齒輪模擬故障試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)齒輪箱設(shè)計(jì)

齒輪模擬故障試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)一一齒輪箱設(shè)計(jì)

摘要：齒輪模擬故障試驗(yàn)臺，能夠便利地模擬齒輪設(shè)備的典型故障，便利了科研人

員進(jìn)行故障診斷方法的探討驗(yàn)證過程，也為齒輪的故障診斷供應(yīng)依據(jù)，節(jié)約了科研人

員花費(fèi)在布置試驗(yàn)的時(shí)間和精力。該試驗(yàn)臺還可用于教學(xué)實(shí)踐中，提高學(xué)習(xí)認(rèn)知水平。

設(shè)計(jì)齒輪模擬故障試驗(yàn)臺就顯得特別有必要。

本文通過了解國內(nèi)外齒輪模擬故障試驗(yàn)臺的模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一

種能模擬6種典型故障的齒輪模擬試驗(yàn)臺，操作者能在運(yùn)行中能連續(xù)視察齒輪從正常

到發(fā)生故障的信號改變過程和故障齒輪嚙合的合成信號。本文完成了模擬器的總體方

案分析和設(shè)計(jì)；重點(diǎn)計(jì)算了減速箱的結(jié)構(gòu)尺寸、齒輪的幾何參數(shù)和精度等級；設(shè)計(jì)了

輸入花鍵軸、輸出花鍵軸、中間軸的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核和精確校核；估算

了各軸承的工作壽命，并校核了花鍵、平鍵強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：齒輪；減速箱；設(shè)計(jì)；故障；模擬

GearSimulatedFailureTestPlatformDesign

--GearBoxDesign

Abstract:Gearsimulatedfailuretestplatformcanberepresentativeoftheequipment

failurebeingeasyforresearchpersonneltocarryondiagnosisstudyandthevalidation

process.Alsoitprovidesaccordanceforthediagnosesoffailuregear.Atthesametime,it

helpsscientificresearchpersonnelintheexperimentoftimeandenergy.Theexperimental

stagealsocanbeusedinteachingpracticeandimprovethelevelofcognition.Therefore,it

isverynecessarytodesignagearsimulatedfailuretestplatform.

Bylearningtheprocessofstructuraldesignofanemulatorwhichisonepartofgear

simulatedfailuretestplatform,Ihavedesignedasimulationofsixkindsofrepresentative

oftheexperimentinthisarticle.Operatorscanobserveconsecutivelythesignalofthegear

fromnormaltothewrongandthesynthesissignalofthetwomeshinggear.Thispaper

completedthegeneralschemeanalysisanddesigncalculationsofthesimulator,designed

thesizesofthegearbox,thestructureofthegeometryoftheparametersandprecision

levelandcalculatedthestructureparametersoftheentershaft,theoutputaxisandthe

intermediateshaft.Then,Icheckthestrengthandcarryonthepreciselycoresize.Atlast,I

estimatedtheworkinglifeofallthebearingscheckedthestrengthofallkeys.

Keywords:gear;decelerator;design;breakdown;simulation

目錄

1緒論..............................................................0

1.1齒輪模擬故障試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)意義...................................1

1.2國內(nèi)外齒輪故障模擬試驗(yàn)臺的發(fā)展概況.............................1

1.3工作內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法.............................................2

2減速器設(shè)計(jì)..........................................................4

2.1總體方案設(shè)計(jì)...................................................4

2.2初步確定減速器結(jié)構(gòu)和零部件類型.................................5

2.3定傳動(dòng)方案.....................................................6

2.3.1選擇電機(jī)..................................................6

2.3.2確定傳動(dòng)比和安排傳動(dòng)比....................................6

2.3.3計(jì)算運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)........................................6

2.4減速器結(jié)構(gòu).....................................................7

2.4.1高速級齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算級結(jié)構(gòu)說明..............................7

2.4.2低速級齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算級結(jié)構(gòu)說明.............................10

2.4.3減速器附件的名稱、位置和作用.............................13

2.5齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度選擇......................................14

2.5.1小花鍵齒輪................................................14

2.5.2雙聯(lián)齒輪..................................................17

2.5.3三聯(lián)齒輪.................................................20

2.5.4大花鍵齒輪...............................................25

2.5.5齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)特性...................................27

2.6鑄鐵減速器機(jī)體結(jié)構(gòu)尺寸........................................29

3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核.................................................31

3.1材料選擇......................................................31

3.2輸入軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核..........................................31

3.3中間軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核..........................................37

3.4輸出軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核..........................................45

4滾動(dòng)軸承的校核......................................................51

4.1輸入軸上滾動(dòng)軸承校核..........................................51

4.2中間軸上滾動(dòng)軸承校核...........................................52

4.3輸出軸上滾動(dòng)軸承校核..........................................52

5鍵的選擇和校核.....................................................53

5.1平鍵的選擇和校核..............................................53

5.1.1輸入軸上鍵的選擇和校核...................................53

5.1.2中間軸上鍵的選擇和校核...................................54

5.1.3輸出軸上鍵的選擇和校核...................................54

5.2花鍵的選擇和校核...............................................55

5.2.1輸入軸上花鍵的強(qiáng)度計(jì)算...................................55

5.2.2輸出軸上花鍵的強(qiáng)度計(jì)算...................................55

5.3留意事項(xiàng).......................................................56

結(jié)論................................................................56

參考文獻(xiàn)...............................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

致謝.................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

1緒論

1.1齒輪模擬故障試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)意義

齒輪裝置廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，齒輪裝置的運(yùn)行狀態(tài)干脆影響著企業(yè)設(shè)備

及人身平安和生產(chǎn)效益。運(yùn)用科學(xué)的方法對齒輪裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和推斷，從

而了解運(yùn)行質(zhì)量，防止故障發(fā)生，對企業(yè)的設(shè)備管理和經(jīng)濟(jì)效益都有重要價(jià)值⑴。

齒輪故障診斷方法的探討是設(shè)備故障的熱點(diǎn)問題。各種故障診斷方法的運(yùn)用范

圍、優(yōu)缺點(diǎn)等問題都要實(shí)踐的檢驗(yàn)。通過試驗(yàn)裝置模擬齒輪的各種故障，進(jìn)而便利地

在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行各種有針對性的試驗(yàn)以對診斷方法進(jìn)行檢驗(yàn)是很有意義的。

作為機(jī)器的重要零件的齒輪的故障試驗(yàn)探討日益受到人們的重視。一方面，假如

只有理論探討而沒有試驗(yàn)探討，那么齒輪各種診斷方法的有效性、精確性、優(yōu)缺點(diǎn)等

問題的探討就不能建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上⑵。另一方面，國內(nèi)在齒輪箱故障診斷上做

的工作較多，但主要是依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備，對測得的振動(dòng)時(shí)域或頻域波形進(jìn)行事后分析。

因此，試制齒輪傳動(dòng)故障模擬試驗(yàn)臺，以為齒輪的故障診斷供應(yīng)依據(jù)，就顯得特別有

必要。

齒輪模擬故障試驗(yàn)臺的是一種用來模擬齒輪故障振動(dòng)的試驗(yàn)裝置，通過對故障的

模擬、故障振動(dòng)信號的采集、傳輸、分析，達(dá)到試驗(yàn)、分析、建立診斷數(shù)據(jù)庫和頻譜

圖像的目的，為齒輪箱的故障診斷供應(yīng)有效地依據(jù)?？梢詼y試不同轉(zhuǎn)速

(0?3000r/min)、不同載荷、不同故障齒輪的振動(dòng)、噪聲、聲放射等動(dòng)態(tài)信號。

1.2國內(nèi)外齒輪故障模擬試驗(yàn)臺的發(fā)展概況

齒輪減速器在各行各業(yè)中特別廣泛地運(yùn)用著，是一種不行缺少的機(jī)械傳動(dòng)裝置。

目前科研單位所用的齒輪箱試驗(yàn)臺絕大多數(shù)是機(jī)械功率封閉性型或電功率封閉

性運(yùn)轉(zhuǎn)式齒輪試驗(yàn)臺，主要用于觀測單個(gè)或單對齒輪某一項(xiàng)故障的發(fā)展過程。雖然成

本低、便于安裝、便于視察測量，但是視察不同的故障必需更換齒輪試件，且一次試

驗(yàn)只能同時(shí)視察一種故障，不便于齒輪故障方法的探討。

如國外FZG的CL-100齒輪試驗(yàn)機(jī)能完成下列試驗(yàn)：

1.通過西德潤滑試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法，即FZG齒輪油試驗(yàn)來確定有齒輪油引起的齒輪

擦傷負(fù)荷和重量改變。

2.確定有不同材質(zhì)制成的齒輪，其齒面承載實(shí)力的強(qiáng)度曲線。

3.確定有不同材質(zhì)制成的齒輪，其齒跟承載實(shí)力曲線。

4.齒面疲憊強(qiáng)度試驗(yàn)。

5.輪滑油剪切安定性測定法試驗(yàn)。

國內(nèi)設(shè)計(jì)的一種機(jī)械設(shè)備故障診斷綜合試驗(yàn)臺，包括動(dòng)力源部分、故障模擬器部

分、檢測部分。動(dòng)力源部分，有溝通電機(jī)和調(diào)速器組成；故障模擬器部分，有各類齒

輪、軸承、聯(lián)軸器、動(dòng)不平衡模擬器、載荷設(shè)備組成；檢測部分，有各類傳感器組成,

電機(jī)和故障模擬部分靠軸計(jì)齒輪嚙合連接，該試驗(yàn)臺可以給學(xué)員供應(yīng)設(shè)備的各種故障

來進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，試驗(yàn)臺診斷功能全面，可以真實(shí)的模擬工程中，機(jī)械設(shè)備中十多

種常見的設(shè)備故障現(xiàn)象。該設(shè)備也是進(jìn)行各種機(jī)械設(shè)備故障診斷探討試驗(yàn)的牢靠工

具。其特征在于試驗(yàn)包括：動(dòng)力源部分，由溝通電機(jī)和調(diào)速器組成；故障模擬器部分,

由可更換的各類無損壞、損壞和有缺陷的直齒輪、斜齒、人字齒輪、滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)

軸承、靜壓軸承及各類聯(lián)軸器、動(dòng)不平衡模擬器、載荷設(shè)備組成；檢測部分，由加速

度、速度、位移、溫度、力、壓力傳感器組成，其中調(diào)速器裝在點(diǎn)電機(jī)上電機(jī)通過聯(lián)

軸器和故障模擬部分的輸入軸連接。載荷設(shè)備通過聯(lián)軸器和輸出軸連接，檢測部分的

加速度、速度、位移、溫度傳感器裝在載荷設(shè)備的軸承座上。

1.3工作內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法

本文齒輪故障模擬試驗(yàn)臺由直流發(fā)電機(jī)、加載電機(jī)、直流調(diào)速加載系統(tǒng)、齒輪

減速箱構(gòu)成。

本文是對該試驗(yàn)臺的故障模擬器部分齒輪箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)6種故障模擬，全

部集中在中間軸上，一根安裝在齒輪箱內(nèi)（三種故障），一根備用軸（三種故障），更

換時(shí)整根軸系（包括：軸承、軸、齒輪）一起換，運(yùn)用比較便利。

本齒輪模擬故障試驗(yàn)臺可通過齒輪換擋或更換齒輪箱中間軸組件實(shí)現(xiàn)不同故障

齒輪的嚙合。試驗(yàn)臺配置的故障齒輪有：輪齒疲憊裂紋、斷齒、齒面點(diǎn)蝕、單齒齒面

剝落、一對對稱齒齒面疲憊剝落、齒面磨損、齒輪偏心。

齒輪箱上設(shè)有油標(biāo)，內(nèi)設(shè)有輸入花鍵軸、輸出花鍵軸，輸出花鍵軸和輸入花鍵軸

之間有過渡軸，輸出花鍵軸、輸入花鍵軸、中間軸不再同一平面上。輸入花鍵軸上安

裝有第一花鍵齒輪，輸出花鍵軸上安裝有其次花鍵齒輪，中間軸上安裝有兩個(gè)齒輪構(gòu)

成的二聯(lián)齒輪以及一個(gè)三聯(lián)齒輪或多聯(lián)齒輪。第一花鍵齒輪和二聯(lián)齒輪嚙合，其次花

鍵齒輪和三聯(lián)齒輪嚙合。在第一花鍵齒輪和其次花鍵齒輪旁邊分別裝有第一撥叉換位

裝置和其次撥叉換位裝置，在運(yùn)行中由第一、其次撥叉換位裝置撥動(dòng)二聯(lián)齒輪、三聯(lián)

齒輪或多聯(lián)齒輪，即可連續(xù)模擬多種齒輪故障。

拆開齒輪箱箱蓋后，只暴露給試驗(yàn)者中間軸的齒輪、檔油盤、軸承。

更換中間軸時(shí)，其他兩根軸固定裝態(tài)不改變，更換中間軸后不須要調(diào)整兩根軸的

軸向位置，更換過程較為簡潔。

當(dāng)拆卸箱蓋更換中間軸的故障齒輪時(shí)，只須要卸下中間軸軸承旁螺栓和中間軸上

端蓋，拆卸過程較短。反之，當(dāng)合上箱蓋時(shí)，也只需較短的裝配時(shí)間，齒輪箱的上述

三根軸的空間裝置，橫向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。

二聯(lián)三聯(lián)或多聯(lián)齒輪經(jīng)由撥叉換位裝置，在運(yùn)行中連續(xù)模擬多種故障，通過撥叉

裝置撥動(dòng)齒輪的組合結(jié)果，可便利視察齒輪的各種故障信號。

手柄經(jīng)手柄軸、擺桿，通過銷軸使滑塊撥動(dòng)被操縱件，這種操縱方式結(jié)構(gòu)簡潔、

應(yīng)用普遍。操縱機(jī)構(gòu)靠手柄座上的鋼球來定位，鋼球在彈簧作用下壓入定位坑中實(shí)現(xiàn)

定位。鋼球定位的結(jié)構(gòu)簡潔，運(yùn)用便利、制造簡潔。

2減速器設(shè)計(jì)

2.1總體方案設(shè)計(jì)

通過了解國內(nèi)外齒輪模擬故障試驗(yàn)臺的模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種能模

擬6種典型故障的齒輪模擬試驗(yàn)臺，操作者能在運(yùn)行中能連續(xù)視察齒輪從正常到發(fā)生

故障的信號改變過程和故障齒輪嚙合的合成信號。齒輪故障模擬試驗(yàn)臺由直流發(fā)電

機(jī)、加載電機(jī)、直流調(diào)速加載系統(tǒng)、齒輪減速箱構(gòu)成。減速器總體方案如圖2-1所示。

圖2-1減速器總體設(shè)計(jì)方案

本齒輪模擬故障試驗(yàn)臺可通過齒輪換擋或更換齒輪箱中間軸組件實(shí)現(xiàn)不同故障

齒輪的嚙合。試驗(yàn)臺配置的故障齒輪有：斷齒、齒面點(diǎn)蝕、單齒齒面剝落、一對對稱

齒面疲憊剝落、齒面磨損、齒輪偏心。如圖2-2、圖2-3所示。

本試驗(yàn)臺為齒輪模擬故障試驗(yàn)臺，故選用圓柱齒輪減速器。其中部分傳動(dòng)齒輪有

故障齒。齒面勻稱磨損

圖2-2中間軸組件1故障設(shè)置圖2-3中間軸組件2故障設(shè)置

2.2初步確定減速器結(jié)構(gòu)和零部件類型

2.2.1.1減速器的傳動(dòng)級數(shù)

減速器的傳動(dòng)級數(shù)為兩級傳動(dòng)。

2.2.1.2確定傳動(dòng)件布置形式

減速器傳動(dòng)件采納綻開式。主要考慮齒輪模擬故障和實(shí)現(xiàn)兩級傳動(dòng)的須要，以及

滿意浸油潤滑的要求。

2.2.1.3初選軸承類型

軸承主要承受徑向載荷，且轉(zhuǎn)速較高，故采納深溝球軸承。

（1）調(diào)整：實(shí)現(xiàn)雙支點(diǎn)各單向固定的支撐，這種軸承在安裝是，通過調(diào)整端

蓋斷面和外殼之間墊片的厚度，使軸承外圈和端蓋之間留有很小的軸向間隙，以適當(dāng)

補(bǔ)償軸受熱伸長。

（2）固定：由擋油板和軸承端蓋實(shí)現(xiàn)軸向固定，軸承端蓋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（3）潤滑：軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起到散熱、減小

接觸應(yīng)力、汲取振動(dòng)、防止銹蝕等作用。初選脂潤滑。

(4)密封：軸承的密封裝置是為了阻擋灰塵、水、酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承,

并阻擋潤滑劑流失而設(shè)置的。初選接觸式的氈圈油封田。

2.2.1.4確定減速器機(jī)體結(jié)構(gòu)

由于在試驗(yàn)過程中須要更換中間軸，故將中間軸布置在水平剖分面上，為了減小減

速器的總體尺寸，故將相嚙合的兩齒輪中心線旋轉(zhuǎn)肯定的角度。

2.2.1.5選擇聯(lián)軸器類型

初選膜片聯(lián)軸器。膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡潔，彈性元件的連接沒有間隙，不需潤滑,

維護(hù)便利，平衡簡潔，質(zhì)量小，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，主要用于載荷比較平穩(wěn)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3定傳動(dòng)方案

2.3.1選擇電機(jī)

1.驅(qū)動(dòng)和加載電機(jī)

⑴驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)：

型號：Z2-12,

額定轉(zhuǎn)速：3000r/min,

額定功率:l.lkw,

額定電壓：220V,

額定電流：6.41A?

(2)加載電機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)：

型號：Z2-42,

額定轉(zhuǎn)速：750r/min,

額定功率：1.5kw,

額定電壓：230V,

額定電流：9.16Ao

2.3.2確定傳動(dòng)比和安排傳動(dòng)比

(1)齒輪減速箱的變速級數(shù)：兩級變速，采納綻開式齒輪減速器。

(2)安排傳動(dòng)比：i］=2.5,i2=1.6o

2.3.3計(jì)算運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)

將傳動(dòng)裝置各軸由高速值低速以此定為1軸、2軸、3軸、4軸，以及

i0,……為相鄰兩軸間的傳動(dòng)比；

小小，……為相鄰兩軸間的傳動(dòng)效率；

匕,P2,……為各軸的輸入功率(kw)；

...為各軸的轉(zhuǎn)速(r/min)o

2.3.3.1各軸轉(zhuǎn)速

由文獻(xiàn)［3,(9)?(11)］可知,

1軸：n.=—==3000r/min(2-1)

i01

2軸：n2=—==1200r/min(2-2)

i}2.5

3軸：r/min(2-3)

4軸：r/min(2-4)

2.3.3.2各軸輸入功率

齒輪聯(lián)軸器的效率取0.99,齒輪傳動(dòng)副效率0.97叫由文獻(xiàn)［3,(12)?(15)］可知，

1軸：P1=P.x〃()[=l.lx0.99=1.09kw(2-5)

2軸：P2=Ptxz/l2=1.09x0.97=1.06kw(2-6)

3軸：P3=P2x%3=1.06X0.97=1.03kw(2-7)

4軸：P4=P3x〃弘=1.03x0.99=1.02kw(2-8)

2.3.3.3各軸輸入轉(zhuǎn)矩

由文獻(xiàn)［3,(16)?(21)］可知，

Td=9550x立=9550x^-=3.50N

電機(jī)軸：(2-9)

d

nm3000

1軸：T,=TJo-77Oi=3.5x1x0.99=3.47N?m(2-10)

2軸:T2=1%”12=347x2.5x0.97=8.41N?m(2-11)

3軸:T3=T2-i2“23=841x1.6x0.97=13.06N?m(2-12)

4軸：T4=T3%=13.6x1x0.99=12.93N?m(2-13)

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)如表2-1所示。

表2-1齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)

軸號電動(dòng)機(jī)兩級圓柱齒輪減速器加載電機(jī)

0軸1軸2軸3軸4軸

轉(zhuǎn)速〃(r/min)300030001200750750

功率P(kw)1.101.091.061.031.02

轉(zhuǎn)矩T(N.m)3.503.478.4113.0612.93

2.4減速器結(jié)構(gòu)

2.4.1高速級齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算級結(jié)構(gòu)說明

2.4.1.1選定齒輪類型、精度等級、材料級齒數(shù)

(1)按圖3T的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。

(2)試驗(yàn)臺減速器齒輪轉(zhuǎn)速較高，故選用7級精度卜胸ON］。

(3)材料選擇吐g】。

選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(?；?，

硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBSo

(4)計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩

,95.5xl05xP.

T=------------=3.47x1N?加

(5)取齒寬系囊為=0.4。

(6)取彈性影響系數(shù)ZE=189.

(7)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲憊強(qiáng)度極限bmimi=600^2,大齒輪的接

觸疲憊強(qiáng)度極限b“1im2=550MPao

(8)預(yù)期壽命為20年，兩班制，一年按300天計(jì)

Lz,=20x300x16=96000//,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

1010

N、=60/?l./L/,=60x3000x1x96000=1.73xlO,A^2=O.7xlO

2.4.1.2按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)

［IJO-5］(2-14)

(1)確定各計(jì)算數(shù)值

a.小齒輪的彎曲疲憊強(qiáng)度極限bFE|=500Ma；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限

crFE2=380Mpa［倜gig］

b.取彎曲疲憊壽命系數(shù)跖川廣0.8,K.W2=0.841圖止⑶］；

c.計(jì)算彎曲疲憊許用應(yīng)力，取彎曲疲憊平安系數(shù)S=1.4,由式(10-12)囚得:

口J="出廠嗎=0?8°x500=285.7MP"(2-15)

S1.4

(2-16)

d.由文獻(xiàn)［1］查得：K.=1,Ky=1.17,K,.a=1,=1.14,

計(jì)算載荷系數(shù)K：K=KA-KLKOK"=1XL17X1XL14=1.334;(2-17)

e.查取齒形系數(shù)：由表10-5.查得=2.60,YFa2=2.26?

f.查取應(yīng)力校正系數(shù)：由表10-53查得匕“=1.595,%2=L74。

g.計(jì)算大小齒輪的并加以比較。

2.60x1.595

=0.01452;(2-18)

285.7

VY2.26x1.74

1Fa2lsa2=0.01725;(2-19)

228

大齒輪的數(shù)值大。

(2)設(shè)計(jì)計(jì)算：由公式(4T)得,

12町(；/2xl.334x3.47xl03

m>30.01725=0.84/?wi;(2-20)

6/)-V0.4x262

取"2=2mmo

4.2.1.3按齒輪的接觸疲憊強(qiáng)度計(jì)算。

1).試算小齒輪的分度圓直徑422.32x=31.5mm,取即=50mm。

2).計(jì)算圓周速度v。

=7.86m/so

3).計(jì)算齒寬b。

b=。44=0.4x50mm=25mmo

4).計(jì)算齒寬齒高之比b/h。

模數(shù)。齒高：h=2.25m,=4.327,b/h=5.7780

5).依據(jù)v=7.86m/s,7級精度，查得動(dòng)載系數(shù)&=1.17,直齒輪，KHa=KFa=1,

查得運(yùn)用系數(shù)KA=1,查得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時(shí)，K砂=1.157,

由b/h=5.778,K砂=1.157,得=1.14,故載荷系數(shù)K="搗K^K即=1.354

6).=50.68mm。

7).計(jì)算模數(shù)m。

m=-=1.949

zi

8).幾何尺寸的計(jì)算。

取模數(shù)m=2,考慮到各軸的配置，齒輪的分度圓直徑不宜過小，取4=30,

4=，叼=2x30=60mm,z2=30x2.5mm=75,4=mz2=2x75=150〃?/〃。。取

B2—24mm,B}-28mm°

高速級圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)如表2-2o

名稱代號單位小齒輪大齒輪

模數(shù)mmmm—2mm

a=20°

壓力角a

0〃=公里/?(Z|+Z2)=]05mm

中心距amm22

i=2.5

傳動(dòng)比i

嚙合角%C)%=2(r

齒寬系數(shù)*%=04

齒數(shù)

ZZj=30z2=75

分度圓直徑mm

d4=mzi=60mmd2=mz2=150m

m

基圓直徑mm

丸dlA=56.4mmdh2—120.4mm

齒頂圓直徑mm

d.dal=64mmda2=154mm

齒根圓直徑%mmd=55mmI/2=145mm

齒寬mm

bb]=28mmb2=24mm

材料及齒面硬度HBS40。?調(diào)質(zhì)45鋼常化

280HBs240HBS

齒頂高h(yuǎn)mm%=2mmh=2mm

aa2

齒根高h(yuǎn)mm%=2.5mmh=2.5mm

ff2

全齒高h(yuǎn)mmh=4.5mmh=4.5mm

表2-2高速級圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)

2.4.2低速級齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算級結(jié)構(gòu)說明

2.4.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料級齒數(shù)

(1)按圖3T的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。

(2)試驗(yàn)臺減速器齒輪轉(zhuǎn)速較高，故選用7級精度[幽02】。

(3)材料選擇。

由表10T⑶選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS,大齒輪材料為

45鋼(常化)，硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。

(4)選小齒輪齒數(shù)4=40,大齒輪齒數(shù)Z2=40x1.6=64。

2.4.2.2按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)

皿0-5](2-21)

(1)確定各計(jì)算數(shù)值

a.由圖10-20c口查的小齒輪的彎曲疲憊強(qiáng)度極限=500MRZ；大齒輪的彎

曲強(qiáng)度極限o7E2=380"/%。

b.由圖10T8切取彎曲疲憊壽命系數(shù)K,=0.83,K.W2=0.85；

c.計(jì)算彎曲疲憊許用應(yīng)力，取彎曲疲憊平安系數(shù)S=1.4,由式(10T2)也得：

口〃=K&i=°-83x500=296.43MP“(2-22)

S1.4

[]==0.85x380=230.7MPa(2-23)

Lrj2S1.4

d.由文獻(xiàn)［1］查得：K,=1,Ky=1.15,KFa=\,K%=1.13,

計(jì)算載荷系數(shù)K：K=K/K「K.GKM=lxl.15xlxl.13=1.3;(2-24)

e.查取齒形系數(shù)：由表10-5查得丫叼=2.40,%“2=2.26。

f.查取應(yīng)力校正系數(shù)：由表10-5查得%?=1.67,%2=L74。

g.計(jì)算大小齒輪的并加以比較。

2.40x1.67

=0.01352;(2-25)

[crf],296.43

%2K22.26x1.74

=0.017()4;(2-26)

[crj230.7

大齒輪的數(shù)值大。

(2)設(shè)計(jì)計(jì)算：由公式(4-21)得,

(2-27)

取加=2mmo

2.4.2.3按接觸疲憊強(qiáng)度計(jì)算。

(1)確定各參數(shù)值。

1)試選載荷系數(shù)g=1.3。

2)計(jì)算小齒輪的傳遞的扭矩。

(=8.41xIO"，N?〃3o

3)取齒寬系數(shù)內(nèi)=04。

4)取彈性影響系數(shù)ZE=189.8M&”。

5)按齒面硬度差得小齒輪的接觸疲憊強(qiáng)度極限bmimi=60Ma，大齒輪的接觸

疲憊強(qiáng)度極限。閉加2=550MP"。

6)預(yù)期壽命20年，2班制，一年按300天計(jì)，L/t=20x300x16=96000//

99

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N|=60njjLh=60x1200x1x9600=6.9xl0;^2=7V1/1.6=4.32xl00

7)接觸疲憊壽命系數(shù)長“「0.87;&^2=090。

8)計(jì)算接觸疲憊許用應(yīng)力

取失效概率為1%,平安系數(shù)s=l,由式(10-12)得：

HN

[%]=K嗖mi=522;口〃1=*2；所2=495

（2）設(shè)計(jì)計(jì)算。

1）試算小齒輪分度圓直徑4,,代入口〃］中較小的值

=46.取

4,=80。

2）計(jì)算圓周速度V。

3）計(jì)算齒寬b.

b=%，dn=0,4X80=32mmo

4）計(jì)算齒寬齒高比b/h。

模數(shù)=2;齒高〃=2.25x牲=4.5mm；b/h=7.1L

Z|

5）依據(jù)v=5m/s,7級精度，查得動(dòng)載系數(shù)K-=i.15；直齒輪，

=長砂=1,查得使用系數(shù)七=1,由7級精度，小齒輪相對支承為非對稱布置,

K即=1.158,由力//=7.11,K即=1.158,得=1.13,故載荷系數(shù)

"右乂Z1心V乂11"ex乂右門p=1X1.15X1X1.158=1.332

至-=S0.65mm.

6）4=4百

K,

7）計(jì)算模數(shù)。

d.80.65

m=-L=-=--2-.016o

z,40

2.4.2.4確定幾何尺寸。

取模數(shù)m=2,齒輪直徑要取大一些，令4=z〃=50x2mm=100mm,d2=山xl.6=160mm；

中心距;B]—30mtn,B-,—26nmio

低速級圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)如表2-3所示。

表2-3低速級圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)

名稱代號單位小齒輪大齒輪

模數(shù)mmmm=2mm

壓力角aC)a=20°

4=互&=_(z*2)=130mm

中心距amm

22

傳動(dòng)比iz=1.6

嚙合角??C)a“=20。

齒寬系數(shù)%%=0.25

齒數(shù)z

z,=50z2=80

分度圓直徑mm

d4=mz{=100md2=mz2=160m

mm

基圓直徑mm

dbdbi=94mmdh2=150.5mm

齒頂圓直徑mmd=104mmd=164mm

dua]a2

mm

齒根圓直徑dfd=91mmdf2=151mm

齒寬mm

b瓦=30mmZ?2=26mm

材料及齒面硬度HBS40。?調(diào)質(zhì)45鋼常化

280HBs240HBs

mm

齒頂高耳ha{=2mmha2=2mm

齒根高mm

hfhfx=2.5mmhf2=2.5mm

全齒高h(yuǎn)mmh=4.5mmh=4.5mm

2.4.3減速器附件的名稱、位置和作用

(1)窺視孔和窺視孔蓋：在減速器上不開窺視孔，檢查齒面接觸斑點(diǎn)和齒側(cè)

間隙，了解嚙合狀況；

(2)放油螺塞：在減速器底部設(shè)有放油孔，用于解除污油，注油前用螺塞堵

上；

(3)油標(biāo)：油標(biāo)用來檢查油面高度，保證正常油量；

(4)通氣器：在機(jī)蓋頂部或窺視孔蓋上安裝通氣器，使機(jī)體內(nèi)熱漲氣體自由

逸出，達(dá)到機(jī)體內(nèi)外氣壓相等，提高機(jī)體由縫隙處的密封性能；

(5)啟蓋螺釘：機(jī)蓋和機(jī)座接合面上涂有水玻璃或密封膠，聯(lián)結(jié)后不易分開。

故在機(jī)蓋凸緣上裝有一到兩個(gè)啟蓋螺釘，在啟蓋時(shí)，先擰動(dòng)次螺釘頂起機(jī)蓋；

(6)定位銷：為保證軸承座孔的安裝精度，在機(jī)蓋和機(jī)座用螺栓聯(lián)接后，鐐

孔之前裝上兩個(gè)定位銷，銷孔位置不對陳；

(7)調(diào)整墊片：調(diào)整墊片有多片很薄的軟金屬制成，用以調(diào)整軸承間隙，有

的墊片還要起調(diào)整傳動(dòng)零件軸向位置的作用；

(8)吊環(huán)：機(jī)蓋上裝有吊環(huán)，用以搬運(yùn)或拆卸機(jī)蓋，在基座上鑄出吊鉤，用

以搬運(yùn)機(jī)座或整個(gè)減速器，

(9)密封裝置：在伸出軸和端蓋之間有間隙，必需安裝密封件，以防止漏油

或污物進(jìn)入機(jī)體內(nèi)。

2.5齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度選擇

2.5.1小花鍵齒輪

齒輪結(jié)構(gòu)

齒輪有關(guān)尺寸如下：

花鍵孔內(nèi)徑"=028mm,花鍵孔外徑。=032mm,輪轂長度L=48mm。

2.5.1.2齒輪精度等級選擇

(1)確定齒輪的精度等級

小齒輪的分度圓直徑：。=叫=2x30=60mm,

大齒輪的分度圓直徑：d=mz2=2x75=150mm,

..、nud、+d、60+150

公稱中心距：a—----------------=105mm,

22

齒輪的圓周速度：v=7rd,n.=3.14x60)300、_9.42m/s,

60x1000

參考表10-5即所列通用減速器的齒輪和表10-6⑷所列某些機(jī)器中的一般齒輪所

采納的精度等級，按齒輪圓周速度，綜合考慮三項(xiàng)精度要求，確定齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)的精

確性、傳動(dòng)平穩(wěn)性、輪齒載荷分布勻稱性的精度等級分別為8級、7級、7級。

(2)確定齒輪的應(yīng)檢精度指標(biāo)的公差或極限偏差

由附表10-1⑷查得小齒輪的四項(xiàng)應(yīng)檢精度指標(biāo)的公差或極限偏差為：

齒距累積總公差：Fp=38jxm,

單個(gè)齒距極限偏差：土fp,=±12gm,

齒廓總公差：Fa=16pm,

螺旋線總公差：0=17^01。

本齒輪減速器的齒輪屬于一般齒輪，不須要規(guī)定k個(gè)齒距累主動(dòng)限偏差。

(3)確定公差齒厚及其極限偏差

齒輪材料線脹系數(shù)為%/。，，箱體材料為鑄鐵，線脹系數(shù)為

a^lO.SxlO-6/^,減速器工作時(shí)，齒輪溫度增至4=457,箱體的溫度增至

G=30°C,室溫為20°C。

確定齒厚極限偏差時(shí)，首先確定齒輪副所需的最小法向間隙/加1Tl2其中，由式

(10-6)川確定補(bǔ)償熱變形所需的側(cè)隙：

6

jbHl-6Z2Ar2)x2sin6Z/?=105x(l1.5x25-10.5xl0)x2xsin20°xlO=0.013

mm

(2-28)

減速器采納油池潤滑，由表10-7圖查得保證正常潤滑所需的側(cè)隙為：

jbn2=5xm〃=5x2//m=10/.im(2-29)

因此：

兒in=Jhni+Jh,,2=0013+0.01=23Mm(2-30)

然后，確定補(bǔ)償齒輪和齒輪箱體的制造誤差和安裝誤差所引起的側(cè)隙減小量

[4]14]

jhn,按式(10-8),由附表10-1W：

fpb、=fPh2=13,m,Fp=17gm,

Jhn=標(biāo)i+戲2+(L25COS24+1)琮=30.7pirn

(2-31)

令大小齒輪齒厚上偏差相同，按式(10-9)[4],由附表10-5國查得中心距極限偏差

=27gm,因此，小滑移齒輪齒厚上偏差為：

%”=-鏟匚屈+力tana=/普瞿+27tan2。[=-38.4gm,(2-32)

按式(10-10),由附表10-3查得齒輪徑向跳動(dòng)公差工=30nm,從表10-8⑷查取切

齒時(shí)徑向進(jìn)刀公差為：

br=1.26/79=1.26x74=93.24即,(2-33)

因此齒厚公差選取為：

22

Qi=2tananQb；+F；=2tan20。793.24+30=71.1pim(2-34)

最終，計(jì)算齒厚的下偏差，

&=(-38.4)-71.1=-109.5gm(2-35)

(4)確定公稱公法線長度及其極限偏差

由于測量公法線長度較為便利，且測量精度較高，因此本例采納公法線長度偏

差作為側(cè)隙指標(biāo)?？琮X數(shù)為：

上=Z]/9+0.5=30/9+0.5=3.8,取k=4。(2-36)

公稱法線長度按下式計(jì)算：

W=mcos?[^r(4-0.5)+Z,mv?]

(2-37)

=2xcos200[3.1416x(4-0.5)+30x0.01508]=22Zzm

按式(10-11)閨，由附表10-3閨查得工=43摩1,確定公法線長度上下偏差為:

Ews=Esnscosa-0.72工sin二=(-38.4xcos200)-0.72x30xsin20°=-43.5gm(2-38)

=E?Mcosa+().72工sina=(—109.5xcos20°)+0.72x3()xsin20"=-95.6〃機(jī)

(2-39)

按計(jì)算結(jié)果，在齒輪圖上這樣標(biāo)注：22二:爆5mm。

(5)確定齒面的表面粗糙度輪廓幅度參數(shù)的允許值。按齒輪的精度8級，由

附表10-7國查得齒面的表面粗糙度輪廓精度參數(shù)Ra的上限值為

1.25|im0

(6)確定齒輪坯公差。按附表10-6同，基準(zhǔn)孔尺寸公差為IT8,其尺寸公差

確定為溟8”8,并采納包涵要求。

齒頂圓柱面不作為測量齒厚的基準(zhǔn)和切齒時(shí)的找正基準(zhǔn)，齒頂圓公差帶確

為。56川1。

(7)確定齒輪副中心距的極限偏差土人=±27「im,取為1()5±().027陛1。

2.5.1.3齒輪的結(jié)構(gòu)及標(biāo)注

小滑移齒輪的結(jié)構(gòu)及標(biāo)注如圖2-5所示。

圖2-5小花鍵齒輪的結(jié)構(gòu)

2.5.1.4齒輪參數(shù)

小滑移齒輪的參數(shù)如表2-4所示。

表2-4小花鍵齒輪的參數(shù)

模數(shù)m2mm

齒數(shù)Z26

齒形角a20°

齒頂高系數(shù)h4*1

螺旋角B0°

螺旋方向

7J

徑向變位系數(shù)X0

齒厚4.5mm

精度等級8-7-7GB/T10095.1-2001

圖號

配對齒輪A2

齒數(shù)64

公差組檢驗(yàn)項(xiàng)目代號公差值

齒距累積總公差Fp0.053mm

單個(gè)齒距極限偏差±fpt±0.012fflm

齒廓總公差

Fa0.016mm

螺旋線總公差

F60.017mm

公法線跨齒數(shù)k4

長度公稱值及極限偏差W霸21.391㈱

配巾;齒輪的齒數(shù)Zi64

齒輪副中心距及其極限偏差