錐齒輪的設(shè)計(jì)

（2）傳動(dòng)方案本次設(shè)計(jì)的山地割草機(jī)的傳動(dòng)部分主要是長(zhǎng)軸帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪帶動(dòng)另一錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并且改變方向，最后傳到到割刀轉(zhuǎn)動(dòng)，將苜蓿的根部草割斷。傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)主要是對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)的類型齒輪傳動(dòng)就裝置形式分：1）開式、半開式傳動(dòng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械以及簡(jiǎn)易的機(jī)械設(shè)備中，有一些齒輪傳動(dòng)沒(méi)有防塵罩或機(jī)殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)不僅外界雜物極易侵入，而且潤(rùn)滑不良，因此工作條件不好，輪齒也容易磨損，故只宜用于低速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)裝有簡(jiǎn)單的防護(hù)罩，有時(shí)還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動(dòng)。它工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴(yán)密防止外界雜物侵入，潤(rùn)滑條件也不算最好。2）閉式傳動(dòng)而汽車、機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的齒輪傳動(dòng)，都是裝在經(jīng)過(guò)精確加工而且封閉嚴(yán)密的箱體(機(jī)匣)的，這稱為閉式齒輪傳動(dòng)(齒輪箱)。它與開式或半開式的相比，潤(rùn)滑及防護(hù)等條件最好，多用于重要的場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)的推移式割草機(jī)割草總成部分尺寸比較小，傳動(dòng)齒輪尺寸和質(zhì)量比較小，轉(zhuǎn)速比較高，且沒(méi)有防護(hù)罩，如果選用開式容易損壞其壽命，因此齒輪傳動(dòng)選用閉式傳動(dòng)。齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，所以齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形等。齒輪傳動(dòng)的失效形式不大可能同時(shí)發(fā)生，但卻是互相影響的。例如齒面的點(diǎn)蝕會(huì)加劇齒面的磨損，而嚴(yán)重的磨損又會(huì)導(dǎo)致輪齒折斷。在一定條件下，由于上述第一、二種失效形式是主要的，因此設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作條件分析其可能發(fā)生的主要失效形式，以確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式進(jìn)行的。對(duì)一般齒輪傳動(dòng)，目前廣泛采用的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度兩種計(jì)算方法足以確定其承載能力。1）、閉式齒輪傳動(dòng)軟齒面（HB350）閉式齒輪傳動(dòng)：一般失效形式是點(diǎn)面點(diǎn)蝕，故通常先按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)幾何尺寸，然后用彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算其承載能力。硬齒面（HB350）閉式齒輪傳動(dòng)：一般失效形式是齒根折斷，故通常先按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)幾何尺寸，然后用齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算其承載能力。2）、開式齒輪傳動(dòng)屬材料是一項(xiàng)十分重要的工作。為了保證齒輪工作的可靠性，提高其使用壽命，齒輪的材料及其熱處理應(yīng)根據(jù)工作條件和材料的特點(diǎn)來(lái)選取。對(duì)齒輪材料的基本要求是：應(yīng)使齒面具有足夠的硬度和耐磨性，齒心具有足夠的韌性，以防止齒面的各種失效，同時(shí)應(yīng)具有良好的冷、熱加工的工藝性，以達(dá)到齒輪的各種技術(shù)要求。常用的齒輪材料為各種牌號(hào)的優(yōu)質(zhì)碳素對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)一般以齒根折斷和齒面磨損而失效。但目前尚無(wú)完善的磨損計(jì)算方法，故僅以齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)幾何尺寸或驗(yàn)算其承載能力，并在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)用適當(dāng)加大模數(shù)（增大10%或15%）的辦法來(lái)考慮磨損因素的影響。由于本次設(shè)計(jì)的手推割草機(jī)的齒輪傳動(dòng)屬閉式傳動(dòng)且屬于高速傳動(dòng)的硬齒面，因此需按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。齒輪的材料選擇及其熱處理齒輪是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)零件。齒輪傳動(dòng)通過(guò)輪齒互相嚙合來(lái)傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并可以改變運(yùn)動(dòng)的形式和速度。齒輪傳動(dòng)使用范圍廣，傳動(dòng)比恒定，效率較高，使用壽命長(zhǎng)。在機(jī)械零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)零件的過(guò)早損傷，甚至失效。因此如何合理地選擇和使用金結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料等。一般多采用鍛件或軋制鋼材。當(dāng)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸較大，輪坯不易鍛造時(shí)，可采用鑄鋼。開式低速傳動(dòng)時(shí)，可采用灰鑄鐵或球墨鑄鐵。低速重載的齒輪易產(chǎn)生齒面塑性變形，輪齒也易折斷，宜選用綜合性能較好的鋼材。高速齒輪易產(chǎn)生齒面點(diǎn)蝕，宜選用齒面硬度高的材料。受沖擊載荷的齒輪，宜選用韌性好的材料。對(duì)高速、輕載而又要求低噪聲的齒輪傳動(dòng)，也可采用非金屬材料、如夾布膠木、尼龍等。鋼制齒輪的熱處理方法主要有以下幾種：1)表面淬火常用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr鋼等。表面淬火后，齒面硬度一般為4055HRC。特點(diǎn)是抗疲勞點(diǎn)蝕、抗膠合能力高，耐磨性好。由于齒心部末淬硬，齒輪仍有足夠的韌性，能承受不大的沖擊載荷。2)滲碳淬火常用于低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr鋼等。滲碳淬火后齒面硬度可達(dá)5662HRC，而齒心部仍保持較高的韌性，輪齒的執(zhí)彎強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性較好，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動(dòng)。齒輪經(jīng)滲碳淬火后，輪齒變形較大，應(yīng)進(jìn)行磨齒。3)滲氮滲氮是一種表面化學(xué)熱處理。滲氮后不需要進(jìn)行其他熱處理，齒面硬度可達(dá)700900HV。由于滲氮處理后的齒輪硬度高，工藝溫度低，變形小，故適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪，常用于含鉻、銅、鉛等合金元素的滲氮鋼，如38CrMoAlA。4)調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn鋼等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度一般為220280HBS。因硬度不高，輪齒精加工可在熱處理后進(jìn)行。5)正火正火能消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可采用中碳鋼正火處理，大直徑的齒輪可采用鑄鋼正火處理。一般要求的齒輪傳動(dòng)可采用軟齒面齒輪。為了減小膠合的可能性，并使配對(duì)的大小齒輪壽命相當(dāng)，通常使小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面硬度高出30-50HBS。這是因?yàn)樾↓X輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強(qiáng)度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強(qiáng)度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。對(duì)于高速、重載或重要的齒輪傳動(dòng)，可采用硬齒面齒輪組合，齒面硬度可大致相同。綜上所述，選擇小齒輪大齒輪材料分別為40Cr、45，調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度極限分別為850Mpa，700Mpa，屈服極限分別為670Mpa、500Mpa，齒芯部硬度為280HBS。齒輪精度的選擇各類機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍列于下表中，按載荷及速度推薦的齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)如下圖所示。各類機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍：機(jī)器類型精度等級(jí)范圍機(jī)器類型精度等級(jí)范圍汽輪機(jī)36拖拉機(jī)68金屬切削機(jī)床38通用減速器68航空發(fā)動(dòng)機(jī)48鍛壓機(jī)床69輕型汽車58起重機(jī)710載重汽車79農(nóng)用機(jī)器811注：主傳動(dòng)齒輪或重要的齒輪傳動(dòng)，精度等級(jí)偏上限選擇；輔助傳動(dòng)齒輪或一般齒輪傳動(dòng)，精度等級(jí)居中或偏下限選取。錐齒輪設(shè)計(jì)步驟選定齒輪類型。精度等級(jí)。材料及齒數(shù)、選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪齒輪傳動(dòng)，壓力角取20。齒輪精度取8級(jí)，材料選擇：小齒輪40cr（調(diào)質(zhì)）齒面硬度280HBS b=850 s=670大齒輪45鋼（調(diào)質(zhì)）齒面硬度280HBS b=700 s=500選小齒輪齒數(shù)z1=16,大齒輪齒數(shù)z2=21,u=1.31 1. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)（1） 試算小齒輪分度圓直徑，即d1t=34KHtR 1-0.5R2uZHZEH21） 確定公式中的各項(xiàng)參數(shù)值試選KHt=1.3計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩。T1=9.5510610/6500Nmm選取齒寬系數(shù)R=0.3由圖查得區(qū)域系數(shù)ZH=2.5由表查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8Mpa計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力H由圖查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為Hlim1=600Mpa,Hlim2=550Mpa由式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1JlH=606500118100015=4.147109N2=N1/u=4.147109/1.31=3.166109由圖查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1= 0.9 KHN2=0.92取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式得H1=KHN1Hlim1S=0.96001=540MPaH2=KHN2Hlim2S=0.925501=506MPa取H1H2中較小者為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即H1=H2=506MPa2）試算小齒輪分度圓直徑 d1t34KHtR 1-0.5R2uZHZEH2=341.30.21301040.310.50.321.312.5189.85062=32.50mm（2） 調(diào)整小齒輪分度圓直徑1) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 圓周速度v。dm1=(1-0.5R)=32.5(1-0.50.3)=27.625mmvm=dm1n1601000=27.62565006010009.397m/s 當(dāng)量齒輪的齒寬系數(shù)d。b=Rd1tu2+1/2=0.332.51.312+1/2=8.025mmd=8.02527.625=0.2902) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KH 由表查得使用系數(shù)KA=1. 根據(jù)vm=9.397m/s,8級(jí)精度，由圖查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.25。 直齒錐齒輪精度較低，尺間載荷分配系數(shù)KH=1. 由表用插值法查的8精度、小齒輪懸臂時(shí)，得齒向載荷分布系數(shù)KH=1.0KH=KAKVKHKH=1.251.2511=1.56253) 由式可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑為d1=d1tKHKHt=32.531.56251.3=34.536mm及相應(yīng)的齒輪模數(shù)，m=d1/z1=34.536/16=2.1585mm3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)（1） 由式試算模數(shù)mt34KHtR 1-0.5R2uYFaYsaF21）確定公式中的各項(xiàng)參數(shù)試選KFt=1.3計(jì)算YFaYsaF由分錐角sin1 /sin2=1.31 1+2=120解得1=33.4647 2=86.5353可得當(dāng)量齒數(shù)zV1=z1/cos1=19.180 zV2=z2/cos2=347.49由圖查得齒形系數(shù)YFa1=2.88 YFa2=2.10由圖查得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa2=1.90由圖查得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為Flim1=500MpaFim2=380Mpa有圖取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85 KFN2=0.86取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.7，由式得F1=KFN1KFN2S=0.855001.7=250MpaF2=KFN2KFN2S=0.863801.7=192MpaYFa1Ysa1F1=2.881.58250 = 0.018Mpa YFa2Ysa2F2=2.101.90192=0.0207Mpa因?yàn)榇簖X輪的YFaYsaF大于小齒輪的，所以取YFaYsaF=YFa2Ysa2F2=0.0207Mpa2）試算模數(shù)。mt34KHtR 1-0.5R2uYFaYsaF2=31.30.2131040.3（1-0.50.3）2162（2116）2+10.0207=0.996（2）調(diào)整齒輪模數(shù)1）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 圓周速度v。d1=mtzt=0.99616=15.936dm1=d1(1-0.5R)=15.9360.85=13.5456vm=dm1n1601000=13.54566500601000=4.608m/s 齒寬bb=Rd1u2+1/2=0.315.9360.312+1/2=2.5026mm2)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF。 根據(jù)v=1.887m/s，8級(jí)精度，由圖查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.2 直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分配系數(shù)KF=1 由表用插值法查得KH=1于是KF=1，則載荷系數(shù)為KF=KAKVKFKF=1.251.211=1.54) 由式，可得按載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)為m=mt3KFKFt=0.99631.51.3=1.0446mm按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)1.25，按照接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=34.536,算出小齒輪齒數(shù)在z1=d1/m=4.536/1.25=27.6288.取z1=28,大齒輪齒數(shù)z2=uz1=1.3128=36.75為了使兩齒輪齒數(shù)互質(zhì)取z2=374. 幾何尺寸計(jì)算（1） 計(jì)算分度圓直徑d1=z1m=281.25=35mm d2=z2m=371.25=46.25mm（2） 計(jì)算分錐角1=46.56,2=73.44（3） 計(jì)算齒輪寬度b=Rd1u2+1/2=0.3351.322+1/2=8.6941mm取b1=b2=10mm5. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖（從略）6. 主要涉及結(jié)論齒數(shù)z1=28,z2=37,模數(shù)m=1.25,標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)幾何參數(shù)及尺寸名稱代號(hào)小齒輪大齒輪分錐角46.5673.44齒頂高h(yuǎn)a125齒根高h(yuǎn)f1.5分度圓直徑d3546.25齒頂圓直徑da36.71946.963齒根圓直徑df32.93745.395錐距R29.000齒根角f2.961頂錐角a49.52176.401根錐角f43.59970.479頂隙c0.25分度圓齒厚s1.9635當(dāng)量齒數(shù)zv40.722129.816齒寬B10