傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算

第1篇機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)第4章傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算PAGE34PAGE33第4章傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)零件是傳動(dòng)系統(tǒng)中最主要的零件，它關(guān)系到傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能、結(jié)構(gòu)布置和尺寸大小。此外，支承零件和聯(lián)接零件也要根據(jù)傳動(dòng)零件來設(shè)計(jì)或選取。因此，一般應(yīng)先設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)零件，確定其材料、主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)和尺寸。各傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，均按《機(jī)械設(shè)計(jì)》或《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程所述方法進(jìn)行，本書不再重復(fù)。下面僅就傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容和應(yīng)注意的問題作簡(jiǎn)要說明。第一節(jié)減速器外部傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)除減速器外，還有其他傳動(dòng)零件，如帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和開式齒輪傳動(dòng)等。通常先設(shè)計(jì)計(jì)算這些零件，在這些傳動(dòng)零件的參數(shù)確定后，外部傳動(dòng)的實(shí)際傳動(dòng)比便可確定。然后修改減速器內(nèi)部的傳動(dòng)比，再進(jìn)行減速器內(nèi)部傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算。這樣，會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比累積誤差更小。在課程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)減速器外部傳動(dòng)零件只須確定其主要參數(shù)和尺寸，而不必進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一、普通V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)普通V帶傳動(dòng)須確定的內(nèi)容是：帶的型號(hào)、長(zhǎng)度、根數(shù)，帶輪的直徑、寬度和軸孔直徑，中心距，初拉力及作用在軸上之力的大小和方向以及V帶輪的主要結(jié)構(gòu)尺寸等。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)注意檢查帶輪尺寸與傳動(dòng)系統(tǒng)外廓尺寸的相互協(xié)調(diào)關(guān)系。例如，小帶輪外圓半徑是否小于電動(dòng)機(jī)的中心高，大帶輪半徑是否過大而造成帶輪與機(jī)器底座相干涉等。此外，還要注意帶輪軸孔尺寸與電動(dòng)機(jī)軸或減速器輸入軸尺寸是否相適應(yīng)。（2）設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)使帶速v控制在5～25m/s的范圍內(nèi)。若v過大，則離心力大，降低帶的使用壽命；反之，若v過小，傳遞功率不變時(shí)，則所需的V帶的根數(shù)增多。（3）為了使每根V帶所受的載荷比較均勻，V帶的根數(shù)Z不能過多，一般取Z=3～6根為宜，最多不超過8根。（4）一般情況下，帶傳動(dòng)的最大有效拉力與主動(dòng)帶輪上的包角成正比，為了保證V帶具有一定的傳遞能力，在設(shè)計(jì)中一般要求主動(dòng)帶輪上的包角≥120°。（5）為了延長(zhǎng)帶的使用壽命，帶輪的最小直徑應(yīng)大于或等于該型號(hào)帶輪所規(guī)定的最小直徑，且為直徑系列值。帶輪直徑確定后，應(yīng)根據(jù)該直徑和滑動(dòng)率計(jì)算帶傳動(dòng)的實(shí)際傳動(dòng)比和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，并以此修正減速器所要求的傳動(dòng)比和輸入轉(zhuǎn)矩。二、鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)須確定的內(nèi)容是：鏈的型號(hào)、節(jié)距、鏈節(jié)數(shù)和排數(shù)，鏈輪齒數(shù)、直徑、輪轂寬度，中心距及作用在軸上之力的大小和方向以及鏈輪的主要結(jié)構(gòu)尺寸等。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）為了使鏈輪輪齒磨損均勻，鏈輪齒數(shù)最好選為奇數(shù)或不能整除鏈節(jié)數(shù)的數(shù)。（2）為了防止鏈條因磨損而易脫鏈，大鏈輪齒數(shù)不宜過多。為了使傳動(dòng)平穩(wěn)，小鏈輪齒數(shù)又不宜太少。（3）為了避免使用過度鏈節(jié)，鏈節(jié)數(shù)應(yīng)取偶數(shù)。（4）當(dāng)選用單排鏈?zhǔn)规湹某叽缣髸r(shí)，應(yīng)改選為雙排鏈或多排鏈，以盡量減小鏈節(jié)距。三、開式齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)開式齒輪傳動(dòng)須確定的內(nèi)容是：齒輪材料和熱處理方式，齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒寬，中心距及作用在軸上之力的大小和方向以及開式齒輪的主要結(jié)構(gòu)尺寸等。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）在計(jì)算和選擇開式齒輪傳動(dòng)的參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮開式齒輪傳動(dòng)的工作特點(diǎn)。由于開式齒輪的失效形式主要是過度磨損和輪齒彎曲折斷，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算模數(shù)，再考慮齒面磨損的影響，將求出的模數(shù)加大10％～15％，并取標(biāo)準(zhǔn)值；然后計(jì)算其他幾何尺寸，而不必驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度。（2）由于開式齒輪常用于低速傳動(dòng)，一般采用直齒。由于工作環(huán)境較差，灰塵較多，潤(rùn)滑不良，為了減輕磨損，選擇齒輪材料時(shí)應(yīng)注意材料的配對(duì)，使其具有減摩和耐磨性能。當(dāng)大齒輪的齒頂圓直徑大于400～500mm時(shí)，應(yīng)選用鑄鋼或鑄鐵來制造。（3）由于開式齒輪的支承剛性較差，齒寬系數(shù)應(yīng)選小一些，以減小載荷沿齒寬分布不均的現(xiàn)象。（4）齒輪尺寸確定后，應(yīng)檢查傳動(dòng)中心距是否合適。例如，帶式運(yùn)輸機(jī)的滾筒是否與開式小齒輪軸相干涉，若有干涉，則應(yīng)將齒輪參數(shù)進(jìn)行修改并重新計(jì)算。第二節(jié)減速器內(nèi)部傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算在減速器外部傳動(dòng)零件完成設(shè)計(jì)計(jì)算之后，應(yīng)檢查傳動(dòng)比及有關(guān)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)是否需要調(diào)整。若需要，則應(yīng)進(jìn)行修改。待修改好后，再設(shè)計(jì)減速器內(nèi)部的傳動(dòng)零件。一、圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)圓柱齒輪傳動(dòng)須確定的內(nèi)容是：齒輪材料和熱處理方式，齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、變位系數(shù)、中心距、齒寬、分度圓螺旋角、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑等幾何尺寸以及圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）齒輪材料及熱處理方式的選擇，應(yīng)考慮齒輪的工作條件、傳動(dòng)尺寸的要求、制造設(shè)備條件等。若傳遞功率大，且要求結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，可選用合金鋼或合金鑄鋼，并采用表面淬火或滲碳淬火等熱處理方式；若一般要求，則可選用碳鋼或鑄鋼或鑄鐵，采用正火或調(diào)質(zhì)等熱處理方式。同一減速器中的各級(jí)小齒輪（或大齒輪）材料應(yīng)盡可能相同，以減少材料牌號(hào)和簡(jiǎn)化工藝要求。（2）當(dāng)齒輪的齒頂圓直徑≤500mm時(shí)，可采用鍛造毛坯；當(dāng)齒輪的齒頂圓直徑>400～500mm時(shí)，因受鍛造設(shè)備能力的限制，應(yīng)采用鑄造毛坯。（3）當(dāng)齒輪直徑與軸徑相差不大時(shí)，對(duì)于圓柱齒輪，若齒輪的齒根至鍵槽的距離≤2.5，對(duì)于錐齒輪，若≤1.6m，則齒輪和軸做成一體，稱為齒輪軸；反之，齒輪和軸應(yīng)分開制造，以便于加工。（4）齒輪傳動(dòng)的計(jì)算準(zhǔn)則和方法，應(yīng)根據(jù)齒輪的失效形式來確定。對(duì)于軟齒面齒輪傳動(dòng)，應(yīng)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪直徑或中心距，再驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度；對(duì)于硬齒面齒輪傳動(dòng)，應(yīng)按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算模數(shù)，再驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度。（5）對(duì)齒輪齒數(shù)的選取應(yīng)注意不能產(chǎn)生根切，在滿足強(qiáng)度要求的情況下盡可能多一些，這樣可以加大重合度，以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性。對(duì)于閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，一般小齒輪齒數(shù)取z=20～40；對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)和閉式硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，小齒輪齒數(shù)通常取z=17～20。不論何種形式的齒輪傳動(dòng)，為了使兩齒輪的輪齒磨損均勻，傳動(dòng)平穩(wěn)，最好設(shè)法使大、小齒輪的齒數(shù)z、z互為質(zhì)數(shù)。（6）齒寬系數(shù)（）的選取要看齒輪在軸上所處的位置和齒輪傳動(dòng)類型等來決定，齒輪在軸的對(duì)稱部位，其齒寬系數(shù)可以取得稍大一點(diǎn)，而在非對(duì)稱位置時(shí)就要取得稍小一點(diǎn)，防止沿齒寬產(chǎn)生載荷偏斜。同時(shí)要注意直齒圓柱齒輪的應(yīng)比斜齒輪的要小一點(diǎn)；開式齒輪的應(yīng)比閉式齒輪的要小一點(diǎn)。減速器中齒輪的齒寬系數(shù)推薦值如表4-1所示。表4-1減速器中齒輪的齒寬系數(shù)推薦值0.200.250.300.350.400.450.500.60（7）為了保證一對(duì)齒輪安裝以后能夠沿全齒寬嚙合，一般要求小齒輪的齒寬要比大齒輪的齒寬大5～10mm。（8）齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)和尺寸有嚴(yán)格的要求，應(yīng)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、圓整或計(jì)算其精確值。例如模數(shù)必須標(biāo)準(zhǔn)化，中心距和齒寬盡量圓整，嚙合尺寸（節(jié)圓、分度圓、齒頂圓及齒根圓直徑、螺旋角、變位系數(shù)等）必須計(jì)算精確值。計(jì)算時(shí)要求長(zhǎng)度尺寸精確到小數(shù)點(diǎn)后2～3位（單位為mm），角度精確到“秒”。中心距應(yīng)盡量圓整成尾數(shù)為0或5，對(duì)于直齒輪傳動(dòng)可以調(diào)整模數(shù)m和齒數(shù)z，或采用角變位來實(shí)現(xiàn)；對(duì)于斜齒輪傳動(dòng)可調(diào)整螺旋角來實(shí)現(xiàn)。（9）為了便于制造和測(cè)量，齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸（如輪轂直徑和長(zhǎng)度、輪輻厚度和孔徑、輪緣長(zhǎng)度和內(nèi)徑等）應(yīng)參考有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式來確定（參見第21章），且盡量圓整為整數(shù)。二、蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)須確定的內(nèi)容是：蝸桿和蝸輪的材料，蝸桿的熱處理方式，蝸桿的頭數(shù)和模數(shù)，蝸輪的齒數(shù)和模數(shù)、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、導(dǎo)程角，蝸桿螺旋部分長(zhǎng)度等幾何尺寸以及蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）由于蝸桿傳動(dòng)的滑動(dòng)速度大，摩擦和發(fā)熱劇烈，因此要求蝸桿蝸輪副材料具有較好的耐磨性和抗膠合能力。一般是根據(jù)初步估計(jì)的滑動(dòng)速度來選擇材料。當(dāng)蝸桿傳動(dòng)尺寸確定后，要檢驗(yàn)相對(duì)滑動(dòng)速度和傳動(dòng)效率與估計(jì)值是否相符，并檢查材料選擇是否恰當(dāng)。若與估計(jì)有較大出入，應(yīng)修正重新計(jì)算。（2）為了提高蝸桿傳動(dòng)的平穩(wěn)性，蝸輪齒數(shù)的選取也是很重要的，既不能太少也不能太多。蝸輪的齒數(shù)應(yīng)控制在28～80范圍之內(nèi)，最好是=32～63；因越大要求蝸桿就會(huì)越長(zhǎng)，蝸桿剛度就越小，在傳動(dòng)過程中易產(chǎn)生過大的彎曲變形。（3）蝸桿上置或下置取決于蝸桿分度圓的圓周速度。當(dāng)≤5m/s時(shí)，采用下置蝸桿；反之采用上置蝸桿。（4）蝸桿模數(shù)m和分度圓直徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，且m、與直徑系數(shù)q三者之間應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的匹配關(guān)系。（5）為了便于加工，蝸桿和蝸輪的螺旋線方向應(yīng)盡量選用右旋。（6）蝸桿強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算、蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算，應(yīng)在畫出蝸桿減速器裝配底圖、確定蝸桿支點(diǎn)距離和箱體輪廓尺寸后進(jìn)行。三、錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)錐齒輪傳動(dòng)須確定的內(nèi)容是：錐齒輪材料和熱處理方式，錐齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、錐距、齒寬、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、分度圓錐角、頂錐角和根錐角等幾何尺寸以及錐齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除參看圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)注意問題外，還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）直齒圓錐齒輪有大端和小端，由于大端的尺寸較大，測(cè)量和計(jì)算時(shí)的相對(duì)誤差較小，故通常取大端的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，來計(jì)算直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的錐距R、分度圓直徑d（大端）等幾何尺寸，且計(jì)算精確到小數(shù)點(diǎn)后3位，不得圓整。（2）在設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般推薦小錐齒輪的齒數(shù)為z=16～30，若為軟齒面?zhèn)鲃?dòng)則取大值；反之，若為硬齒面?zhèn)鲃?dòng)或開式齒輪傳動(dòng)則取小值。（3）兩軸交角為90°時(shí)，分度圓錐角和可以由齒數(shù)比u算出，其中u值的計(jì)算應(yīng)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后第4位，值的計(jì)算應(yīng)精確到“秒”。（4）在設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般應(yīng)使兩錐齒輪的齒寬b相等；另為了便于切齒，齒寬b不能太大，它與錐距R應(yīng)保持一定比例關(guān)系（即齒寬系數(shù)=），一般取=0.25～0.35，最常用的值為=0.3。四、估算軸的直徑聯(lián)軸器和滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，故先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)變形的強(qiáng)度公式進(jìn)行估算，即d≥mm（4-1）式中，P——軸傳遞的功率，kW；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；C——由軸的材料和受載情況確定的系數(shù)（見表4-2）。選取C值時(shí)，應(yīng)考慮軸上彎矩對(duì)軸強(qiáng)度的影響，當(dāng)只受轉(zhuǎn)矩或彎矩相對(duì)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，C取小值；當(dāng)彎矩相對(duì)轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，C取大值。在多級(jí)齒輪減速器中，高速軸的轉(zhuǎn)矩較小，C取較大值；低速軸的轉(zhuǎn)矩較大，C應(yīng)取較小值；中間軸取中間值。對(duì)于其他軸材料的C值可參閱有關(guān)資料來選取。表4-2軸的幾種常見材料的C值軸的材料Q235、204540Cr、35SiMn[]（MPa）12～2030～4040～52C160～135118～107107～90此外，初算軸徑還要考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的影響。當(dāng)該軸段表面上有一個(gè)鍵槽時(shí)，d增大5％；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，d增大10％，然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。上述計(jì)算出的軸徑，一般作為輸入、輸出軸外伸端最小直徑；對(duì)中間軸，可作為最小直徑，即軸承處的軸徑；若作為裝齒輪處的軸徑，則C應(yīng)取大值。若減速器高速軸外伸端用聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相聯(lián)，則外伸軸徑應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)軸及聯(lián)軸器轂孔的直徑尺寸，外伸軸直徑和電動(dòng)機(jī)軸直徑應(yīng)相差不大，它們的直徑應(yīng)在所選聯(lián)軸器轂孔最大、最小直徑的允許范圍內(nèi)。若超出該范圍，則應(yīng)重選聯(lián)軸器或改變軸徑。此時(shí)推薦減速器高速軸外伸段軸徑，用電動(dòng)機(jī)軸直徑D估算，d=(0.8～1.2)D。五、選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器的主要功能是聯(lián)接兩軸并起到傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，除此之外還具有補(bǔ)償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸振、安全保護(hù)等功能。在選擇聯(lián)軸器時(shí)，首先應(yīng)確定其類型，其次確定其型號(hào)。聯(lián)軸器的類型應(yīng)根據(jù)其工作條件和要求來選擇。對(duì)于中、小型減速器的輸入軸和輸出軸均可采用彈性柱銷聯(lián)軸器，其加工制造容易，裝拆方便，成本低，并能緩沖減振。當(dāng)兩軸對(duì)中精度良好時(shí)，可采用凸緣聯(lián)軸器，它具有傳遞扭矩大，剛性好等優(yōu)點(diǎn)。例如，在選用電動(dòng)機(jī)軸與減速器高速軸之間聯(lián)接用的聯(lián)軸器時(shí)，由于軸的轉(zhuǎn)速較高，為減小起動(dòng)載荷，緩和沖擊，應(yīng)選用具有較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具有彈性的聯(lián)軸器，如彈性套柱銷聯(lián)軸器等。在選用減速器輸出軸與工作機(jī)之間聯(lián)接用的聯(lián)軸器時(shí)，由于軸的轉(zhuǎn)速較低，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，又因減速器與工作機(jī)常不在同一機(jī)座上，要求有較大的軸線偏移補(bǔ)償，因此常選用承載能力較高的剛性可移式聯(lián)軸器，如鼓形齒式聯(lián)軸器等。若工作機(jī)有振動(dòng)沖擊，為了緩和沖擊，以免振動(dòng)影響減速器內(nèi)傳動(dòng)件的正常工作，則可選用彈性聯(lián)軸器，如彈性柱銷聯(lián)軸器等。聯(lián)軸器的型號(hào)按計(jì)算轉(zhuǎn)矩、軸的轉(zhuǎn)速和軸徑來選擇，要求所選聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，還應(yīng)注意聯(lián)軸器轂孔直徑范圍是否與所聯(lián)接兩軸的直徑大小相適應(yīng)。若不適應(yīng)，則應(yīng)重選聯(lián)軸器的型號(hào)或改變軸