畢業(yè)論文（設計）齒輪組合教具的創(chuàng)新設計

1、誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導 下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中 列出。本人簽名:2015年6月5日畢業(yè)設計任務書設計題目：齒輪組合教具的創(chuàng)新設計系部：機械工程系專業(yè):機械設計制造及其自動化 學號:門20門335學生：指導教師(含職稱)：(講師)1 課題意義及目標木課題針對現(xiàn)有齒輪教具的不足進行分析，創(chuàng)新設計一種多功能齒輪組合教具， 實現(xiàn)一臺教具完成多個齒輪教學知識點的功能演示。2. 主要任務(1) 分析現(xiàn)有齒輪教具的不足，提出設計思路。(2) 完成組合教具的方案設計，完成組合教具中各運動機構的運動分析及參數(shù)設 計。(3) 完成組合教具

2、的零部件結構設計，完成零部件的選型及選材。(4) 完成組合教具的三維實體模型建立。(5) 提交設計說明書一份，提交組合教具的總裝圖、零件圖若干(符合畢業(yè)設計 要求，合計達到2張a1圖紙以上)，提交三維實體模型。3. 主要參考資料11濮良貴，紀名剛機械設計m.8版.北京:高等教育出版社,2010:186269.2孫恒，陳作模機械原理m7版北京：高等教育出版社,2012： 174-254.31李華敏，李瑰賢齒輪機構設計與應用m.北京:機械工業(yè)出版社，2008： 3-406.4. 進度安排設計各階段名稱起止日期1查閱文獻，完成開題報告2015.03.03 至 2015.03.232完成教具設計方案的

3、初步建立2015.03.24 至 2015.0433完成方案比較及主要零部件結構設計2015.04.14 至 2015.05.044完成仿真模型并撰寫設計說明書2015.05.05 至 2015.06.015提交及修改設計說明書，答辯2015.06.02 至 2015.06.22齒輪組合教具的創(chuàng)新設計摘 要：各種類型的齒輪機構以其顯著的優(yōu)點廣泛地出現(xiàn)在各個領域，如農業(yè)機械， 航空航天，交通運輸及儀器儀表等。為了更好的了解各類齒輪機構，尤其為想從事機 械行業(yè)工作和想快速了解各類齒輪機構的學者提供一個高效快速的入門捷徑，針對現(xiàn) 有的齒輪教具的諸多不足之處，提出了這-研究課題齒輪組合教具的創(chuàng)新設計。

4、本設 計從教具應有的功能特點出發(fā)，分析出了所應包含的各類齒輪機構以及其數(shù)目，排列 順序，材料的選擇，包括精度等級等技術要求，進行運動分析，繪制其運動簡圖。并 設計了軸，鍵等其他零部件的結構形式和參數(shù),保證理論上設計的正確性，合理性。最 后繪制了教具的裝配圖，各個零件圖，并建立了教具的三維模型，完成運動仿真。關鍵詞：齒輪機構，組合教具，綜合能力，運動仿真。the creative design of gear combination teaching toolsabstract： every type of gear is widely used in many fields such as a

5、gricultural machinery, aeronautics and astronautics, transportation and accurate instrument on account of its obvious advantages. in order to know better of all kinds of gears, especially someone who wants to be occupied in the machinery industry and new learners, this design can supply a shortcut f

6、or them. the design is aimed at the disadvantages of current teaching aids and proposed as a result. the design starts from the function and characteristics of the teaching aids, including the type of gear should be included in it ,the number and arrangement of them, the selection of material, accur

7、acy grade and other technical requirements. it turns to a good analysis of movement and the kinematic diagram. the design should also content axis, bearings, the keys and the parameter of them to pledge a correct and logic design in theory. the following task is to complete the erection drawing and

8、part drawing, building the 3d modeling and motion simulation of the teaching aids come at last.keywords:gear mechanism, composite teaching aids, creativity, motion simulation.1緒論11.1課題的內容和背景11.2國內外的研究動態(tài)21.3發(fā)展趨勢22設計方案的擬定42. 1教具的功能特點分析42. 2傳動順序的分析52. 3傳動方案的擬定53齒輪材料的選擇和熱處理73. 1齒輪材料的選擇和熱處理73. 2精度和粗糙度的選擇

9、74參數(shù)的設計與校核94. 1基木知識94. 2齒形選擇94. 3參數(shù)的選取與設計94. 4變位修正115其他零部件的設計與校核165.1軸的設計165. 2軸承的選定175. 3鍵的選定186加工方法和誤差檢測196. 1加工方法196. 2誤差的檢測197潤滑方式與潤滑劑218模型建立和運動仿真228. 1齒輪的建模與繪制228. 2裝配與仿真22總結24參考文獻25致謝27in1緒論1.1課題的內容和背景各種樣式的齒輪機構在我們的牛活和牛產(chǎn)中擔任著不可替代的角色，和我們的衣 食住行息息相關，在解放和大力發(fā)展生產(chǎn)力方面起著重要作用。交通運輸，航空航天 以及礦山機械，農業(yè)機械，軍事裝備，乃至

10、各種機床，精密的儀器儀表等諸多領域都 用到齒輪機構來實現(xiàn)傳動。各種類型的齒輪機構之所以能有如此廣泛的應用，和其優(yōu) 點是分不開的。結構緊湊，占據(jù)的空間較小，能夠傳輸?shù)墓β史秶鷱V，效率高，既可 用于高速重在的場合，也可用于精密微小的儀器，甚至可以實現(xiàn)脈動，傳動精確，在 設計和維護較好的情況下可以有較長的使用壽命，因此齒輪機構在工業(yè)牛產(chǎn)中仍然保 持著強大的牛命力。但是人們對各種齒輪機構的理論硏究與實踐仍在不斷地進行，以 期望能夠獲得新的進展，取得更好的的研究成果，以便于讓它們更好地為人類服務， 創(chuàng)造更大的財富與價值。這也是人類認識自然，改造自然，傳播知識和文明的必由之 路。但對齒輪的傳統(tǒng)的研究多是為

11、了滿足齒輪的強度，壽命，以及穩(wěn)定性等工作條件, 現(xiàn)在隨著科學技術的進步人們的要求也越來越高，研究如何提高齒輪的精度，效率， 可靠性，改進加工方法等更深層次的理論知識。關于齒輪的新產(chǎn)品也層出不窮，如風 電齒輪箱，復合齒輪泵等。人們對大自然總是充滿了好奇心，不論是想了解各種齒輪機構的基木知識以豐富 自己的知識，還是想要從事機械行業(yè)方面工作的，都必須建立一個較全面的系統(tǒng)性的 知識體系，從基木的知識入手，由淺入深，不斷精進，并付之于實踐，這也是對知識 的一個學習鞏固和綜合運用的基木過程，以此來提高自己的工作能力和擴展知識面， 然后才能去學習研究新的更深層次的知識，循序漸進。齒輪組合教具的創(chuàng)新設計正是基

12、于這一情況提出的，青年一代是祖國的未來，我 們必須豐富自己的知識，提高自己的工作能力，我們在學習機械原理和設計這樣的課 程時，老師為了提高教學效率，常給我們安排實驗或是用教具來演示一些運動規(guī)律， 基木知識等。但這類教具大多功能單一分散，每臺教具所包含的知識點相對較少，能 夠完成的教學任務也相對較少，各教具之間無內在聯(lián)系，彼此分離，對知識的綜合性 較差，體積龐大，難以移動。有的脫離了實用背景，失去了研究意義與價值，而且大多 數(shù)齒輪教具是由專門的企業(yè)單位制造的，再由學校訂購，不利于激發(fā)學生學習的積極 性，培養(yǎng)動手實踐和自主創(chuàng)新的能力，有些教具已陳i口落后，價值不再。齒輪組合教 具的創(chuàng)新設計這一課題

13、由淺入深，從最基本的知識點入手，步步深入，涉及眾多的知 識，是對知識的一次綜合應用和全面的闡釋。1. 2國內外的研究動態(tài)素質教育一直是人們普遍關注的話題，人們越來越注重知識的實用性，關于各種 齒輪機構的教具和新產(chǎn)品陸續(xù)被開發(fā)出來并投入使用。如章動齒輪傳動減速機構與仿 真，在cad環(huán)境下建立的范成法加工齒輪的仿真，仿生齒輪的研究，基于人工智能 的齒輪cad系統(tǒng)（gcad）系統(tǒng)的研究與開發(fā)，轎車變速箱低速檔齒輪動力學仿真 及熱分析等正被陸續(xù)研究和投入教學科研領域，各類創(chuàng)新型的齒輪組合教具也層出不 窮，有到為小孩專門設計的玩具類齒輪教具等，為激發(fā)好奇心與興趣，可以自行裝拆, 重組，進行機構的倒置與變

14、換。也有為實現(xiàn)可變中心距的鼓形齒輪機構，永磁齒輪機 構，空間多自由度的球面齒輪傳動，用于專門場合的不完全齒輪機構，完全可以根據(jù) 工作的要求和條件自行設計等，相繼出現(xiàn)在教學和?；钪械凝X輪產(chǎn)品中。在每屆全國大學牛創(chuàng)新設計大賽中也有新創(chuàng)作陸續(xù)涌現(xiàn)，如非圓齒輪傳動演示 儀，多功能齒輪傳動教具箱，漸開線齒輪齒廓生成演示儀等。國外的研究成果更是喜 人，研究到各種微小模數(shù)齒輪機構并結合各類傳感器，實現(xiàn)小功耗，微尺寸，無需人 工控制，能在特殊條件下工作，研究出各類新產(chǎn)品，以用于科研，醫(yī)學，探測等諸多 領域。隨著教育改革的深入進行和水平的不斷提高，知識也在不斷擴充，延展，綜合和 運用，人們對教育和科研的關注，投

15、入，創(chuàng)新和實踐，不斷會有各種新型的齒輪組合 教具出現(xiàn)在我們的身邊，我們的教育事業(yè)將會有更好的成果。1. 3發(fā)展趨勢現(xiàn)在學科的發(fā)展往往不再是單學科的發(fā)展，而是相互之間交叉發(fā)展，互相聯(lián)系， 彼此為依據(jù)或工具，因此科技才得以取得長足的進步并為我們的牛產(chǎn)和?；钤龉馓?彩。在對各類新型的齒輪機構及其產(chǎn)品進行研究的過程中，人們對于各種新理論，新 材料，新技術都期望有新的突破。綜合考慮各種理論知識，改善其工作條件，尋找各 類新材料，讓其能夠在高溫，高強度的條件下工作，變形小，性能可靠穩(wěn)定，仍能保 持一定的精度廉價易得。結合各類涂層技術，制造出耐磨損，高硬度的齒輪機構，并 綜合考慮其應用場合，設計，生產(chǎn)，加工

16、，裝配，維修保養(yǎng)等全面的過程。各類齒輪 的制造和安裝精度一般都要求較高，因此也會有各項誤差的檢測工具，測量技術，新 的軟件或系統(tǒng)應運而生。相信以后的齒輪組合教具和產(chǎn)品，所涉及到的知識面會更廣, 材料更新穎，理論會更先進，更好得為人類社會服務，為教育事業(yè)貢獻新的力量。2設計方案的擬定2. 1教具的功能特點分析緊緊圍繞著課題的中心“齒輪組合教具的創(chuàng)新設計”，既然是做教具，就必須突 顯教具的功能和特點，實現(xiàn)其應有的價值，尤其是為初學者在學習各種齒輪機構及其 功能特點時提供一個可視的直觀的學習資源，具備形象立體，看得見，摸得著的基木 特征，其次就是把所學的理論知識綜合運用，加以創(chuàng)新，盡可能包含較多的教

17、學知識 點，可以完成較多的教學內容，進行多項實驗，還要克服傳統(tǒng)的，分離式教具的互不 聯(lián)系，彼此分離，功能單一等缺點，成為老師的“好助手”，同學們的“好朋友”。齒輪組合教具來源于?；詈蜕a(chǎn)，最終也要回歸于生活和牛產(chǎn)中，以便更好的 為人們服務。人們在不斷地探索，總結中發(fā)現(xiàn)，齒輪機構形式多樣，功能強大，優(yōu)點 突出。為了更好得學習和運用齒輪機構，我們從功能分析入手，結合齒輪的應用場景, 分析教具中應該有的齒輪類型和零部件的種類，并且盡量做到不重不漏，精簡而全面。在牛產(chǎn)過程中，我們往往需要精確的運動，得到確定的運動規(guī)律，我們就會用到 圓形齒輪機構，它可以保持恒定的傳動比傳動，這也是最常見的基木形式，非圓

18、齒輪 機構的傳動比不是恒定的，用的相對較少，只用于有特定需求的場合，這里就不做介 紹。圓形齒輪機構可以實現(xiàn)空間的多種傳動形式，如平行軸，相交軸及交錯軸之間的 傳動，視具體的工作需要可以自行設計，齒向也可以分為直齒，斜齒，以及曲線齒， 如在汽車減速器中就需要改變轉速，用到較多的直齒或斜齒的圓柱齒輪，而在換速裝 置中依靠齒輪在不同的位置的嚙合傳動情況，因此在教具中也將涉及到滑移齒輪，有 些場合需要把肓線運動變換為旋轉運動，或是把旋轉運動變換為育線運動，如機床中 的滾珠絲杠螺母副，或是采用齒條機構，因此，教具中也將會擊現(xiàn)齒條機構，有些地 方需要改變轉軸的方向，將水平軸的轉動傳到豎直的軸上，需要用到圓

19、錐齒輪來實現(xiàn), 教具中也有涉及，有的場合要傳遞較大的功率，就會用到蝸輪蝸桿機構，同時獲得較 大的傳動比范圍，有些精密的儀器或是高速運轉的機械中需要保持運動精度，消除軸 向力的影響，在組合教具中出現(xiàn)了人字齒輪機構，讓其軸向力自行平衡，有的場合齒 輪的齒數(shù)較少，為了避免根切現(xiàn)象，提高承載能力和壽命，或是為了克服標準齒輪難 于裝配的問題，采用了變位修正的方法，因此在設計這套教具中將涉及到變位齒輪。 綜上所述，在設計的這套齒輪組合教具中將涉及到直齒圓柱齒輪，斜齒圓柱齒輪，人 字齒輪，圓錐齒輪，齒條，蝸輪蝸桿等機構以及變位齒輪，周轉輪系。它們各自的特 點將結合后面的參數(shù)設計和運動分析中具體說明。2. 2

20、傳動順序的分析有了這些零件還需要根據(jù)一定的規(guī)律并結合實際情況，把這些齒輪的安裝和傳動 順序擬定出來。有些場合需要同時具有轉動和直線運動，或是幾個運動保持嚴格的速 比關系才能完成牛產(chǎn)任務，如在數(shù)控車床上加工螺紋，需要保持主軸的轉速和肓線進 給運動之間的確定性的關系，實現(xiàn)分路傳動，具有多條傳動鏈。有的需要獲得較大的 傳動比和變速范圍，僅靠一級傳動是無法實現(xiàn)的，有的需要合成運動，換向運動等。為了讓教具更夠清楚地復現(xiàn)出運動規(guī)律，采用人力搖動手柄的方式驅動主動軸的 運動，轉速可以根據(jù)需要自己控制，也可以快速地啟動與停止，改變轉向。為了獲得 較精確的運動規(guī)律，減小軸向力的影響，保持運動精度，把人字齒輪安放

21、在前級的主 傳動鏈上。為了把齒輪的轉動轉換為齒條的移動，同時滿足有較大工作行程的要求， 把齒條裝置安排在分路運動的末端。為了獲得周轉運動，如有些連桿機構需要主動曲 柄，可以在周轉輪系中讓行星架作為輸出構件，并且也安排在分路的末端。有的需要 較大的功率要求，采用蝸桿帶動蝸輪以傳輸較大的功率，也可置于分路的末端。為了 觀察變位齒輪和標準齒輪的區(qū)別，便于比較，可將其相鄰安裝。為了改變傳動軸的旋 轉方向，把錐齒輪安裝在需要的地方。為了改變輸出部分的轉速，改變嚙合位置，需 要使用雙聯(lián)滑移齒輪，且安裝在前級位置。為了得到不同的轉向，使機構有正反行程, 在主動軸和后續(xù)從動軸之間借助雙聯(lián)滑移齒輪的作用安裝過論

22、。2. 3傳動方案的擬定綜合考慮該齒輪組合教具傳動比分配的合理性，機械的效率問題，保證機械的正 常運轉，保證所設計的教具理論上的正確性，及可行性，經(jīng)濟性等，初步確定各類型 齒輪的數(shù)目，安裝順序和位置，擬定出設計方案，加以修改并繪制出機構示意圖如下。3齒輪材料的選擇和熱處理3. 1齒輪材料的選擇和熱處理各種齒輪機構的工作方式都有開式，半開式和閉式。作為教具，為了具有可見性, 常做成開式的，經(jīng)常暴露在空氣中，可能空氣潮濕或有其他不利條件。齒輪的失效形 式也較多，如輪齒折斷，磨損，點蝕，膠合和塑性變形等。在工程中傳統(tǒng)的設計準則 一般包括：一是保證齒根的彎曲疲勞強度，二是保證齒面接觸疲勞強度。但作為教

23、具, 一般都在低速，輕載的條件下工作，使用較多。在常用的材料中，一般都能滿足強度, 剛度的要求，而要考慮耐磨損，耐腐蝕的能力，廉價易得，便于加工，重量輕。常用的齒輪材料有鋼，鑄鐵和非金屬材料等。為提高教具的使用壽命，考慮其 耐磨損，耐腐蝕，廉價易得等原則。初步選定在每對嚙合的齒輪中，小齒輪采用40cr, 調質處理，大齒輪采用45鋼，調質處理，使得嚙合的兩齒輪的齒面間硬度差在 30-50hbs范圍內或更多。查得：40cr,調質處理后,強度極限：700mpa,屈服極限：500mpa,硬度：241286(hbs)o45鋼，調質處理后，強度極限：650mpa,屈服極限:360mpa,硬度：217-25

24、5(hbs)o可以滿足教具材料的要求。如果有條件可以對材料表面進行硬化，常用的方法有滲碳，氮化和表面淬火。3. 2精度和粗糙度的選擇一般在工程實際中，對齒輪的制造和安裝精度要求都較高，尤其是高速和重載的 機械，否則運動精度得不到滿足會產(chǎn)牛較大的不平衡慣性力，引起強烈的振動，對機 構的正常工作和壽命影響很大，甚至引發(fā)事故。如果精度要求過高，沒有必要，并且 會增加制造難度和加工成木，在所設計的齒輪教具中，要結合工程實際的情況和教具 的要求，綜合考慮，選取合適的精度。齒輪的精度包括：設計精度，制造精度，測量精度和裝配精度。全過程都應對其 精度進行嚴格的檢測，任何一個環(huán)節(jié)的疏忽都可能引入較大的誤差，導

25、致機構無法安 裝或運行。初步選定外齒輪的精度等級為7級，內齒輪加工難度稍大，選定8級精度。 從設計到制造，再到裝配，要不斷地檢測其精度是否滿足要求，常需檢測的項目 和所用的工具如下。分度圓的跳動量：臺式千分表測量儀。齒輪孔的孔徑：圓柱量規(guī)。齒輪的端面跳動量：杠桿百分表。齒頂圓的直徑：游標卡尺。齒寬：游標卡尺。齒厚：齒厚游標卡尺。齒槽：量規(guī)。齒形：專用量規(guī)。齒側隙：專用量規(guī)。為提高各項精度，可采取如下措施。制造精度：(1) 提高設備的精度。(2)采用先進的制造工藝，如采用數(shù)控機床或加工中心 進行加工。(3)提高工人的技術水平。測量精度：(1)采用合理的方法及設備。(2)采用先進的高精度的測量儀器

26、。(3)檢測結 果必須嚴格符合設計要求。裝配精度：(1)選用先進的裝配設備和精確的工具，包括夾具等，要求其具有較高的定位 精度(2)采用合理的裝配工藝和方法。(3)培養(yǎng)裝配技能。4參數(shù)的設計與校核4. 1基本知識（1）傳動比：主動輪與從動輪的轉速（或角速度）之比。（2）對于整周傳動的齒輪，其傳動比等于齒數(shù)的反比。（3）齒輪嚙合基木定律相互嚙合傳動的一對齒輪，在任意位置是的傳動比都與其連心線被嚙合齒廓在接 觸點處的公法線所分成的兩線段長成反比。（4）共轆齒廓：能夠按照預定傳動比規(guī)律相互嚙合傳動的一對齒廓。常見的齒 懶類型有漸開線，擺線，變態(tài)擺線，圓弧，拋物線等幾種形式，其中漸開線齒廓是最 常用的

27、。（5）正確嚙合條件：對于漸開線齒廓，兩輪的模數(shù)和壓力角應分別相等（對于 斜齒輪，要求法面內模數(shù)和壓力角相等，錐齒輪大端模數(shù)和壓力角應相等）。（6）連續(xù)傳動條件：重合度應大于1 （在實際工程中要大于許用值）。（7）再設計中心距時應考慮：1）保證兩輪頂隙為標準值。2）保證理論側隙為 零。4. 2齒形選擇在所要設計的教具中，選用漸開線齒廓。因為漸開線齒廓是最常用最基礎的，理 論相對成熟，部分參數(shù)已實現(xiàn)了標準化，便于查找設計和加工，漸開線齒廓得以如此 廣泛的應用也因為其顯著的優(yōu)點：（1）能保證恒定的傳動比，在非標準安裝或是實際 中心距與設計中心距有變化時，其傳動比不受中心距變化的影響即具有可分性。（

28、2） 齒廓之間正壓力的方向保持不變，不論兩齒廓在何時何處嚙合，其正壓力的方向都將 沿著嚙合線方向。4. 3參數(shù)的選取與設計由于部分參數(shù)以實現(xiàn)了標準化，可以從相關的標準中直接選取，如模數(shù)，齒頂高 系數(shù)，壓力角也常定位20 ° （在斜齒輪中，其法面模數(shù)和壓力角為標準值）。各齒輪的類型及參數(shù)如下。（單位:mm省略）1 齒 輪 1:m=4,z 二 4&a=20° ,d= 192,b= 18,ha*=l,c'=0.25,ha=4,hf=5,da=200,df= 182, db= 180.48。2 齒輪2:m 二 4,z=19,a=20° ,d=76,b=14

29、,ha*=l,c*=0.25,ha=4,hf=5,da=84,df=66, db=71.44o3 齒輪3 （作為過輪）： m=4, z=17, a =20° , d=68, b=19, ha*二 1,c*=0.25,ha=4, hf=5, da=76, df=58, *=63.92。4 齒輪4（雙聯(lián)滑移齒輪）：ml=4, z=19, a 1=20° , d=76, b=14, ha*=l, c*二0.25, ha=4, hf=5, da=84, df=66, db=71.44 ；m2=4, z=24, a 2=20° , d=96, b=23,ha*=l, c*=

30、0.25, ha=4, hf=5, da= 104, df=86,氏=90.24。5 齒輪5 （人字齒輪）：m=5, z=18, u n=20° , b =20° , a t=21° 10 22", <1=95.78, b=40, ha*二 1, c*=025, ha=5, hf=6.25, da=105.78, df=83.2& db=89.31 o6 齒輪7（人字齒輪）：m=5, z=15, a n=20° , b =20, at=21° 10'22”, d二79.82, b二40, ha*=l, c*二0.

31、25, ha二5, hf=6.25, da=89.82, df=67.32, db=74.43o7 齒輪6： m=3, z=50, a =20° , d=150, b=12, ha*=l, c*=0.25, ha=3, hf=375, da=156, df=142.5, db=141o8 齒輪 16： m=3, z=20, a =20° , d=60, b=i7, ha*=l, c*=0.25, ha=3, hf=3.75, da=66, df=52.5, db=56.4.9 齒輪8（錐齒輪）：m（大）二4, z=15,a （大）=20° ,。二45°

32、,d二60,r=42.43, b=12, hn*=l, c*=0.2, ha=4, hf=4.8 ,da=65.64, df=53.21.10 齒輪9（錐齒輪）：m（大）二4, z=15,ci （大）=20° ,。二45。，d=60,r=42.43, b=12, ha*=i, c*=0.2, ha=4,hf=4.8 ,da=65.64, df=5321.11 蝸桿 10 （漸開線蝸桿）：m=1.6, z=l, y =4° 34'26", a n=20° , a a=20° 03'32”，q= 12.50, d=20, ha*=l

33、, c*二0.25, ha二 1.6, hf=2, da二23.2, df=16, b=43。12 蝸輪 11 （變位）：m=1.6, z=51, a =20° , x=0.500, d=80 （中間 平面），ha*=l, c*=0.25, ha=1.6, hf=2, da=83.2, df=76, de2=84, b=16。13 齒輪12 （負變位）：m二4, z=21, q =20° , x= .2, d=84, b=13,ha二5.8, hf=3.2,da二90.4, d二72.4, *=78.96。14 齒輪 13 （正變位）：m=4, z=15, a =20

34、76; , x=+0.2, d=60, b=18, ha=4.2, hf=4.8, da二69.6, df=51.6, db=56.4o15 齒輪 14 （斜齒輪）:m=4, z=19, a n=20° , 3=45, a t=27° 14'i1”, d=107.48, b=30, ha*=l, c*=0.25, ha=4, hf=5, da=115.48, df=97.48, *=95.56。16 齒輪 15 （斜齒輪）：m=4, z=17, a n=20° , b=45, a t=27° 1411”, d=96.16, b=30, ha*=l

35、, c*=0.25, ha=4, hf=5, da=104.16, df=86.16, db=85.50。17 齒輪17： m=4, z二24, a =20° , d二96, b二 15, ha*二 1, c*二0.25, ha二4, hf=5, da=104, df=86, db=90.24o18 齒輪 18 （齒條）：m=4, z二 16, a =20° ,齒形角=20° , b=25, ha*=l, c*=0.25, ha=4, hf=5。19 齒輪 19： m=3, z=24, a =20° , d=72, b=10, ha*=l, c*二0.2

36、5, ha=3, hf=3.75, da=78, cif=64.5, *=67.68。20 齒輪20（內齒圈）：m=3, z=60, ci =20° , d=180, b=30, ha*=l, c*=0.25, ha=3, hf=3.75, da二 174, df二 187.5, *二 169.2。21 齒輪21（行星輪）：m=3, z=18, u =20° , d=54, b=15, ha*=l, c*=0.25, ha=3, hf=3.75, da=60, df=46.5, db=50.76o22 齒輪22： m=4, z=21, a =20° , x=0,

37、d=84, b=13, ha*=l, c*=0.25,ha=4, hf=5, da=92, df=74, db=78.96ox=0, d=60, b=18, ha*二 1, c*二0.25,23 齒輪23： m二4, z=15, a =20°ha=4, hf=5, da=68, df=50, db=56.4o說明：1 蝸桿的分度圓直徑已經(jīng)標準化，且與模數(shù)相匹配，可以從相關的表中 查?。ú荒馨凑誨=m*z的公式來計算）。2 在蝸輪蝸桿的嚙合中，蝸桿的尺寸不能變，如果要變位只能對蝸輪進 行變位。可以根據(jù)中心距要求，模數(shù)和宜徑系數(shù)來選取蝸桿的導程角，蝸輪的 齒數(shù)和變位系數(shù)。3 蝸桿蝸輪機構

38、通常是由蝸桿來傳動蝸輪，其反行程可能具有自鎖性， 因此要選擇合理的參數(shù)，如導程角過小不利于傳動，此外由于蝸桿和蝸輪間的 摩擦較大，功率損失嚴重，易發(fā)熱，從而大大降低了機構的傳動效率，并且常 需要用特殊的耐磨材料來制造蝸輪。4 人字齒輪的齒形具有對稱性，所產(chǎn)生的軸向力可以自行平衡，因此其 螺旋角可以稍大于普通圓柱斜齒輪的螺旋角。5 有些機構需要曲柄作為原動件，在分路末端的輪系中把大齒圈加以固 定，行星架作為輸出構件來滿足要求。6 在考慮側隙時，要求理論側隙為零，但是還要考慮潤滑等條件須有很 小的側隙，又不至引起剛性沖擊，這部分的側隙可由公差來保證。4. 4變位修正直齒圓柱齒輪12與齒輪13相嚙合

39、，我們知道在直齒輪屮如果齒數(shù)少于17就容 易發(fā)生根切現(xiàn)象，降低齒輪的承載能力和使用壽命，因此經(jīng)常采取變位修正的方法， 對于小齒輪多采用正變位，而對于大齒輪多采用負變位，即在設計和加工時讓輪壞和 刀具z間相對移遠或移近一小段距離。齒輪13的齒數(shù)是15,要釆用正變位，教具屮可選取其變位系數(shù)位+0.2,而為了直觀地觀察到變位后齒輪的變化，采用一組標準齒 輪在標準安裝的情況下做對比，其中心距和傳動比不變，因此配對的齒輪12采用負 變位，其變位系數(shù)取0.2,o由于變位齒輪的分度圓和齒全高都不變，在變位前后嚙 合角不變，而齒頂高和齒根高都發(fā)生了明顯的變化，齒厚和齒槽寬也有變化，可以通 過對比發(fā)現(xiàn)。變位后:

40、(41)(42)(43)(44)齒厚s=( 31 / 2+2xtan a )m. 齒槽寬e=( n / 2一2xtan a )m. 齒根高 hf=(ha *+c*x)m. 齒頂高 ha=(ha*+x)m.在上面的四個式子中x的值可正可負，分別表示正變位和負變位。在蝸輪蝸桿中，采用圓柱蝸桿，環(huán)面蝸桿和錐蝸桿不涉及，其屮圓柱蝸桿有阿基 米德蝸桿（za蝸桿），漸開線蝸桿（zi蝸桿），法向直廓蝸桿（zn蝸桿）和錐面包 絡蝸桿（zk蝸桿）等幾種基本的形式。其屮漸開線蝸桿由于便于加工，應用廣泛， 因此在設計的組合教具中設計的是漸開線蝸桿。蝸輪的基本設計方法和齒輪類似，但 是在涉及到變位問題時，只能對蝸輪變

41、位而蝸桿不變位。常用的有蝸輪齒數(shù)不變而改 變中心距的變位方法和在傳動屮心距不變時改變蝸輪的齒數(shù)，在這里為配湊屮心距采 用后一種變位。以上已經(jīng)給出了各構件的參數(shù)和尺寸，計算過程這里不再贅述。4. 5機構運動簡圖的擬定和運動分析在前面已經(jīng)初步確定了各類齒輪機構的數(shù)口，排列順序，擬定了傳動原理圖，接 著設計出了各齒輪的基本參數(shù)和尺寸，因此便可以得出教具的運動簡圖。要理清運動 傳遞的順序和過程，從原動件到各個從動件，并選取合適的尺寸比例尺。在繪制運動 簡圖時，要選擇合適的視圖平面，簡單正確地把教具的組成結構和運動傳遞情況清晰 地反映出來，可以在軸上用轉向箭頭表示出軸的轉向。在設計的教具中，齒條輸出的直

42、線運動，因為實際中的齒條不可能無限長，不能 像齒輪那樣向一個方向連續(xù)不斷的運動，它的齒數(shù)和長度都有限，只要能滿足工作的 行程，在教具中能夠表現(xiàn)出其運動特征就可以了，因此常設有正反行程來改變其運動 方向。另外有些機械只能在單行程中工作，為提高其效率，要求機構具有急冋特性， 減小非工作行程所占據(jù)的時間比例。因此在這套教具中也設計了正反兩個行程，可以 通過改變雙聯(lián)滑移齒輪的位置并借助過輪來實現(xiàn)。正行程：雙聯(lián)滑移齒輪4在左側位置時，與過輪3相嚙合。這樣當操縱手柄使主 動軸以一定的速度旋轉時（不妨設為逆吋針方向，nl=5r/ min），軸i上的齒輪2便通 過軸ii上的過輪3把運動傳到齒輪4,帶動軸iii

43、轉動，由于齒輪2與齒輪4的左側齒 數(shù)相同，并口通過過輪兩次改變轉向，所以這吋軸iii獲得與軸i大小相等，方向相同 的轉速。軸iii上除齒輪4外，還有齒輪5和6, 5和6可實現(xiàn)分路傳動。齒輪6和齒 輪16嚙合，把軸iii的轉動傳遞到軸v上，軸v的兩端有齒輪17和齒輪19,再次實現(xiàn) 分路傳動，齒輪17帶動齒條18做固定方向的直線運動，而齒輪19,20,21組成一個周 轉輪系，人齒圈固定在軸iv上不轉，行星輪21帶動行星架h做圓周運動，以實現(xiàn)對 曲柄的需求。軸【ii的另一端上的人字齒輪5與軸vi上的人字齒輪7相嚙合，使軸vi獲 得另一種轉速，由于人字齒輪自身結構的對稱性，可以消除軸向力的影響，因此螺

44、旋 角可以比普通的斜齒輪略人，并ii可以用于高速運動的場合，能夠保證運動精度的要 求，但是人字齒輪的加工精度要求較高，制造較困難，所以應用的相對較少。在軸vi 上還有齒輪&12,和22,其中齒輪8為錐齒輪，與錐齒輪9相嚙合，從而改變軸vn的 方向，實現(xiàn)相交軸間的傳動，軸vii的另一端有漸開線蝸桿10,帶動軸vhi上的蝸輪11 轉動，蝸桿蝸輪機構可以傳遞較大的功率，以滿足較大的功率需求，所以安排在末端。 12與13嚙合，采用了等變位，22與23嚙合，是標準齒輪在標準安裝的情況下以和 12與13這一組變位齒輪作比較，以便于觀察變位齒輪的特點。由于采用的是等變位, 中心距和傳動比是一樣的因此

45、齒輪13和23可以安裝在同一根軸ix±,在軸ix的另一 端安裝有斜齒圓柱齒輪14,與軸x上的斜齒輪15形成空間的交錯軸斜齒輪傳動，使 齒輪15在另一個方向上獲得一個需要的速度。如有些機床上為提高效率同吋加工采 用了多軸聯(lián)動的方式，可以用此類裝置來實現(xiàn)。反行程(假設操作手柄使軸i的轉速和轉向都保持和正行程相同)：在反行程中, 將滑移齒輪4撥至右側與齒輪1嚙合，使機構具有急冋特性，這吋由于沒有過輪的作 用，使得軸iii以后的各軸轉向和轉速都發(fā)生了變化，比如可以使齒條快速冋到正形成 中的初始位置，為下一個工作行程做好準備。由于此吋軸i和軸iii之間的傳動比變?yōu)?原來的一半，所以后邊各軸的轉

46、向和正行程相反，轉速都增大一倍，反行程的運行吋 間是正行程時間的一半，大大提高了效率。后續(xù)各齒輪的運動就不一一說明了，和正 行程類似。各軸，行星架的轉速和齒條的速度計算如下：(1)正行程：m =5(r/min)；nn=5.588(r/min)；n iii=5(i7min)；15=0nv =12.5(r/min)； nh=3.571(r/min)； nvi=6(r/min)； nn=6(r/min)； nvm=0.118(r/min)； nix =8.4(r/min)；nx=9.388(r/min)； vi9=0.0628(m/s)o(2反行程：ni=5(r/min)； nn=o(r/min)；

47、 n m=10(r/min)； niv=o； nv=25(r/min)； iih =7.142(r/min)； nvi=12(r/min)； nvn=12(r/min)； nvui=0.236(r/min)； mx=l6.8(r/min)； nx=18.776(r/min)； v)9=0256(m/s)。5其他零部件的設計與校核5. 1軸的設計軸是用來支撐回轉體零件并傳遞轉速和轉矩的，根據(jù)其受載情況可以分為轉軸， 心軸和傳動軸三類，也有在特殊場合為減輕機構的質量把軸設計成空心的。在教具中, 由于每根軸上安裝的齒輪都較多，同時承受彎矩和扭矩，因此為轉軸，這類軸也是在 工程實際應用最多的。按結構形

48、式又可以分為光軸和階梯軸，其中階梯軸便于軸上零 件的安裝和固定，因此應用較多，但是在設計和加工時過程都較復雜，并且通常會切 去較多的材料，造成資源的浪費和加工成木的提高，并且容易引起應力集中現(xiàn)象，考 慮教具在使用過程中一般都是低速輕載，選用的鋼鐵類材料足以滿足其強度和剛度要 求，只需設計出合理的尺寸即可。通過前面的運動簡圖可知，此教具中需要10根軸, 既包括光軸，又包括階梯軸，在能滿足情況的條件下先選用光軸，軸vii上同時安裝有 錐齒輪9和蝸桿10,由于蝸桿的直徑和軸的直徑都比較小，因此把蝸桿和軸vii做成一 體，最終形成階梯軸的形式。其他的軸設計成光軸的形式，只要合理考慮與軸承的配 合和齒輪

49、在軸上的定位即可，可以選用防松螺母進行軸向定位。軸的材料選擇軸的材料應用最廣泛的是碳鋼和合金鋼，碳鋼價格低廉，可以用熱處理來提高其 耐磨性和抗疲勞強度，因此在教具中軸的材料選用45鋼，經(jīng)調質處理后其硬度可達217 255hbso各軸尺寸的設計（綜合考慮軸承的參數(shù)）單位：mm軸軸ii:軸皿：軸iv：軸v：軸vi：1=200 , d=30 o1=80 ,d=30 o1=600 , d=30 o1=50 ,d=30 o1=160 , d=30 o1=320 , d=30 o軸vii: li=90 , d| = 15;12=60,d2=25,13=50,d3=20。軸 viii: 1=80 ,d=30

50、 o軸ix: 1=180 , d=30 o軸 x: 1=80 ,d=30 o軸的強度校核由于所選材料為45鋼，足以滿足教具對材料強度的要求，當然現(xiàn)在越來越多教 具的采用非金屬材料制成的，如用塑料來鑄造或沖壓再經(jīng)過磨削加工達到精度要求， 以滿足要求不高的小型零部件，尤其在考慮減輕質量，防腐蝕等條件下應用較多，這 里也選取一根軸進行強度校核，簡要說明一下校核方法。軸在扭轉時的強度條件為:tt=t/wt (9550000p/n)/(0.2d3)fttl.軸的直徑應滿足：dao(p/n)1/3,該式用于實心軸。式中a。二(9550000/0.2%)巴可根據(jù)材料的種類查取。對于教具中的45鋼，其范 圍是

51、126103,許用應力葉：2545mpao教具中軸的直徑都較小，設計成實心軸，可以用上式來計算。取手柄長度為40mm, 其上的作用力約為50n設軸i的轉速為5r/min0因為在機構中不可避免地有摩擦存在, 總有能量損失，因此所傳遞的功率逐級衰減，軸i所傳遞的功率最大，且處于“干路” 上，因此這里對軸i進行校核。據(jù)上式可算出d27.89mm,因此以上的設計符合要 求。5. 2軸承的選定軸承是用來支撐軸的，實現(xiàn)軸和機架間的過渡連接。常根據(jù)摩擦的性質分為滑動 軸承和滾動軸承，教具中選用的是滾動軸承。滾動軸承由四個基木部分組成：內圈， 外圈，滾動體，和保持架，滾動體形式多樣。內圈與軸裝配，外圈與機架裝

52、配，這樣 就把軸相對于機架的轉動轉化為軸承內圈和外圈之間的相對轉動，教具中采用外圈固 定不動，內圈在軸的帶動下轉動。這類軸承由于是滾動摩擦，功率損失很小，效率較 高，且能保持較高的運動精度。經(jīng)進一步的比較最終確定選用深溝球軸承，由于這類 軸承牛產(chǎn)量較大，價格便宜，主要是點接觸，當量摩擦系數(shù)小，具有較高的極限轉速 比。在每組軸承中，雙支點各單向固定。在這套教具中，由于軸iii較長，軸vi上的齒 輪數(shù)目較多，為減小軸的彎曲變形，采用兩組軸承，其余的軸上則采用一組軸承即可, 軸和軸承內孔之間采用過盈配合。為保證軸承的使用壽命和運動精度，必須給軸承選用合適的潤滑方式，可以降低 摩擦，減輕磨損，同時還能

53、防銹蝕，吸收振動。常見的潤滑方式有脂潤滑，油潤滑和 固體潤滑?？梢赃x用潤滑油作為潤滑劑，采用滴油潤滑的方式，在每次潤滑吋注意選 用合適粘度的潤滑油和油量。軸承內圈在軸上的定位可以采用防松螺母，外圈的固定 采用彈性擋圈。5.3鍵的選定為了讓齒輪在軸上進行周向固定，就要用到鍵來實現(xiàn)，常見的鍵有四中平鍵，半 圓鍵，楔形鍵和切向鍵，平鍵用的最多。平鍵又有用于靜聯(lián)接的普通平鍵和薄型平鍵 以及用于動聯(lián)接的導向平鍵和滑鍵。在所要設計的組合教具中將涉及到普通平鍵和導 向平鍵。雙聯(lián)滑移齒輪4在正反兩個行程中要改變其嚙合位置，需要用導向平鍵來實 現(xiàn)周向定位，而導向平鍵較長，為了工作的可靠性，用螺釘固定在軸上的鍵槽

54、中，為 使教具便于裝拆，導向平鍵上應有起鍵螺孔，需要起鍵時擰螺釘使鍵退出鍵槽即可。 此時雙聯(lián)齒輪就可以沿軸向移動了。其余的鍵選用普通平鍵即可，為了使齒輪在軸向 上的定位，可以使用圓形螺母。平鍵的工作面是其兩個側面，鍵和鍵槽側面之間的擠壓作用來傳遞轉矩。因此用 于靜聯(lián)接的普通平鍵的失效形式是工作面被壓潰，而用于動聯(lián)接的導向平鍵主要失效 形式是過度磨損。鍵的材料通常選用45鋼，其抗拉強度600mpao在設計鍵時，要 選擇合理的類型和尺寸，鍵的截面尺寸(bxh)可按軸徑d由標準選取，鍵的長度l 也由鍵的長度系列選用標準值。軸的直徑12 1717 2222 3030 38鍵(bxh)5x56x68x7

55、10x8鍵的長度系列 l： 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40,45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 180, 200, 220, 250 為提高鍵的強度，這里除了雙聯(lián)滑移齒輪4所用的導向鍵(可取100mm)長度較 長外，其余根據(jù)齒寬選用合適值。截面尺寸選用上表羅列的四種，這里不做說明。6加工方法和誤差檢測6.1加工方法各類齒輪機構傳動具有明顯的優(yōu)點，但是對其制造和裝配的精度要求較高，如果 加工方式選的不合理，就會造成材料的浪費，效率的降低和生產(chǎn)成本的提高，為此需 選

56、用合適的加工方法。常用的加工方法有仿形法和范成法，也有大批量的生產(chǎn)時先鑄造出大致外形或對 特殊材料進行直接沖壓然后再磨削加工以達到要求的精度。仿形法是用盤形銃刀或指 狀銃刀在銃床上對逐個齒槽進行切制的，效率通常較低，也難以滿足對精度的要求。 這里為提高牛產(chǎn)效率，降低牛產(chǎn)成木，采用范成法加工。再用該方法加工時，需要選 擇與被切齒輪模數(shù)和壓力角相同的刀具，為便于選用已有的刀具而不重新設計，減少 刀具數(shù)目，在齒輪組合教具中所設計的齒輪一般都按標準值選取參數(shù)，并且選用常用 的數(shù)值便于加工，如模數(shù)一般取35mmo前面已經(jīng)確定對于外齒輪選用7級精度而 內齒輪選取8級精度。在加工的過程中所用的刀具是齒輪滾刀

57、，齒輪滾刀可以連續(xù)切 削，因此其效率較高，并h運動平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象，因此加工出的齒輪齒面精度較高, 可以滿足要求，因為齒輪滾刀的齒形具有一定的導程角，所以在加工齒輪時軸線相對 于水平方向具有一定的傾角，在加工直齒輪和斜齒輪時都應注意。當然也可以用齒條型刀具來加工，如齒輪12和13,齒輪13的齒數(shù)是15齒的肓 齒圓柱齒輪，如果設計成標準齒輪就會發(fā)牛根切現(xiàn)象，降低其齒根強度和承載能力， 在齒根處嚙合時還可能會引起沖擊，因此在設計時就要考慮采取變位修正的方法，在 加工時把齒條型刀具相對于輪壞移遠一段距離xm,即正變位,x是變位系數(shù)，對于齒 輪13設計中取的是+0.2,。為保證中心距不變，齒輪12采取

58、正變位，變位系數(shù)是0.2, 在變位前后，齒輪的分度圓半徑和齒數(shù)都未發(fā)牛變化，因此其傳動比也是不變的。蝸輪可以用蝸輪滾刀來加工，在為配湊中心距的情況下，也可以對蝸輪進行變位 修正，其原理和齒輪的變位類似，前面己經(jīng)給出了其變位系數(shù)，齒數(shù)等參數(shù)，這里不 再贅述。6. 2誤差的檢測齒輪傳動精度的常用指標有：(1) 運動精度；(2) 輪齒接觸精度；(3) 齒側間隙；(4) 齒輪工作平穩(wěn)性。在已經(jīng)選好齒輪的精度等級和加工方法的情況下，在實際加工和裝配的過程中需 要選用一定精度的測量儀器檢測其各項誤差是否在允許的公差范圍內，以便及吋采取 改進措施。齒輪的誤差包括：齒形誤差，齒距誤差，齒向誤差和齒厚誤差。常用的測量儀器如下：1 齒輪孔的孔徑：圓柱量規(guī)；2 齒槽：專用量規(guī)；3 齒形：專用量規(guī)；4 齒側隙：專用量規(guī)；5 節(jié)距：專用量規(guī)；6 齒頂圓直徑：游標卡尺；7 齒寬：游標卡尺；8 齒厚：齒厚游標卡尺。還有用到杠桿百