傳動零件的設計計算

第1篇機械設計課程設計指導第4章傳動零件的設計計算PAGE34PAGE33第4章傳動零件的設計計算傳動零件是傳動系統(tǒng)中最主要的零件，它關系到傳動系統(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)傳動零件來設計或選取。因此，一般應先設計計算傳動零件，確定其材料、主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)和尺寸。各傳動零件的設計計算方法，均按《機械設計》或《機械設計基礎》課程所述方法進行，本書不再重復。下面僅就傳動零件設計計算的內(nèi)容和應注意的問題作簡要說明。第一節(jié)減速器外部傳動零件的設計計算傳動系統(tǒng)除減速器外，還有其他傳動零件，如帶傳動、鏈傳動和開式齒輪傳動等。通常先設計計算這些零件，在這些傳動零件的參數(shù)確定后，外部傳動的實際傳動比便可確定。然后修改減速器內(nèi)部的傳動比，再進行減速器內(nèi)部傳動零件的設計計算。這樣，會使整個傳動系統(tǒng)的傳動比累積誤差更小。在課程設計時，對減速器外部傳動零件只須確定其主要參數(shù)和尺寸，而不必進行詳細的結(jié)構(gòu)設計。一、普通V帶傳動設計普通V帶傳動須確定的內(nèi)容是：帶的型號、長度、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。設計計算時應注意以下幾個方面的問題：（1）設計帶傳動時，應注意檢查帶輪尺寸與傳動系統(tǒng)外廓尺寸的相互協(xié)調(diào)關系。例如，小帶輪外圓半徑是否小于電動機的中心高，大帶輪半徑是否過大而造成帶輪與機器底座相干涉等。此外，還要注意帶輪軸孔尺寸與電動機軸或減速器輸入軸尺寸是否相適應。（2）設計帶傳動時，一般應使帶速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，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，帶傳動的最大有效拉力與主動帶輪上的包角成正比，為了保證V帶具有一定的傳遞能力，在設計中一般要求主動帶輪上的包角≥120°。（5）為了延長帶的使用壽命，帶輪的最小直徑應大于或等于該型號帶輪所規(guī)定的最小直徑，且為直徑系列值。帶輪直徑確定后，應根據(jù)該直徑和滑動率計算帶傳動的實際傳動比和從動輪的轉(zhuǎn)速，并以此修正減速器所要求的傳動比和輸入轉(zhuǎn)矩。二、鏈傳動設計鏈傳動須確定的內(nèi)容是：鏈的型號、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。設計計算時應注意以下幾個方面的問題：（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)應取偶數(shù)。（4）當選用單排鏈使鏈的尺寸太大時，應改選為雙排鏈或多排鏈，以盡量減小鏈節(jié)距。三、開式齒輪傳動設計開式齒輪傳動須確定的內(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。設計計算時應注意以下幾個方面的問題：（1）在計算和選擇開式齒輪傳動的參數(shù)時，應考慮開式齒輪傳動的工作特點。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，故設計時應按輪齒彎曲疲勞強度計算模數(shù)，再考慮齒面磨損的影響，將求出的模數(shù)加大10％～15％，并取標準值；然后計算其他幾何尺寸，而不必驗算齒面接觸疲勞強度。（2）由于開式齒輪常用于低速傳動，一般采用直齒。由于工作環(huán)境較差，灰塵較多，潤滑不良，為了減輕磨損，選擇齒輪材料時應注意材料的配對，使其具有減摩和耐磨性能。當大齒輪的齒頂圓直徑大于400～500mm時，應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，應檢查傳動中心距是否合適。例如，帶式運輸機的滾筒是否與開式小齒輪軸相干涉，若有干涉，則應將齒輪參數(shù)進行修改并重新計算。第二節(jié)減速器內(nèi)部傳動零件的設計計算在減速器外部傳動零件完成設計計算之后，應檢查傳動比及有關運動和動力參數(shù)是否需要調(diào)整。若需要，則應進行修改。待修改好后，再設計減速器內(nèi)部的傳動零件。一、圓柱齒輪傳動設計圓柱齒輪傳動須確定的內(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。設計計算時應注意以下幾個方面的問題：（1）齒輪材料及熱處理方式的選擇，應考慮齒輪的工作條件、傳動尺寸的要求、制造設備條件等。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小齒輪（或大齒輪）材料應盡可能相同，以減少材料牌號和簡化工藝要求。（2）當齒輪的齒頂圓直徑≤500mm時，可采用鍛造毛坯；當齒輪的齒頂圓直徑>400～500mm時，因受鍛造設備能力的限制，應采用鑄造毛坯。（3）當齒輪直徑與軸徑相差不大時，對于圓柱齒輪，若齒輪的齒根至鍵槽的距離≤2.5，對于錐齒輪，若≤1.6m，則齒輪和軸做成一體，稱為齒輪軸；反之，齒輪和軸應分開制造，以便于加工。（4）齒輪傳動的計算準則和方法，應根據(jù)齒輪的失效形式來確定。對于軟齒面齒輪傳動，應按齒面接觸疲勞強度計算齒輪直徑或中心距，再驗算齒根彎曲疲勞強度；對于硬齒面齒輪傳動，應按齒根彎曲疲勞強度計算模數(shù)，再驗算齒面接觸疲勞強度。（5）對齒輪齒數(shù)的選取應注意不能產(chǎn)生根切，在滿足強度要求的情況下盡可能多一些，這樣可以加大重合度，以提高傳動的平穩(wěn)性。對于閉式軟齒面齒輪傳動，一般小齒輪齒數(shù)取z=20～40；對于開式齒輪傳動和閉式硬齒面?zhèn)鲃?，小齒輪齒數(shù)通常取z=17～20。不論何種形式的齒輪傳動，為了使兩齒輪的輪齒磨損均勻，傳動平穩(wěn)，最好設法使大、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類型等來決定，齒輪在軸的對稱部位，其齒寬系數(shù)可以取得稍大一點，而在非對稱位置時就要取得稍小一點，防止沿齒寬產(chǎn)生載荷偏斜。同時要注意直齒圓柱齒輪的應比斜齒輪的要小一點；開式齒輪的應比閉式齒輪的要小一點。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）齒輪傳動的幾何參數(shù)和尺寸有嚴格的要求，應分別進行標準化、圓整或計算其精確值。例如模數(shù)必須標準化，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）必須計算精確值。計算時要求長度尺寸精確到小數(shù)點后2～3位（單位為mm），角度精確到“秒”。中心距應盡量圓整成尾數(shù)為0或5，對于直齒輪傳動可以調(diào)整模數(shù)m和齒數(shù)z，或采用角變位來實現(xiàn)；對于斜齒輪傳動可調(diào)整螺旋角來實現(xiàn)。（9）為了便于制造和測量，齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸（如輪轂直徑和長度、輪輻厚度和孔徑、輪緣長度和內(nèi)徑等）應參考有關的經(jīng)驗公式來確定（參見第21章），且盡量圓整為整數(shù)。二、蝸桿傳動設計蝸桿傳動須確定的內(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、導程角，蝸桿螺旋部分長度等幾何尺寸以及蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)尺寸。設計計算時應注意以下幾個方面的問題：（1）由于蝸桿傳動的滑動速度大，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)初步估計的滑動速度來選擇材料。當蝸桿傳動尺寸確定后，要檢驗相對滑動速度和傳動效率與估計值是否相符，并檢查材料選擇是否恰當。若與估計有較大出入，應修正重新計算。（2）為了提高蝸桿傳動的平穩(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)應控制在28～80范圍之內(nèi)，最好是=32～63；因越大要求蝸桿就會越長，蝸桿剛度就越小，在傳動過程中易產(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≤5m/s時，采用下置蝸桿；反之采用上置蝸桿。（4）蝸桿模數(shù)m和分度圓直徑應取標準值，且m、與直徑系數(shù)q三者之間應符合標準的匹配關系。（5）為了便于加工，蝸桿和蝸輪的螺旋線方向應盡量選用右旋。（6）蝸桿強度和剛度驗算、蝸桿傳動的熱平衡計算，應在畫出蝸桿減速器裝配底圖、確定蝸桿支點距離和箱體輪廓尺寸后進行。三、錐齒輪傳動設計錐齒輪傳動須確定的內(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。設計計算時，除參看圓柱齒輪傳動設計注意問題外，還應注意以下幾個方面的問題：（1）直齒圓錐齒輪有大端和小端，由于大端的尺寸較大，測量和計算時的相對誤差較小，故通常取大端的參數(shù)為標準值，來計算直齒圓錐齒輪傳動的錐距R、分度圓直徑d（大端）等幾何尺寸，且計算精確到小數(shù)點后3位，不得圓整。（2）在設計計算中，一般推薦小錐齒輪的齒數(shù)為z=16～30，若為軟齒面?zhèn)鲃觿t取大值；反之，若為硬齒面?zhèn)鲃踊蜷_式齒輪傳動則取小值。（3）兩軸交角為90°時，分度圓錐角和可以由齒數(shù)比u算出，其中u值的計算應達到小數(shù)點后第4位，值的計算應精確到“秒”。（4）在設計計算中，一般應使兩錐齒輪的齒寬b相等；另為了便于切齒，齒寬b不能太大，它與錐距R應保持一定比例關系（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)軸器和滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的結(jié)構(gòu)設計是在初步計算軸徑的基礎上進行的，故先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)變形的強度公式進行估算，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，應考慮軸上彎矩對軸強度的影響，當只受轉(zhuǎn)矩或彎矩相對轉(zhuǎn)矩較小時，C取小值；當彎矩相對轉(zhuǎn)矩較大時，C取大值。在多級齒輪減速器中，高速軸的轉(zhuǎn)矩較小，C取較大值；低速軸的轉(zhuǎn)矩較大，C應取較小值；中間軸取中間值。對于其他軸材料的C值可參閱有關資料來選取。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軸強度的影響。當該軸段表面上有一個鍵槽時，d增大5％；有兩個鍵槽時，d增大10％，然后將軸徑圓整為標準值。上述計算出的軸徑，一般作為輸入、輸出軸外伸端最小直徑；對中間軸，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應取大值。若減速器高速軸外伸端用聯(lián)軸器與電動機相聯(lián)，則外伸軸徑應考慮電動機軸及聯(lián)軸器轂孔的直徑尺寸，外伸軸直徑和電動機軸直徑應相差不大，它們的直徑應在所選聯(lián)軸器轂孔最大、最小直徑的允許范圍內(nèi)。若超出該范圍，則應重選聯(lián)軸器或改變軸徑。此時推薦減速器高速軸外伸段軸徑，用電動機軸直徑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、安全保護等功能。在選擇聯(lián)軸器時，首先應確定其類型，其次確定其型號。聯(lián)軸器的類型應根據(jù)其工作條件和要求來選擇。對于中、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。當兩軸對中精度良好時，可采用凸緣聯(lián)軸器，它具有傳遞扭矩大，剛性好等優(yōu)點。例如，在選用電動機軸與減速器高速軸之間聯(lián)接用的聯(lián)軸器時，由于軸的轉(zhuǎn)速較高，為減小起動載荷，緩和沖擊，應選用具有較小轉(zhuǎn)動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之間聯(lián)接用的聯(lián)軸器時，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常不在同一機座上，要求有較大的軸線偏移補償，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。若工作機有振動沖擊，為了緩和沖擊，以免振動影響減速器內(nèi)傳動件的正常工作，則可選用彈性聯(lián)軸器，如彈性柱銷聯(lián)軸器等。聯(lián)軸器的型號按計算轉(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)矩大于計算轉(zhuǎn)矩，還應注意聯(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。若不適應，則應重選聯(lián)軸器的型號或改變軸