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插齒機(jī)模型實驗平臺設(shè)計
目錄
摘要 4
ABSTRACT 5
第一章 緒論 6
1.1引言 6
1.2課題研究的目的意義 7
1.3齒輪加工機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢 8
1.3.1齒輪加工的方法 8
1.3.2插齒機(jī)的現(xiàn)狀 9
1.3.3各種類型的齒輪加工機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況 10
1.4本文主要內(nèi)容 12
第二章 插齒機(jī)模型機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
2.1插齒機(jī)的傳動原理圖 14
2.2插齒機(jī)傳動系統(tǒng) 14
2.2.1 插齒機(jī)主運(yùn)動鏈 15
2.2.2 插齒機(jī)的圓周進(jìn)給鏈 15
2.3 本課題設(shè)計的插齒機(jī)的展成運(yùn)動鏈 16
2.4 本課題設(shè)計的插齒機(jī)的快速展成運(yùn)動鏈 17
2.5 本課題所設(shè)計的插齒機(jī)的徑向進(jìn)給運(yùn)動鏈 17
2.6 本課題設(shè)計的插齒機(jī)工作臺的快速移動鏈和手動徑向進(jìn)給鏈 18
2.7 讓刀運(yùn)動 19
2.8 本課題設(shè)計的插齒機(jī)工作臺 19
第三章 插齒機(jī)模型主要傳動元件的選擇與計算 22
3.1電機(jī)的選擇與校核 22
3.2同步帶的傳動設(shè)計 23
3.3齒輪傳動 24
3.4軸的選用與校核 28
3.5滾動軸承 33
3.6鍵連接 35
3.7銷聯(lián)接 35
3.8螺紋聯(lián)接 36
3.9圓錐齒輪的設(shè)計 37
3.9.1錐齒輪設(shè)計輸入?yún)?shù) 37
3.9.2材料及熱處理 37
3.9.3齒輪基本參數(shù) 38
3.9.4接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果和參數(shù) 39
3.10 傳動比i=25.5蝸輪蝸桿的設(shè)計 40
3.10.1普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù) 40
3.10.2材料及熱處理 41
3.10.3蝸桿蝸輪基本參數(shù)(mm) 41
3.10.4強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù)： 42
3.11傳動比i=19蝸輪蝸桿的設(shè)計 43
3.11.1普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù) 43
3.11.2材料及熱處理 43
3.11.3蝸桿蝸輪基本參數(shù)(mm) 44
3.11.4強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù) 45
3.12 鏈傳動設(shè)計 46
致 謝 52
參考文獻(xiàn) 53
摘要
插齒機(jī)是一種金屬切削機(jī)床，是使用插齒刀按照展成法加工內(nèi)、外直齒和斜齒圓柱齒輪以及其它齒形件的齒輪加工機(jī)床。插齒機(jī)用來加工內(nèi)、外嚙合圓柱齒輪的輪齒齒面，尤其適合加工內(nèi)齒輪和多聯(lián)齒輪中的小齒輪，這是滾齒機(jī)無法加工的。它綜合了精密機(jī)械制造、電機(jī)拖動、數(shù)字控制等多門學(xué)科。針對它在機(jī)械設(shè)計中遇到的確定尺寸參數(shù)、合理布局、降低成本、實用耐用等問題,本設(shè)計進(jìn)行了針對性的思考與改造。
本課題以機(jī)械工程實驗教學(xué)中心的插齒機(jī)模型為基礎(chǔ)，通過對典型空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，設(shè)計一臺能夠加工不同參數(shù)齒輪的插齒機(jī)模型。此插齒機(jī)傳動鏈，屬于歷史插齒機(jī)傳動鏈，本課題借鑒吸收了機(jī)械工程實驗教學(xué)中心插齒機(jī)實驗平臺的一些技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能，力求做到本結(jié)構(gòu)的簡單合理，性能穩(wěn)定。論文就課題的來源提出做了詳細(xì)描述，基于需加工零件的工藝范圍、機(jī)床的精度、機(jī)床改造經(jīng)濟(jì)性等因素而提出了較合理的方案，詳細(xì)論述了機(jī)械改造部分設(shè)計與計算，包括部件的選擇，各零件的選擇、設(shè)計、計算和校核。改造后的插齒機(jī)與原來的相比提高了加工精度及加工效率，更好地保證了零件加工的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕了勞動強(qiáng)度，有效提高了插齒機(jī)的生產(chǎn)效率和切割質(zhì)量。其主要工作內(nèi)容如下:
1.插齒機(jī)實驗平臺方案的設(shè)計；
2.運(yùn)用SOLIDWORKS三維設(shè)計軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模和運(yùn)動仿真；
3.對插齒機(jī)模型關(guān)鍵零件進(jìn)行尺寸計算;
4.繪制非標(biāo)準(zhǔn)零件的工程圖和裝配圖。
關(guān)鍵詞:插齒機(jī)；實驗平臺；三維設(shè)計；鏈傳動；齒輪
ABSTRACT
第一章 緒論
1.1引言
齒輪是最常用的傳動件，在現(xiàn)代各種工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的現(xiàn)代社會，對齒輪的精度要求也越來越高。齒輪的需求量也日益增加。這就要求機(jī)床制造業(yè)生產(chǎn)出高精度、高效率和高自動化程度的齒輪加工設(shè)備，以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。
插齒機(jī)是用來加工內(nèi)、外嚙合圓柱齒輪的輪齒齒面，尤其適合于加工內(nèi)齒輪和多聯(lián)齒輪中的小齒輪，這是滾齒機(jī)無法加工的。插齒機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)床制造、 造船、 壓力容器、 工程機(jī)械、 礦山機(jī)械、 電力、 橋梁建筑、 鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)中的齒輪制造。具有很高的效率和切割精度，而且它的操作方便,極大地改善勞動強(qiáng)度和勞動環(huán)境 ,廣泛適用于各大、 中型企業(yè)的齒輪加工。
插齒機(jī)主要加工內(nèi)外直齒圓柱齒輪及各種形狀的直齒非圓齒輪和凸輪。插齒機(jī)在加工過程中從執(zhí)行部件的動作分解，主要有以下五個運(yùn)動：插齒川往復(fù)運(yùn)動(主運(yùn)動)、插齒刀回轉(zhuǎn)運(yùn)動、工作臺主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動、工作臺部件徑向迸給運(yùn)動、刀架部件讓刀運(yùn)動。機(jī)床系三軸數(shù)控插齒機(jī)，即：工作臺部件徑向迸給運(yùn)動、工作臺主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動、插齒刀回轉(zhuǎn)運(yùn)動均可實現(xiàn)數(shù)控軸控制，這三個運(yùn)動形成齒輪的漸開線齒廓。另外，插齒刀往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生齒輪齒面，刀架部件讓刀運(yùn)動不參與齒廓、齒面的形成，但是讓刀歸位的誤差對齒面的加工精度產(chǎn)生影響。圖l.1及圖l.2所示為插齒機(jī)及運(yùn)動簡圖。
1.1插齒機(jī)簡圖
圖1.2 插齒機(jī)運(yùn)動簡圖
1.2課題研究的目的意義
近些年來，國內(nèi)外機(jī)床工業(yè)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，以計算機(jī)數(shù)控（CNC）為特征的現(xiàn)代化機(jī)床在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中加工機(jī)器零件的方法有很多種，如鑄造、鍛造、焊接、切削加工和各種特種加工等，但切削加工是將金屬毛胚加工成具有一定形狀、尺寸和表面質(zhì)量的零件的主要加工方法，在加工精密零件時，目前主要是靠切削加工來達(dá)到所需要的加工精度和表面質(zhì)量。所以金屬切削機(jī)床是完成加工零件的主要設(shè)備，它的工作量能夠約占機(jī)器的總制造工作量的45%-65%，機(jī)床的加工工藝技術(shù)和精度直接影響到機(jī)械制造行業(yè)中的產(chǎn)品的質(zhì)量保證和勞動生產(chǎn)率保證。
我國的機(jī)床工業(yè)的發(fā)展是在新中國成立后開始發(fā)展起來的。新中國成立后的50十多年來，經(jīng)過改革開放的努力，我國機(jī)床工業(yè)在眾多學(xué)者的幫助下吸收外國的先進(jìn)技術(shù)前提下獲得了迅速的發(fā)展。目前我國的機(jī)床工業(yè)布局還是很合理、還是很完整的機(jī)床工業(yè)體系,我國自從對外貿(mào)易開放以來以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行改造。在借鑒引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)揮主管能動性，形成自己的風(fēng)格，這些項目中，大部分項目對我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著相當(dāng)重要的作用。我國的機(jī)床工業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比還相差很大一段距離在技術(shù)水平和性能方面差距差距也很明顯，國內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性也不夠穩(wěn)定，機(jī)床理論和應(yīng)用技術(shù)研究明顯落后，人員技術(shù)素質(zhì)還跟不上機(jī)床飛速發(fā)展的需要。因此，我們機(jī)床工業(yè)面臨著光榮而艱巨的任務(wù)，作為當(dāng)代的大學(xué)生，我們是祖國未來的花朵，我們身上肩負(fù)著祖國的重任，我們必須發(fā)奮圖強(qiáng)、努力工作，不斷的壯大我們的隊伍和提高人員的工作能力，學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換為自己所有，以便我們能早日趕上世界先進(jìn)水平。
齒輪是最常用的傳動件，在現(xiàn)代各種工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的現(xiàn)代社會，對齒輪的精度要求也越來越高。齒輪的需求量也日益增加。這就要求機(jī)床制造業(yè)生產(chǎn)出高精度、高效率和高自動化程度的齒輪加工設(shè)備，以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。
插齒機(jī)是用來加工內(nèi)、外嚙合圓柱齒輪的輪齒齒面，尤其適合于加工內(nèi)齒輪和多聯(lián)齒輪中的小齒輪，這是滾齒機(jī)無法加工的。插齒機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)床制造、 造船、 壓力容器、 工程機(jī)械、 礦山機(jī)械、 電力、 橋梁建筑、 鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)中的齒輪制造。具有很高的效率和切割精度，而且它的操作方便,極大地改善勞動強(qiáng)度和勞動環(huán)境 ,廣泛適用于各大、 中型企業(yè)的齒輪加工。
本課題以機(jī)械工程實驗教學(xué)中心的插齒機(jī)模型為基礎(chǔ)，通過對典型空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，設(shè)計一臺能夠加工不同參數(shù)齒輪的插齒機(jī)模型。此插齒機(jī)傳動鏈，屬于歷史插齒機(jī)傳動鏈，本課題借鑒吸收了機(jī)械工程實驗教學(xué)中心插齒機(jī)實驗平臺的一些技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能，力求做到本結(jié)構(gòu)的簡單合理，性能穩(wěn)定。
1.3齒輪加工機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢
1.3.1齒輪加工的方法
制造齒輪的方法有很多種，雖然可以熱軋、鑄造或者沖壓，但目前這些方法的加工精度還不夠高。精密齒輪現(xiàn)在仍主要靠切削法。按照齒形的原理分類，切削齒輪的方法可分為兩大類：成形法和展成法。成形法加工齒輪有一個缺點(diǎn)-那就是精度低。成形法采用單分齒法，就是指加工完一個齒后退回，工件用余量分配盤進(jìn)行分度，再加工下一齒。因此生產(chǎn)率不高。但是這種加工方法簡單，不需要專用的機(jī)床，所以適用于單間小批量生產(chǎn)和加工精度要求不高的修配行業(yè)中?，F(xiàn)在，圓柱齒輪和圓錐齒輪，蝸輪以及應(yīng)用很少的非圓形齒輪的齒面加工已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要的工序。齒輪加工工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域。
最近幾年，我國的機(jī)械工業(yè)飛速發(fā)展，我們已經(jīng)引進(jìn)很多國外的先進(jìn)技術(shù)，我國切割技術(shù)開發(fā)了很多新的工藝，甚至也利用了新能源。切割技術(shù)的發(fā)展早已實現(xiàn)了半自動化和自動化，使得切割技術(shù)可以代替許多機(jī)械加工，大大節(jié)省了勞動力，提高了生產(chǎn)率。還可以提高金屬材料的利用率。
插齒機(jī)加工齒輪的方法是展成法。展成法加工齒輪，只要是相同模數(shù)的齒輪，不管齒數(shù)有多少都能加工，而且只用一把刀具。生產(chǎn)率和加工精度都比較高，可以將齒查到近軸肩處。在齒輪加工中，展成法應(yīng)用最廣泛。加工方法是刨削法和插削法。本論文介紹的插齒機(jī)傳動鏈?zhǔn)窃谠缙邶X輪加工機(jī)床傳動鏈的基礎(chǔ)上結(jié)合近年來齒輪加工機(jī)床高速發(fā)展的技術(shù)特點(diǎn)，特別是插齒機(jī)傳動鏈的特點(diǎn)所設(shè)計出的一種插齒機(jī)傳動鏈。
1.3.2插齒機(jī)的現(xiàn)狀
國外的先進(jìn)國家中，齒輪越來越小，轉(zhuǎn)速越來越高.現(xiàn)在已經(jīng)開始研發(fā)特殊齒輪，還有安裝齒輪的裝置已經(jīng)越來越先進(jìn)，震動減小了，噪聲也減小了.通過提高漸開線齒輪的承載力，可以使齒輪裝置變得越來越小。這些國家采用硬齒面技術(shù)，通過提高硬度減小了裝置的尺寸值；也可以用特殊齒形，例如圓弧齒輪?，F(xiàn)在船舶動力已采用中速柴油機(jī)，在許多大型船上采用大功率行星齒輪裝置有很高的效率；在大型機(jī)械的大型傳動裝置中，都采用行星齒輪。
精度等級與生產(chǎn)效率的提高很大程度上促進(jìn)了齒輪制造工藝的發(fā)展。從1960年到現(xiàn)在，齒輪的制造精度已經(jīng)提高了2級左右，最高的達(dá)到了 3級。低速齒輪的精度過去是7級，現(xiàn)在達(dá)到了9級。機(jī)床傳動系統(tǒng)中的齒輪以前是5級，現(xiàn)在提高到6級. 由于高性能滾齒機(jī)的出現(xiàn)和刀具的發(fā)展，大大提高了小模數(shù)中小規(guī)格齒輪的滾齒效率。如果用多頭的滾齒刀，能夠提高竊謔速度到100m/s。假如采用超硬的滾齒刀加工模數(shù)3的調(diào)質(zhì)鋼齒輪，切削速度甚至可以達(dá)到度可達(dá)200m／s，由于受到插齒機(jī)刀具往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的限制，降低了插齒機(jī)的效率。近年來使用了靜壓軸承，刀架和立柱等新結(jié)構(gòu)剛性得到提高后，提高了插齒機(jī)的插翅效率。新型插齒機(jī)呢，沖程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了2000多次／min。
齒輪用鋼的發(fā)展趨勢：一、用含Ni、Cr的低合金鋼加工齒輪；二是硼鋼；三、碳氮共滲用鋼；四、易切削的鋼。我國呢，很少見到Ni、Cr，所以用20CrMnTi滲碳鋼和含硼加稀土的鋼代替。大型機(jī)械就會用18CrMnNiMo滲碳鋼和中碳合金鋼。在機(jī)床這一行還是用40Cr，38CrMoAl等鋼；速度高的齒輪用氮化了的25Cr2MoV鋼。
插齒機(jī)分立式和臥式兩種﹐前者使用最普遍。立式插齒機(jī)又有刀具讓刀和工件讓刀兩種形式。高速和大型插齒機(jī)用刀具讓刀﹐中小型插齒機(jī)一般用工件讓刀。在立式插齒機(jī)上﹐插齒刀裝在刀具主軸上﹐同時作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和上下往復(fù)插削運(yùn)動﹔工件裝在工作臺上﹐作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動﹐工作臺(或刀架)可橫向移動實現(xiàn)徑向切入運(yùn)動。刀具回程時﹐刀架向后稍作擺動實現(xiàn)讓刀運(yùn)動(圖1.3立式插齒機(jī)(刀具讓刀))﹐或工作臺作讓刀運(yùn)動。加工斜齒輪時﹐通過裝在主軸上的附件(螺旋導(dǎo)軌)使插齒刀隨上下運(yùn)動而作相應(yīng)的附加轉(zhuǎn)動。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)高速插齒機(jī)﹐其主要特點(diǎn)是采用硬質(zhì)合金插齒刀﹐刀具主軸的沖程數(shù)高達(dá)2000次/分﹔采用靜壓軸承(見液體靜壓軸承)和靜壓滑塊﹔由刀架擺動讓刀﹐以減少沖擊。臥式插齒機(jī)具有兩個獨(dú)立的刀具主軸﹐水平布置作交錯往復(fù)運(yùn)動﹐主要用來加工無空刀槽人字齒輪和各種軸齒輪等。此外﹐還有使用梳齒刀的插齒機(jī)﹐工作時梳齒刀作往復(fù)切削運(yùn)動和讓刀運(yùn)動﹐工件作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動﹐并在平行于梳齒刀節(jié)線方向上作直線運(yùn)動﹐兩者構(gòu)成展成運(yùn)動(見齒輪加工)﹐工件的分齒是間歇的。
圖1.3 立式插齒機(jī)
1.3.3各種類型的齒輪加工機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況
1、插齒機(jī)
插齒機(jī)由于它的傳動系統(tǒng)的特殊性，加工內(nèi)外嚙合的直尺圓柱齒輪會比較方便，而且精度高。對于雙聯(lián)、多聯(lián)齒輪加工更為方便，如果在插齒機(jī)的機(jī)床上裝用一些特殊的專用裝置以后，它也可以加工斜齒圓柱齒輪和齒條等特殊的齒輪。這是目前較為普及的一種齒輪加工機(jī)器。
2、滾齒機(jī)
滾齒機(jī)(gear hobbing machine)是齒輪加工機(jī)床中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)床，在滾齒機(jī)上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪，還可加工蝸輪、鏈輪等。滾齒機(jī)的加工方法是展成法，它可以加工直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、人字齒圓柱齒輪和蝸輪的齒輪加工機(jī)床。當(dāng)使用特制的滾刀時，它也可以用來加工花鍵、鏈輪等許多具有特殊形狀齒的工件。普通滾齒機(jī)的加工精度為7～6級(JB179-83),高精度滾齒機(jī)為4～3級。它的最大加工直徑為15.0m。
特點(diǎn)：
（1）適用于成批，小批及單件生產(chǎn)圓柱斜齒輪和蝸輪，尚可滾切一定參數(shù)范圍的花健軸.
（2）調(diào)整方便，具有自動停車機(jī)構(gòu)
（3）具有可靠的安全裝置以及自動潤滑滾齒機(jī)(gear hobbing machine)是齒輪加工機(jī)床中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)床，在滾齒機(jī)上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪，還可加工蝸輪、鏈輪等。
在汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、石油、儀表、飛機(jī)航天器等各種機(jī)械制造業(yè)中，都有插齒機(jī)的身影。
齒輪加工機(jī)床，顧名思義是加工齒輪的機(jī)床，包括圓柱齒輪、圓錐齒輪和有齒的工件。由于加工方法有很多種，從而機(jī)床也有很多種，有加工幾毫米直徑的齒輪的小型機(jī)床，也有加工十幾米直徑的齒輪的大型機(jī)床，還有批量生產(chǎn)的、用高效機(jī)床加工精密齒輪的高精度的機(jī)床。
3、磨齒機(jī)
磨齒機(jī)常用來對淬硬的齒輪進(jìn)行齒廓的精加工，但也有直接在齒壞上磨出輪齒的。由于磨齒能糾正齒輪預(yù)加工的各項誤差，因而加工精度較高。磨齒后，精度一般可以達(dá)到8級以上。磨齒機(jī)通常分為成型砂輪法磨齒和展成法磨齒兩大類。成形發(fā)磨齒機(jī)應(yīng)用的較少，多說類型的磨齒機(jī)均以展成法磨齒。按成形法加工的成形砂輪磨齒機(jī)的砂輪由成形砂輪修整器在軸向剖面內(nèi)修成齒形，砂輪架可作垂直方向進(jìn)給?？尚拚膳c工件齒間的齒廓形狀相同。因此這種磨齒機(jī)的工作精度相當(dāng)高的。但是這種磨齒機(jī)通常用來磨削大模數(shù)齒輪。此機(jī)床的運(yùn)動比較簡單。用展成法原理工作的磨齒機(jī)，根據(jù)工作方法的不同可分為連續(xù)磨削和單齒分度兩大類。連續(xù)磨削型磨齒機(jī)稱為蝸桿砂輪型磨齒機(jī)。它的工作原理和加工過程與滾齒機(jī)相似。這種磨齒機(jī)由于砂輪轉(zhuǎn)速很高，因此砂輪與工件間的展成傳動鏈各傳動件的轉(zhuǎn)速也很高，采用機(jī)械方式傳動，則要求傳動元件必須有很高的精度，因此，目前采用兩個同步電動機(jī)分別傳動砂輪和工件，不但簡化了傳動鏈，也提高了傳動精度。因為這種機(jī)床連續(xù)磨削，在各類磨齒機(jī)中它的生產(chǎn)率最高。這種機(jī)床的缺點(diǎn)是，砂輪修整成蝸桿較困難，且不易得到很高的精度。單齒分度磨齒機(jī)根據(jù)砂輪的形狀又可以分為蝶形砂輪型、大平面砂輪型和錐形砂輪型三種。它們的基本工作原理相同，都是利用齒條和齒輪的嚙合原理來磨削齒輪的。
4、錐齒輪加工機(jī)床
有兩種方法可以加工圓錐齒輪：成形法和展成法。我們把利用單片銑刀或者指狀銑刀在臥式銑床上加工圓錐齒輪的方法稱為成形法。錐齒輪的基圓直徑是變化的，沿著齒線不斷變小，從而法向齒形沿著齒線方向的不同位置是不同的，刀具形狀是固定的從而導(dǎo)致加工齒形的精度變低。粗加工或精度要求要求高的場合成形法不實用。展成法廣泛應(yīng)用于錐齒輪加工機(jī)床中。這種方法可以看作一對嚙合的錐齒輪其中一個齒輪當(dāng)作成平面齒輪。
1.4本文主要內(nèi)容
從各種齒輪加工機(jī)床的應(yīng)用情況來看，國內(nèi)生產(chǎn)的齒輪加工機(jī)床的技術(shù)水平、整體性能等整體水平都逐漸與世界上先進(jìn)水平之間的距離越來越小，已經(jīng)逐步滿足的國內(nèi)用戶的需求，甚至部分先進(jìn)水平的齒輪加工機(jī)床已經(jīng)開始向國外進(jìn)行出口，從而進(jìn)一步提高了市場的競爭力度。國內(nèi)的一些齒輪加工機(jī)床在許多方面已經(jīng)形成了自身獨(dú)有的特點(diǎn)，實現(xiàn)了自動化、多功能和高可靠性。在某些方面產(chǎn)品的技術(shù)性能甚至已經(jīng)超過了國外的技術(shù)水平，達(dá)到了世界上一流的水準(zhǔn)。
從發(fā)展趨勢上來看，齒輪加工機(jī)床的市場上插齒機(jī)將保持起獨(dú)有的基本市場，數(shù)控齒輪加工機(jī)床市場將會在一定程度上增加。而數(shù)控滾齒機(jī)、數(shù)控插齒機(jī)、數(shù)控磨齒機(jī)、數(shù)控錐齒輪加工機(jī)床將會成為齒輪加工市場的主要力量。整個齒輪加工機(jī)床市場將會不斷的擴(kuò)大。提高齒輪加工機(jī)床操作系統(tǒng)的易用性；提高齒輪加工機(jī)床的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；降低生產(chǎn)使用成本；提高齒輪加工機(jī)床的整機(jī)自動化水平及系統(tǒng)穩(wěn)定性成為其技術(shù)發(fā)展的方向。
本課題以機(jī)械工程實驗教學(xué)中心的插齒機(jī)模型為基礎(chǔ)，通過對典型空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，設(shè)計一臺能夠加工不同參數(shù)齒輪的插齒機(jī)模型。此插齒機(jī)傳動鏈，屬于歷史插齒機(jī)傳動鏈，本課題借鑒吸收了機(jī)械工程實驗教學(xué)中心插齒機(jī)實驗平臺的一些技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能，力求做到本結(jié)構(gòu)的簡單合理，性能穩(wěn)定。論文就課題的來源提出做了詳細(xì)描述，基于需加工零件的工藝范圍、機(jī)床的精度、機(jī)床改造經(jīng)濟(jì)性等因素而提出了較合理的方案，詳細(xì)論述了機(jī)械改造部分設(shè)計與計算，包括部件的選擇，各零件的選擇、設(shè)計、計算和校核。改造后的插齒機(jī)與原來的相比提高了加工精度及加工效率，更好地保證了零件加工的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕了勞動強(qiáng)度，有效提高了插齒機(jī)的生產(chǎn)效率和切割質(zhì)量。其主要工作內(nèi)容如下:
1.插齒機(jī)實驗平臺方案的設(shè)計；
2.運(yùn)用SOLIDWORKS三維設(shè)計軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模和運(yùn)動仿真；
3.對插齒機(jī)模型關(guān)鍵零件進(jìn)行尺寸計算;
4.繪制非標(biāo)準(zhǔn)零件的工程圖和裝配圖。
第二章 插齒機(jī)模型機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計
a) b)
圖2.1 插齒原理及插齒機(jī)傳動原理圖
a) 插齒原理 b) 插齒機(jī)傳動原理圖
2.1插齒機(jī)的傳動原理圖
插齒機(jī)的加工原理類似一對嚙合的圓柱直齒輪，一個是齒坯，另一個是插齒刀（端面具有切削刃的齒輪形刀具），按照展成法加工。插齒原理及插齒機(jī)傳動原理圖即下圖所示。插齒刀的沿齒坯齒向的往復(fù)運(yùn)動A2為主運(yùn)動，由偏心輪的曲柄驅(qū)動，通過調(diào)整曲柄偏心距改變插齒刀的插齒行程；插齒刀往復(fù)運(yùn)動A2為間接動力源，驅(qū)動插齒刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動B11的傳動鏈為圓周進(jìn)給鏈，圓周進(jìn)給量為A2；插齒刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動B11為間接動力源，驅(qū)動齒坯旋轉(zhuǎn)的傳動鏈為展成運(yùn)動鏈，展成運(yùn)動鏈為內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，其傳動聯(lián)系為
式中:——插齒刀、齒坯的齒數(shù)。
2.2插齒機(jī)傳動系統(tǒng)
本課題所設(shè)計的插齒機(jī)是在以機(jī)械工程實驗教學(xué)中心的插齒機(jī)模型為基礎(chǔ)，通過對典型空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，設(shè)計一臺能夠加工不同參數(shù)齒輪的插齒機(jī)模型。通過提高關(guān)鍵零部件的制造精度而成的。主要用于加工內(nèi)、外齒的直齒圓柱齒輪、多聯(lián)齒輪、軸齒輪。傳動系統(tǒng)如圖所示。
2.2.1 插齒機(jī)主運(yùn)動鏈
本課題設(shè)計的插齒機(jī)主電動機(jī)為Y112M-4，額定功率，額定轉(zhuǎn)速，運(yùn)動經(jīng)同步帶傳遞到離合器YL1，經(jīng)主運(yùn)動鏈變速機(jī)構(gòu)至曲柄盤，帶動插齒刀軸向運(yùn)動；由粗加工變?yōu)榫庸r，離合器YL1使插齒刀軸向運(yùn)動速度自動提高倍。主運(yùn)動鏈傳動路線為
插齒刀每分鐘的上下往復(fù)次數(shù)，即沖程數(shù)為
大徑向進(jìn)給量粗加工時，離合器YL1的傳動比，插齒刀每分鐘的沖程數(shù)列為
小徑向進(jìn)給量精加工時，離合器YL1的傳動比，插齒刀每分鐘的沖程數(shù)列為
即主運(yùn)動鏈的變速機(jī)構(gòu)共有兩個變速組，形成六級插齒刀的軸向往復(fù)運(yùn)動等比數(shù)列。
2.2.2 插齒機(jī)的圓周進(jìn)給鏈
圓周進(jìn)給鏈為外聯(lián)系傳動鏈，間接動力源是插齒刀的軸向往復(fù)運(yùn)動，經(jīng)圓周進(jìn)給傳動鏈變速組，鏈傳動，交換掛輪E、F等，至蝸桿蝸輪副（傳動比），蝸桿驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)插齒刀圓周進(jìn)給。圓周進(jìn)給傳動鏈變速組可使插齒刀雙向轉(zhuǎn)動。圓周進(jìn)給鏈傳動路線為
曲柄盤每轉(zhuǎn)一圈，驅(qū)動插齒刀軸向往復(fù)一次，因而可認(rèn)為曲柄盤為圓周進(jìn)給鏈的間接動力源。則圓周進(jìn)給量為
式中 ——插齒刀雙沖程。
當(dāng)插齒刀的分度圓直徑為時，圓周進(jìn)給量為
插齒機(jī)的圓周進(jìn)給量為（）。用于粗加工，用于精加工，粗、精加工圓周進(jìn)給量轉(zhuǎn)換由液壓摩擦離合器YL2自動控制，圓周進(jìn)給量縮小倍。
2.3 本課題設(shè)計的插齒機(jī)的展成運(yùn)動鏈
插齒機(jī)展成運(yùn)動鏈的間接動力源是插齒刀，末端件是齒坯。兩端件的傳動聯(lián)系為
插齒刀 齒坯
本課題設(shè)計的插齒機(jī)展成運(yùn)動鏈的傳動路線為
本課題設(shè)計的插齒機(jī)展成運(yùn)動鏈變速機(jī)構(gòu)的傳動比為
2.4 本課題設(shè)計的插齒機(jī)的快速展成運(yùn)動鏈
本課題設(shè)計的插齒機(jī)的快速展成運(yùn)動鏈的動力源為M3，電動機(jī)型號為Y90S-4,額定功率，額定轉(zhuǎn)速，快速展成運(yùn)動時，YL2、YL4離合器處于分離狀態(tài)。本課題設(shè)計的插齒機(jī)的快速展成運(yùn)動鏈的傳動路線為
齒坯轉(zhuǎn)速為
插齒刀轉(zhuǎn)速為
2.5 本課題所設(shè)計的插齒機(jī)的徑向進(jìn)給運(yùn)動鏈
插齒機(jī)的徑向進(jìn)給傳動鏈?zhǔn)峭饴?lián)系傳動鏈，傳動鏈的動力源為M2，電動機(jī)型號Y802-4，額定功率，額定轉(zhuǎn)速。運(yùn)動經(jīng)兩級蝸桿蝸輪副減速后驅(qū)動徑向進(jìn)給凸輪慢速旋轉(zhuǎn)，徑向進(jìn)給凸輪推動絲杠帶動固定于工作臺下方的螺母，使工作臺沿水平方向移動。徑向進(jìn)給凸輪由阿基米德螺線組成，每隔升程，徑向進(jìn)給凸輪每轉(zhuǎn)的總升程為，本課題設(shè)計的插齒機(jī)加工齒輪模數(shù)為，全齒高為，則徑向進(jìn)給齒輪凸輪最多旋轉(zhuǎn)，就加工一個齒輪。傳動路線為
徑向進(jìn)給速度為
根據(jù)機(jī)械工程手冊推薦的插削用量（《機(jī)械工程手冊》第二版機(jī)械制造工藝及設(shè)備（二）P2-308），徑向進(jìn)給量為
本課題設(shè)計的插齒機(jī)的徑向進(jìn)給量為。
徑向進(jìn)給也可采用步進(jìn)式，每次進(jìn)給終止，齒坯轉(zhuǎn)一圈后，再進(jìn)行第二次徑向進(jìn)給；本課題設(shè)計的插齒機(jī)有徑向進(jìn)給余量分配盤，在徑向進(jìn)給余量分配盤上固定行程擋鐵，在起始位置設(shè)置原位、一次進(jìn)給、二次進(jìn)給等行程開關(guān)，在起始位置，原位行程開關(guān)動作；由于徑向進(jìn)給余量分配盤與徑向進(jìn)給凸輪同步轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)徑向進(jìn)給，當(dāng)一次進(jìn)給行程擋鐵壓下一次進(jìn)給行程開關(guān)時，電動機(jī)M2斷電，徑向進(jìn)給停止；齒坯轉(zhuǎn)一圈后，電動機(jī)M2再次通電，第二次進(jìn)給開始。最后進(jìn)給終了且齒坯轉(zhuǎn)一圈后，電動機(jī)M2通電，雙向摩擦離合器YL3換向接通齒數(shù)為21、42齒的齒輪副，徑向進(jìn)給凸輪快速反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為
當(dāng)原位行程擋鐵壓下原位行程開關(guān)時，電動機(jī)M2斷電，雙向摩擦離合器YL3分離；然后工作臺快速退回。
本課題設(shè)計的插齒機(jī)能任意預(yù)選和分配切入深度以及實現(xiàn)1-9次自動進(jìn)給工作循環(huán)，工作循環(huán)由可編程控制器控制。
2.6 本課題設(shè)計的插齒機(jī)工作臺的快速移動鏈和手動徑向進(jìn)給鏈
為節(jié)省輔助時間，減輕勞動強(qiáng)度，提高加工效率，插齒機(jī)應(yīng)有工作臺快速移動功能；為使徑向進(jìn)給量精確，插齒前工作臺應(yīng)能微量調(diào)整。
本課題設(shè)計的插齒機(jī)插齒機(jī)工作臺快速移動由缸體固定在工作臺下方的液壓油缸M4驅(qū)動，活塞桿前端為螺紋孔，而徑向進(jìn)給凸輪推桿的端部為外螺紋，二者構(gòu)成螺紋副；液壓油缸上設(shè)有導(dǎo)向裝置，使活塞桿只能軸向移動而不能轉(zhuǎn)動；液壓油缸的有桿腔進(jìn)油時，由于凸輪推桿始終與凸輪接觸、活塞桿與凸輪推桿的長度不變，液壓油缸缸體帶動工作臺快速靠近齒坯，工作臺前下方的的支架與活塞桿前端相對滑移；液壓油缸的無桿腔進(jìn)油時，工作臺快速退回。本課題設(shè)計的插齒機(jī)工作臺的最大移動行程為。
本課題設(shè)計的插齒機(jī)的工作臺一側(cè)設(shè)置有手柄軸，轉(zhuǎn)動手柄軸時，運(yùn)動經(jīng)錐齒輪副至圓柱齒輪副（從動齒輪軸向固定于工作臺的支架中，可繞支架孔軸線轉(zhuǎn)動）傳遞到凸輪推桿的螺桿上，螺桿上設(shè)置有導(dǎo)向鍵槽，齒輪中心孔直徑與凸輪推桿的螺紋大徑相等，且設(shè)置有傳動鍵，這樣齒輪可驅(qū)動凸輪推桿轉(zhuǎn)動，齒輪可相對于凸輪推桿移動；當(dāng)轉(zhuǎn)動手柄軸時，圓柱齒輪驅(qū)動凸輪推桿轉(zhuǎn)動，凸輪推桿端部的螺紋副的配合長度改變，進(jìn)而改變活塞桿與凸輪推桿的總長度，在液壓油進(jìn)出油口封閉（液壓油缸換向閥滑閥機(jī)能為M型，油泵卸載，兩油腔封閉）時，工作臺微量移動，即活塞桿端部內(nèi)螺紋帶動工作臺微量移動；此時工作臺也帶動圓柱齒輪副在凸輪推桿上微量移動。手柄旋轉(zhuǎn)一圈，工作臺的移動距離為
式中 ——凸輪推桿螺紋導(dǎo)程。
為便于工作臺靠近齒坯，插齒主運(yùn)動鏈中也設(shè)有手動機(jī)構(gòu)，在此不再贅述。
2.7 讓刀運(yùn)動
曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)齒形帶傳遞到讓刀凸輪軸，使讓刀凸輪軸與曲柄軸同步旋轉(zhuǎn)，在插齒刀位于向上的沖程時，讓刀凸輪推壓滾輪推動讓刀軸壓縮彈簧上下移動，經(jīng)連桿使插齒刀軸擺動，實現(xiàn)讓刀運(yùn)動。
如本課題設(shè)計的插齒機(jī)刀架結(jié)構(gòu)簡圖所示。插齒機(jī)中最復(fù)雜的部件是插齒機(jī)刀架，插齒刀的往復(fù)沖程運(yùn)動、展成運(yùn)動以及讓刀運(yùn)動是靠它實現(xiàn)的。曲柄盤傳動軸帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動，曲柄經(jīng)球頭拉桿機(jī)構(gòu)帶動插齒刀軸沿蝸輪中的滑動導(dǎo)軌往復(fù)沖程運(yùn)動；調(diào)節(jié)曲柄至曲柄盤軸心線的距離，可改變往復(fù)沖程的大?。徽{(diào)節(jié)球頭上端螺桿，可調(diào)節(jié)往復(fù)沖程的位置。精度較高的蝸桿蝸輪副帶動插齒刀軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)展成運(yùn)動。曲柄盤傳動軸驅(qū)動插齒刀往復(fù)沖程的同時，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)同步齒形帶傳遞到讓刀凸輪上，讓刀凸輪又將運(yùn)動傳遞到滾輪上，當(dāng)插齒刀為工作沖程時，讓刀凸輪旋轉(zhuǎn)，讓刀凸輪對應(yīng)的半圓上為凸輪升程，讓刀凸輪推壓滾輪使讓刀軸下移，讓刀軸經(jīng)連桿推動插齒刀軸靠緊齒坯；插齒刀為返回沖程時，讓刀凸輪同樣旋轉(zhuǎn)，此時讓刀凸輪對應(yīng)的半圓上為凸輪回程，這樣讓刀軸下方的壓縮彈簧推動讓刀軸上移，讓刀軸經(jīng)連桿拉動蝸桿蝸輪副及插齒刀軸離開齒坯，實現(xiàn)讓刀。當(dāng)插削內(nèi)齒輪時，讓刀運(yùn)動方向與銑削外圓柱齒輪相反，應(yīng)將曲柄滑塊向曲柄盤的反方向調(diào)節(jié)，使插齒刀為工作沖程時，讓刀軸上移。
2.8 本課題設(shè)計的插齒機(jī)工作臺
工作臺是展成運(yùn)動的末端件，也是徑向進(jìn)給運(yùn)動及快速運(yùn)動的末端件。在插削過程中，承受斷續(xù)的沖擊負(fù)荷。如本課題設(shè)計的插齒機(jī)工作臺結(jié)構(gòu)示意圖所示。工作臺的軸向支承為環(huán)形滑動導(dǎo)軌，徑向承載軸承為錐度為的滑動軸承，內(nèi)錐孔滑動軸承與工作臺轉(zhuǎn)軸的徑向間隙靠修磨環(huán)形道軌面調(diào)節(jié)。蝸桿蝸輪副實現(xiàn)工作臺的展成運(yùn)動。最后確定 插齒機(jī)模型實驗平臺設(shè)計方案如圖2.9所示。
圖 2.9 插齒機(jī)模型實驗平臺設(shè)計方案簡圖
圖2.10 插齒機(jī)傳動線路圖
第三章 插齒機(jī)模型主要傳動元件的選擇與計算
3.1電機(jī)的選擇與校核
電機(jī)的選擇原則：
1） 考慮電動機(jī)的主要性能（啟動、過載及調(diào)速等）、額定功率的大小、額定轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)形式等方面要滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。
2） 結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便又價格合理。
3） 插齒機(jī)所需要的工作場合的環(huán)境中，考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。
4） 電動機(jī)的電壓等級和類型，根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因數(shù)的要求而定。
5） 電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，我們根據(jù)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速、電力傳動調(diào)速系統(tǒng)過渡過程性能的要求以及減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度而確定。
不僅僅如此，我們還要考慮到能源的節(jié)約，考慮運(yùn)行可靠性，考慮設(shè)備供貨情況，考慮備品備件的通用性，考慮裝修的難易程度、產(chǎn)品的價格、建造的費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用、前后期電動機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。
根據(jù)機(jī)械設(shè)備的負(fù)載性質(zhì)選擇電動機(jī)類型：一般調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)優(yōu)先選用交流電動機(jī)。負(fù)載平穩(wěn)、長期穩(wěn)定工作的設(shè)備，應(yīng)采用一般籠型三相異步電動機(jī)。
額定電壓的選擇：電動機(jī)額定電壓一般選擇與供電電壓一致。普通工廠的供電電壓為380V或220V，因此中小型交流電動機(jī)的額定電壓大部都是380V或220V。本課題插齒機(jī)選擇380v的供電電壓。
電動機(jī)容量的選擇：
電動機(jī)所需要的工作功率
Pd = kW
PW= kW
因此Pd= kW
由電動機(jī)至輸送鏈的傳動總效率為
ηa=η1 η23η3式中：η1、η2、、η3分別為帶傳動、閉式圓柱齒輪傳動、聯(lián)軸器的傳動效率。
式中η1=0.98，η2=0.975，η3=0.96則
ηa=0.98*0.9753*0.96=0.87
所以 pd==Fv/1000*0.87 =3.81Kw
確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速:
本課題設(shè)計的插齒機(jī)所規(guī)定的插齒刀沖程為80-520次每分鐘，主運(yùn)動鏈傳動路線為
電動機(jī)—100/300—
從而確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min，本課題設(shè)計的插齒機(jī)為連續(xù)工作制，根據(jù)相關(guān)手冊查出符合要求的電動機(jī)型號為Y112M-4，額定功率為4kw，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min。
3.2同步帶的傳動設(shè)計
在兩個或多個帶輪之間用帶進(jìn)行傳動，而帶作為撓性拉拽工件作用，這就是帶傳動。工作時帶與零件之間靠摩擦或嚙合來傳遞轉(zhuǎn)速或動力。工作面有齒的是同步帶，戴倫的輪緣表面也制有相應(yīng)的齒槽，同步帶傳動和齒輪傳動一樣具有一樣的傳動比。同步帶承載層是鋼絲繩或玻璃纖維繩，基底是氯丁橡膠或聚氨酯。由于又薄又輕，故這種帶可用于較高速度。轉(zhuǎn)速和傳動比可達(dá)到50多m/s和10.而且效率很高，可達(dá)98%，同步帶用的越來越多了。他也是有缺點(diǎn)的，他的缺點(diǎn)是安裝很難，中心距要求較嚴(yán)格。以下是同步帶的設(shè)計過程：
計算項目 設(shè)計公式
計算功率Pc Pc=Ka*P=1.5* 4KW=6 KW
選擇帶型和節(jié)距 查手冊得：選擇重型帶H型，節(jié)距p為12.700mm
小帶輪齒數(shù)Z1 Z1≥Zmin=18，取值為52
大帶輪齒數(shù)Z2 Z2=i*Z1=3*20=80，取值為156
帶輪節(jié)圓直徑 D1=Z1*Pc/3.14=52*6/3.14=100mm
D2=Z2*Pc/3.14=156*6/3.14=300mm
帶速V V=3.14*D1*n1/（60*1000）
所以V《Vmax=40m/s
初定中心距 0.7（D1+D2）[a[2（D1+D2），即280[a[800， 暫選a為500mm
帶長及齒數(shù) L=3.1 4*（D1+D2）/2+(D1+D2）*γ/2+2a*cos(γ/2) ，γ=（D2-D1)/a=0.4，因此L=1648mm
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度Lp=4445mm，齒數(shù)為200
實際中心距a 由公式得a=551.5mm
小齒輪嚙合齒數(shù)Zm Zm=Z1/2-P*Z1*（Z2-Z1）/（20a）=18.75，圓整后為18
基本額定功率Po Po=（Fa-qv2）*v/1000=4.45KW
帶寬b 由公式得b=73mm
軸上載荷Fq Fq=1000Pc/v=800N
3.3齒輪傳動
齒輪傳動的應(yīng)用范圍很廣，傳動功率很高，和其他機(jī)械傳動比較，齒輪傳動的主要優(yōu)點(diǎn)是：瞬時的傳動比為常數(shù)，使用壽命長且十分可靠；傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。缺點(diǎn)是：制造齒輪的設(shè)備，成本較高；不高精度的噪聲震動較高；軸之間距離大的傳動不適合。
由于本課題設(shè)計的插齒機(jī)的運(yùn)動是由兩個直線方向上的運(yùn)動和轉(zhuǎn)動構(gòu)成，而且齒輪傳動精度較高，配合準(zhǔn)確；傳遞動力不大，故采用齒輪、齒條想嚙合的方式傳動。同時齒輪齒條傳動平穩(wěn)，瞬時傳動比不變，沖擊震動和噪音都較小；承載能力較高，在尺寸小、重量輕的前提下，輪齒的強(qiáng)度高、耐磨性好。
齒輪傳動的時間很長后，會導(dǎo)致齒輪齒面的損傷甚至齒的折斷。齒面損傷也有很多種：齒面接觸疲勞磨損即點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨粒磨損和塑性流動等。封閉起來傳動的齒輪，時間長了會有接觸疲勞磨損、疲勞折斷和膠合。對齒輪要進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的計算。暴露在外面?zhèn)鲃拥凝X輪，時間長了會失效，形式是彎曲疲勞折斷和磨粒磨損，進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度的計算，考慮磨粒磨損的影響要適當(dāng)加大模數(shù)。
普通灰鑄鐵的鑄造性能和切削性能好，價廉、抗點(diǎn)蝕和抗膠合能力強(qiáng)，但彎曲強(qiáng)度低、沖擊韌性差，常用于低速、無沖擊和大尺寸的場合。鑄鐵中的石墨有自潤滑作用，尤其適用于開始傳動。鑄鐵性脆，為避免載荷集中引起齒端折斷，齒寬宜較窄。常用牌號為HT200~HT350。此處的齒輪齒條以及減速器中的齒輪采用45鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。
以下是曲柄軸上外嚙合齒輪的校核：
計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果
3.3.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
1、 初步計算
轉(zhuǎn)矩T1 T1=9.55*1000000*P/n1 T1=73462N.mm
=9.55*1000000*4/520
齒寬系數(shù)jd 由手冊可取jd=1.0 jd=1.0
接觸疲勞 由手冊可得 σhlim1=710MPa
極限σhlim σhlim2=580MPa
初步計算的許用 【σh1】=0.9σhlim1 【σh1】=639MPa
接觸應(yīng)力【σh】 =0.9*710
【σh2】=0.9σhlim2 【σh2】=522MPa
Ad值 由手冊可得Ad=85
初步計算的 由公示可得
小齒輪直徑d1 d1≥60mm 取d1=86mm
初步齒寬b b=jd *d1=1*80 b=86mm
2、 校核計算
圓周速度 v v=3.14*d1*n1/60000 v=2.34m/s
精度等級 由手冊可得 選8級精度
齒數(shù)z和模數(shù)m 初選齒數(shù)z1=43；
z2=47
m=d1/z1=86/43 取m為2
則z1=d1/m=86/2 取z1=43
z2=43 z2=43
使用系數(shù)Ka 由手冊可得 Ka=1.5
動載系數(shù)Kv 由手冊可得 Kv=1.2
齒間載荷分配系數(shù)Kha 先求Ft=2T1/d1
=2*73462/86=1708.4N
Ka*Ft/b=1.5*1708.4/86=29.8N/mm<100N/mm
εa=[1.88-3.2(1/z1+1/z2)]*cos?=0.39
Zε=1.1
由此可得Kha=0.826 Kha=0.826
齒向載荷分布系數(shù)Kh? 由手冊可得 Kh?=1.38
載荷系數(shù)K K=Ka*Kv*Kha*Kh? K=2.05
彈性系數(shù)Ze 由手冊可得 Ze=189.8MPa
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Zh 由手冊可得 Zh=2.5
接觸最小安全系數(shù)Shmin 由手冊可得 Shmin=1.05
總工作時間Th Th=10*300*8*0.2 Th=4800h
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nl 由手冊可得 Nl1=5.79*107
Nl2=1.93*107
接觸壽命系數(shù)Zn 由手冊可得 Zn1=1.18
Zn2=1.25
許用接觸應(yīng)力【σh】 【σh1】=710*1.18/1.05 【σh1】=798MPa
【σh2】=580*1.25/1.05 【σh2】=690MPa
驗算 由公式可得 σh=328MPa《【σh2】
計算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較
為合適，齒輪尺寸無序調(diào)整。
3、 確定傳動主要尺寸
實際分度圓直徑D 因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時，齒數(shù)已重新確定，
但并未圓整，故分度圓直徑不會改變，即
d1=m*z1=2*43=86mm d1=86mm
d2=m*z2=2*47=94mm d2=94mm
中心距a a=m（Z1+Z2）=2*（43+47）=180mm
a=180mm
齒寬b b=jd *d1=1*86 取b1=86mm，
b2=94mm
3.3.2齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算
重合度系數(shù)Yε Yε=0.25+0.75/?a Yε=2.173
齒間載荷分配系數(shù)Kfa 由手冊可得 Kfa=0.46
齒向載荷分布系數(shù)Kf? b/h=86/(2*2.25)=19.1
由手冊可得 Kf?=1.38
載荷系數(shù)K K=Ka*Kv*Kfa*Kf? K=1.14
齒形系數(shù)Yf 由手冊可得 Yfa1=2.46
Yfa2=2.19
應(yīng)力修正系數(shù)Ysa 由手冊可得 Ysa1=1.65
Ysa2=1.8
彎曲疲勞極限σflim 由手冊可得 σflim1=600MPa
σflim2=450MPa
彎曲最小安全系數(shù)Sflim 由手冊可得 Sflim=1.25
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nl 估計3*10 6〈Nl[10 10則指數(shù)
m=49.91
NLl=Nv NL1=5.76*10 7
原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確
NL2=NL1/i NL2=6.30*10 7
彎曲壽命系數(shù)Yn 由手冊可得 Yn1=0.95
Yn2=0.97
尺寸系數(shù)Yx 由手冊可得 Yx =1.0
許用彎曲應(yīng)力【σf】 【σf1】=600*0.95*1/1.25
【σf1】=456MPa
【σf2】=450*0.97*1/1.25
【σf2】=349MPa
驗算 σf1=2K*T1*Yfa1*Ysa1*Y?=180MPa
〈 【σf1】
σf2=σf1*Yfa2*Ysa2/(Yfa1*Ysa1)=175MPa
〈 【σf2】
傳動無嚴(yán)重過載，故不作靜強(qiáng)度校核
3.4軸的選用與校核
軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼，碳素鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性小，所以應(yīng)用較為廣泛。常用的碳素鋼有30~50鋼，最常用的為45鋼。為保證其力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。此處軸的材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。
在一般情況下，軸的工作能力約定于它的強(qiáng)度和剛度，對于機(jī)床主軸，后者尤為重要。高速轉(zhuǎn)軸則還決定于它的震動穩(wěn)定性。在設(shè)計軸時，除應(yīng)按工作能力準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計計算或校核計算外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上還須滿足其他一系列的要求，例如：1）多數(shù)軸上零件不允許在軸上作軸向移動，需要軸向固定的方法使它們在軸上有確定的位置；2）為傳遞轉(zhuǎn)矩，軸上零件還應(yīng)作周向固定；3)對軸與其他零件間有相對滑動的表面應(yīng)有耐磨性的要求；4）軸的加工、熱處理裝配、檢驗、維修等都應(yīng)有良好的工藝性；5）對重型軸還須考慮毛坯制造、探傷、起重等問題。
軸的強(qiáng)度校核主要有三種方法：許用切應(yīng)力計算、許用彎曲應(yīng)力計算；安全系數(shù)校核計算。此處用安全系數(shù)計算法來校核軸：
a) 軸結(jié)構(gòu)圖
b) 垂直面受力圖
d)水平面受力圖
e)垂直面彎矩圖
f) 水平面彎矩圖
g)
h)
i）當(dāng)量彎矩圖N.mm
校核過程：
計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果
判斷危險截面 初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 四個
截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下
面校核截面Ⅰ進(jìn)行安全系數(shù)校核。
對稱循環(huán)疲勞極限 軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，σb=650MPa，
σs=360MPa，由手冊可求得疲勞極限：
σ-1b=0.44σb=0.44*650
σ-1b=286MPa
τ-1=0.30σb=0.30*650
τ-1=312MPa
脈動循環(huán)疲勞極限 σob=1.7σ-1b=1.7*286
σob=486MPa
τo=1.6 τ-1=1.6*1.95
τo=312MPa
等效系數(shù) ψσ=（2*286-486）/486
ψσ=0.18
ψτ=（2*195-312）/312
ψτ=