根弯曲疲劳强度设计，确定模数和尺寸，再按齿面接触疲劳强度进行校核。 对于开式齿轮传动，因其主要失效形式是齿面磨损和因磨损导致的轮齿折断，故只按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数。第7章 齿轮传动的润滑与维护7.1齿轮传动的润滑 齿轮传动的润滑对于齿轮传动十分重要。它可以减轻摩擦损失，提高传动效率，还可以起到散热、防锈、降低噪声、改善工作条件、提高使用寿命等作用。 1、润滑方式 闭式齿轮传动的润滑方式，根据齿轮的圆周速度大小而定。一般有浸油润滑和喷油润滑两种。（1）浸油润滑 当齿轮的圆周速度v12m/s时，由于圆周速度大，齿轮搅油剧烈，增加损耗，搅起箱底沉淀杂质，不宜采用浸油润滑，而因采用喷油润滑。对于开式齿轮传动，由于其