機(jī)械設(shè)計作業(yè)集10、11答案

第十章齒輪傳動：三、分析與思考題10—34在不改變齒輪的材料和尺寸的情況下，如何提高輪齒的抗折斷能力?答：1、加大齒根圓角半徑，以減小應(yīng)力集中；2、增加軸的剛性，使受載均勻；3、采用適宜的熱處理使齒芯具有足夠的韌性；4、對齒根進(jìn)行強(qiáng)化處理。10—35齒面點(diǎn)蝕一般首先發(fā)生在輪齒的什么部位？在開式齒輪傳動中，為什么一般不出現(xiàn)點(diǎn)蝕破壞？如何提高齒面抗點(diǎn)蝕的能力？答：齒面點(diǎn)蝕一般首先發(fā)生在輪齒節(jié)線附近靠近齒根處。開式齒輪傳動的主要失效是磨損，還沒有出現(xiàn)點(diǎn)蝕就可能已磨損了。措施：1、提高齒面硬度，降低粗糙度；2、提高潤滑油粘度；3、采用正傳動，提高綜合曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。10—36軟齒面齒輪和硬齒面齒輪是如何劃分的？軟齒面齒輪和硬齒面齒輪在加工方法上有何區(qū)別？為什么？答：根據(jù)齒面硬度劃分，HB<350，為軟齒面；HB350，為硬齒面。硬齒面齒輪的加工比軟齒面多了齒面硬化處理和精加工兩道工序，主要是因?yàn)辇X面硬化處理后有變形出現(xiàn)，需要精加工。10—37在什么工況下工作的齒輪易出現(xiàn)膠合破壞?膠合破壞通常出現(xiàn)在輪齒的什么部位?如何提高齒輪齒面抗膠合的能力?答：在高速重載工況下工作的閉式齒輪易出現(xiàn)膠合破壞，提高齒輪齒面抗膠合的能力，可：1、提高齒面硬度，降低粗糙度；2、低速用粘度大的潤滑油，高、中速及重載低速用極壓潤滑油；3、采用變位齒輪，減小滑動系數(shù)；4、減小模數(shù)，降低齒高，減小滑動系數(shù)；5、兩齒輪配對時，齒面有硬度差，HB1-HB2=30~50。10—38為什么輪齒的彎曲疲勞裂紋首先發(fā)生在齒根受拉伸一側(cè)？答：拉應(yīng)力導(dǎo)致疲勞裂紋的擴(kuò)展。10—39在直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算中，當(dāng)齒面接觸強(qiáng)度已足夠，而齒根彎曲強(qiáng)度缺乏時，可采用什么措施提高彎曲強(qiáng)度？答：1、增大模數(shù)m；2、適當(dāng)增大齒寬b；3、采用正變位齒輪。10—40標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，假設(shè)傳動比i，、轉(zhuǎn)矩T1、齒寬b均保持不變，試問在以下條件下齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力各將發(fā)生什么變化?(1)模數(shù)m不變，齒數(shù)z1增加；(2)齒數(shù)z1不變，模數(shù)m增大；(3)齒數(shù)zl增加一倍，模數(shù)m減小一半。答：〔1〕彎曲應(yīng)力↓〔d1增大，F(xiàn)n減小，YFaYsa減小〕，接觸應(yīng)力↓〔d1增大〕；〔2〕彎曲應(yīng)力↓〔m增大，d1增大，F(xiàn)n減小〕，接觸應(yīng)力↓〔d1增大〕；〔3〕彎曲應(yīng)力↑〔m減小使F大量增大，z1增大使F少量減小〕，接觸應(yīng)力不變〔d1不變〕；10—41一對圓柱齒輪傳動，大、小齒輪齒面接觸應(yīng)力是否相等?大、小齒輪的接觸強(qiáng)度是否相等?在什么條件下兩齒輪的接觸強(qiáng)度相等?答：在任何情況下，大、小齒輪齒面接觸應(yīng)力都相等，但接觸強(qiáng)度不一定相等，因?yàn)榇?、小齒輪的材料、熱處理等不同，許用接觸應(yīng)力不一定相等。假設(shè)大、小齒輪的材料、熱處理情況相同，還要看兩齒輪的壽命系數(shù)是否相等，只有KHN1=KHN2，那么兩齒輪的許用接觸應(yīng)力才相等。兩齒輪的接觸強(qiáng)度相等。10—42一對圓柱齒輪傳動，一般大、小齒輪齒根彎曲應(yīng)力是否相等?大、小齒輪彎曲強(qiáng)度相等的條件是什么?答：一般大、小齒輪齒根彎曲應(yīng)力不相等，F(xiàn)1>F2。大、小齒輪彎曲強(qiáng)度相等的條件是：10—43試分析一對標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，在中心距和傳動比一定的情況下，齒數(shù)和模數(shù)的不同選擇方案各有何利弊?答：齒數(shù)增大，模數(shù)減小，那么：1、重合度ε↑，傳動平穩(wěn)；2、齒高h(yuǎn)↓，滑動系數(shù)↓，磨損↓；3、da↓，齒輪重量↓，切削量↓；4、齒輪彎曲強(qiáng)度↓。10—44齒寬系數(shù)φd的大小對齒輪傳動的尺寸和強(qiáng)度影響如何?選取時要考慮哪些因素?答：齒寬系數(shù)φd越大，那么齒輪的有效齒寬越大，齒輪的承載能力越強(qiáng)，強(qiáng)度越高；但齒寬越大，齒輪的偏載越嚴(yán)重，使得載荷分布不均勻，Kβ增大，計算應(yīng)力增大，強(qiáng)度降低。因此，要根據(jù)支承方式適中選擇齒寬系數(shù)φd。10—45在圓柱齒輪傳動設(shè)計中，為什么通常取小齒輪的寬度大于大齒輪齒寬?在強(qiáng)度計算時是采用哪個齒寬?圓錐齒輪傳動又如何?答：因?yàn)檩S系零件和箱體存在加工和裝配誤差，使得兩齒輪軸向錯位而減小了輪齒的接觸寬度，為了保證輪齒的接觸寬度，通常取小齒輪的寬度大于大齒輪齒寬。在強(qiáng)度計算時采用的有效齒寬是大齒輪的齒寬。圓錐齒輪那么兩齒輪的齒寬取為相等，因?yàn)閳A錐齒輪的軸向位置可以調(diào)整，而且要求兩齒輪的錐頂重合，大端面應(yīng)當(dāng)對齊。10—46在齒輪傳動中，載荷分布不均勻系數(shù)Kβ與哪些因素有關(guān)？可采取哪些措施減小Kβ？答：載荷分布不均勻系數(shù)Kβ考慮載荷沿輪齒接觸線分布不均勻的影響，這主要是由于系統(tǒng)變形〔軸、軸承、箱體等〕引起的，有彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，可采取如下措施減小Kβ：1、提高軸、軸承、機(jī)架的剛度；2、提高齒輪的制造、安裝精度；3、盡量使齒輪相對軸作對稱布置，防止懸臂布置；4、適當(dāng)減小齒寬；5、轉(zhuǎn)矩從遠(yuǎn)離齒輪端輸入；6、重要傳動中的齒輪作成鼓形齒。10—47有一對標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動。有關(guān)參數(shù)和許用值如下表，試分析比擬哪個齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度高?哪個齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度高?答：彎曲強(qiáng)度可比擬齒輪1的彎曲強(qiáng)度高。接觸強(qiáng)度可比擬和顯然，齒輪1的接觸強(qiáng)度高。10—48現(xiàn)有A、B兩對閉式軟齒面直齒圓柱齒輪傳動。其參數(shù)如下表所示。其材料及熱處理硬度、載荷、工況及制造精度均相同。試分析比擬這兩對齒輪接觸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的上下。解：兩對齒輪的材料及熱處理硬度、載荷、工況及制造精度均相同，即表示其許用應(yīng)力都相同，只需比擬其計算應(yīng)力的大小。A:d1=mz1=2×40=80mmB:d1=mz1=4×20=80mm彎曲強(qiáng)度：每對齒輪都是小齒輪的彎曲應(yīng)力大，只算小齒輪的彎曲應(yīng)力。A：B：A對齒輪的彎曲強(qiáng)度高。接觸強(qiáng)度：A：B：兩對齒輪的接觸強(qiáng)度一樣高。10—49一標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，假設(shè)傳遞載荷不變，齒輪齒數(shù)、中心距和許用應(yīng)力不變，小齒輪轉(zhuǎn)速n1從960r/min降為720r/min。試問要改變何參數(shù)，并使該值與原用值之比大致等于多少才能保證該傳動具有原來的抗彎曲強(qiáng)度?答：由于轉(zhuǎn)速下降，使得傳遞的扭矩增加，有即扭矩增加為原來的倍。由彎曲應(yīng)力計算公式只有改變齒寬b才能保證該傳動具有原來的抗彎曲強(qiáng)度。10—50兩級齒輪傳動中，假設(shè)一級為斜齒，另一級為直齒，試問斜齒圓柱齒輪應(yīng)置于高速級還是低速級？為什么？假設(shè)為直齒錐齒輪和圓柱齒輪所組成的兩級傳動，錐齒輪應(yīng)置于高速級還是低速級？為什么？答：斜齒圓柱齒輪應(yīng)置于高速級，這是因?yàn)樾饼X輪在高速級時相對于低速級時的軸向力小，可使軸承受力較小。假設(shè)為直齒錐齒輪和圓柱齒輪所組成的兩級傳動，錐齒輪應(yīng)置于高速級，這是因?yàn)楦咚偌壦俣雀?、受力小，錐齒輪的尺寸較小，便于加工。10—51〔3〕答：齒輪4的接觸強(qiáng)度最弱。10—51圖示為一二級展開式標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪減速器。，高速級齒數(shù)z1=44,z2=94，模數(shù)m12=2.5mm，中心距a12=175mm，齒寬b2=90mm；低速級齒數(shù)z3=40，z4=75，模數(shù)m34=3mm，中心距a34=175mm，齒寬b4=100mm；四個齒輪的材料相同，許用接觸應(yīng)力分別為：[σH]1＝[σH]3=550MPa，[σH]2＝[σH](1)標(biāo)出齒輪2輪齒螺旋線的旋向，以使II軸軸承上所受軸向力小些；(2)畫出各齒輪的受力圖(力的作用點(diǎn)和方向)；(3)判斷哪個齒輪的接觸強(qiáng)度最弱。答：題10—51圖〔3〕的解答在上一頁。10—52圖示為二級圓錐-圓柱齒輪減速器簡圖，輸入軸Ⅰ轉(zhuǎn)向n1如下圖。(1)合理確定斜齒輪3和4的螺旋線方向〔畫在圖上〕，；(2)在圖上畫出各齒輪的圓周力、徑向力和軸向力的方向；(3)Ⅲ軸為輸出軸，應(yīng)從Ⅲ軸的哪端輸出扭矩為好？為什么？答：題10—52圖應(yīng)從Ⅲ軸的上端輸出扭矩，使彎曲、扭轉(zhuǎn)的變形抵消一局部。10—53有一同學(xué)設(shè)計閉式軟齒面直齒圓柱齒輪傳動，方案一其參數(shù)為：m=4mm、z1=20、z2=60，經(jīng)強(qiáng)度計算其齒面接觸疲勞強(qiáng)度剛好滿足設(shè)計要求，但齒根彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因而又進(jìn)行了兩種方案設(shè)計。方案二為：m=2mm、z1=40、z2=120，其齒根彎曲疲勞強(qiáng)度剛好滿足設(shè)計要求；方案三為：m=2mm、z1=30、z2=90(1)改良后的方案二、方案三是否可用？為什么？(2)應(yīng)采用哪個方案更合理？為什么？答：(1)方案二與方案一的d1相同，齒面接觸疲勞強(qiáng)度不變，可用。方案三比方案一的d1減小，齒面接觸疲勞強(qiáng)度降低，不可用。(2)方案一與方案二相比擬，應(yīng)采用方案二更合理，因?yàn)樵赿1不變的條件下，齒數(shù)多、模數(shù)小有如下優(yōu)點(diǎn)：1、重合度ε↑，傳動平穩(wěn)；2、齒高h(yuǎn)↓，滑動系數(shù)↓，磨損↓；3、da↓，齒輪重量↓，切削量↓。四、設(shè)計計算題10—54設(shè)計一直齒圓柱齒輪傳動，原用材料的許用接觸應(yīng)力為[σH]1=700MPa，[σH]2=600MPa，求得中心距a=100mm；現(xiàn)改用[σH]1=600MPa，[σH]2=400MPa的材料，假設(shè)齒寬和其它條件不變，為保證接觸疲勞強(qiáng)度不變，試計算改用材料后的中心距a′解：即10—55一直齒圓柱齒輪傳動，zl=20，z2=60，m=4mm，B1=45mm，B2=40mm，齒輪材料為鍛鋼，許用接觸應(yīng)力[σH]1=500MPa，[σH]2=430MPa，許用彎曲應(yīng)力[σF]1=340[σF]2=280MPa，彎曲載荷系數(shù)K=，接觸載荷系數(shù)K，求大齒輪所允許的輸出轉(zhuǎn)矩T2(不計功率損失)。解：1、計算彎曲強(qiáng)度允許的輸出轉(zhuǎn)矩2、計算接觸強(qiáng)度允許的輸出轉(zhuǎn)矩大齒輪所允許的輸出轉(zhuǎn)矩T2=168938Nmm。10一56有一對閉式軟齒面直齒圓柱齒輪傳動，小齒輪齒數(shù)z1=20，傳動比i=3，模數(shù)m=4mm，齒寬b=80mm，齒面接觸應(yīng)力σH=400MPa，大齒輪齒根彎曲應(yīng)力σF2=50MPa?，F(xiàn)可忽略載荷系數(shù)〔1〕小齒輪的齒根彎曲應(yīng)力σF1；〔2〕當(dāng)其他條件不變，而b=40mm時的齒面接觸應(yīng)力σ′H和齒根彎曲應(yīng)力σ′F1、σ′F2〔3〕當(dāng)傳動比i及其他條件不變，而z1=40，m=2mm時的齒面接觸應(yīng)力σ″H和齒根彎曲應(yīng)力σ″F1、σ″F2解：〔1〕〔2〕〔3〕〔因?yàn)閐1不變〕10—57設(shè)計銑床中一對直齒圓柱齒輪傳動，功率P1kW，小齒輪主動，轉(zhuǎn)速n1=1450r/min，齒數(shù)z1=26，z2=54，雙向傳動，工作壽命Lh=12000h。小齒輪對軸承非對稱布置，軸的剛性較大，工作中受輕微沖擊，7級制造精度。解：略10—58設(shè)計一斜齒圓柱齒輪傳動，功率Pl=40kW，轉(zhuǎn)速n1=2800r/min，傳動比i=，工作壽命Lh=1000h，小齒輪作懸臂布置，工作情況系數(shù)KA=。解：略10—59設(shè)計由電動機(jī)驅(qū)動的閉式圓錐齒輪傳動。功率P1=9.2kW，轉(zhuǎn)速n1=970r/min，傳動比i=3，小齒輪懸臂布置，單向轉(zhuǎn)動，載荷平穩(wěn)，每日工作8小時，工作壽命為5年(每年250個工作日)。解：略第十一章蝸桿傳動三、分析與思考題11—24蝸桿傳動與齒輪傳動相比有何特點(diǎn)?常用于什么場合?答：特點(diǎn)：傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊；傳動平穩(wěn)，噪聲低；當(dāng)v時，具有自鎖性；齒面滑動速度大，效率低。適用于大傳動比的運(yùn)動傳遞，而在動力傳輸中的應(yīng)用受到限制。11—25與普通圓柱蝸桿傳動相比，圓弧圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動各有何特點(diǎn)?各適用于什么場合?答：圓弧圓柱蝸桿傳動效率高，承載能力強(qiáng)，體積小，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的減速機(jī)構(gòu)中；環(huán)面蝸桿傳動傳動效率高，承載能力強(qiáng)；錐蝸桿傳動重合度大，傳動比范圍大，承載能力和效率較高。11—26影響蝸桿傳動效率的主要因素有哪些?為什么傳遞大功率時很少用普通圓柱蝸桿傳動?答：影響蝸桿傳動效率的主要因素有嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗、濺油損耗，其中主要是嚙合摩擦損耗，它與蝸桿的導(dǎo)程角、滑動速度等有關(guān)。傳遞大功率時很少用普通圓柱蝸桿傳動是因?yàn)槠湫瘦^低。11—27在普通圓柱蝸桿傳動中，為什么將蝸桿的分度圓直徑規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值?答：將蝸桿的分度圓直徑規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值是為了限制滾刀的數(shù)目，便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化。11—28蝸桿傳動的失效形式及計算準(zhǔn)那么是什么？常用的材料配對有哪些？選擇材料應(yīng)滿足哪些要求？答：開式：失效形式為齒面磨損、輪齒折斷，設(shè)計準(zhǔn)那么為保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度；閉式：失效形式為齒面膠合、點(diǎn)蝕，設(shè)計準(zhǔn)那么為按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計，校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，還需作熱平衡核算。蝸桿的材料一般為碳鋼、合金鋼；蝸輪的材料為鑄造錫青銅、鑄造鋁鐵青銅、灰鑄鐵。選擇蝸輪、蝸桿材料不僅要求具有足夠的強(qiáng)度，更重要的是具有良好的磨合和耐磨性能。11—29蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力，有的與相對滑動速度大小有關(guān)，而與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無關(guān)，有的那么相反，試說明其原因。答：當(dāng)蝸輪材料為灰鑄鐵或高強(qiáng)度青銅〔B300MPa〕時，蝸桿的承載能力主要取決于齒面膠合強(qiáng)度，但因目前無膠合強(qiáng)度計算公式，故采用接觸強(qiáng)度計算，在查蝸輪的齒面許用接觸應(yīng)力時，要考慮相對滑動速度的大小，而且膠合不屬于疲勞失效，因此許用接觸應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無關(guān)。假設(shè)蝸輪材料為B<300MPa的錫青銅，那么蝸輪主要為接觸疲勞失效，許用接觸應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)。11—30對于蝸桿傳動，下面三式有無錯誤?為什么?答：11-—31蝸桿傳動設(shè)計中為何特別重視發(fā)熱問題?如何進(jìn)行熱平衡計算?常用的散熱措施有哪些?答：蝸桿傳動齒面滑動速度大，效率低，所以工作時發(fā)熱量大，假設(shè)熱量不能及時散出，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以，必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量等于同時間內(nèi)的散熱量的條件進(jìn)行熱平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定地處于規(guī)定的范圍內(nèi)。常用的散熱措施：加散熱片以增大散熱面積；在蝸桿的軸端加裝風(fēng)扇以加速空氣的流通；在傳動箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路。11—32為什么蝸桿傳動要進(jìn)行蝸桿的剛度計算?對于常用的兩端支承蝸桿軸如何進(jìn)行剛度計算?答：蝸桿傳動由于傳動比擬大，蝸輪的尺寸較大，蝸桿的支承跨距較大，蝸桿受力后會產(chǎn)生較大的變形，會造成輪齒上載荷集中，影響正確嚙合，所以要進(jìn)行蝸桿的剛度計算。11—33為什么普通圓柱蝸桿傳動的承載能力主要取決于蝸輪輪齒的強(qiáng)度，用碳鋼或合金鋼制造蝸輪有何不利?答：由于結(jié)構(gòu)和材料上的原因，失效總是發(fā)生在蝸輪上。結(jié)構(gòu)上：蝸桿是連續(xù)的齒，而蝸輪的齒那么是孤立的；材料上：蝸桿是鋼制的，強(qiáng)度較高，而蝸輪的材料那么是青銅，強(qiáng)度較低。在蝸桿傳動中，嚙合齒面具有較大的滑動速度，為了減少磨損，提高抗膠合能力，要求配對輪齒材料具有良好的減磨性、磨合性和耐磨性，用碳鋼或合金鋼制造蝸輪，雖強(qiáng)度高，但與碳鋼蝸桿配對時減磨性和耐磨性差。11—34在動力蝸桿傳動中，蝸輪的齒數(shù)在什么范圍內(nèi)選取?齒數(shù)過多或過少有何不利?答：蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動比，即z2=iz1。z2不宜太小〔如z2＜26)，否那么將使傳動平穩(wěn)性變差。z2也不宜太大〔z280)，否那么在模數(shù)一定時，蝸輪直徑將增大，從而使相嚙合的蝸桿支承間距加大，降低蝸桿的彎曲剛度。11—35圖示蝸桿傳動均是以蝸桿為主動件。試在圖上標(biāo)出蝸輪(或蝸桿)的轉(zhuǎn)向，蝸輪齒的螺旋線方向，蝸桿、蝸輪所受各分力的方向。題11—35圖11—36如下圖傳動系統(tǒng)，輸出軸n6的方向。(1)使各軸軸向力較小，確定斜齒輪3、4和蝸桿蝸輪1、2的螺旋線方向(標(biāo)在圖上或用文字說明)及各軸的轉(zhuǎn)向；(2)在圖中標(biāo)出各齒輪軸向力的方向。題11—36圖四、設(shè)計計算題11—37某傳動裝置中采用蝸桿傳動，電機(jī)功率P=10kW，轉(zhuǎn)速n＝970r／mim，蝸桿傳動參數(shù)：z1＝2，z2＝60，q＝8，m＝8，右旋，蝸桿蝸輪嚙合效率η1，整個傳動系統(tǒng)總效率，卷筒直徑D=600mm(1)重物上升時，電機(jī)的轉(zhuǎn)向〔畫在圖上〕；(2)重物上升的速度v；(3)重物的最大重量W；(4)蝸桿蝸輪所受各力大小，并標(biāo)出各力的方向。題11—37圖解：〔1〕如圖〔2〕〔3〕〔4〕11—38圖示為簡單手動起重裝置。：m＝8，z1＝1，z2＝40，q＝10，卷筒直徑D=200mm，試確定：(1)重物上升1m，手