毕业论文《齿轮传动设计》

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1、摘 要随着科技技术的不断进步，生产都向着自动化、专业化和大批量化的方向发展。这就要求企业的生产在体现人性化的基础上降低工人的生产强度了提高工人的生产效率，降低企业的生产成本。现代的生产和应用设备多数都采用机电一体化、数字控制技术和自动化的控制模式。在这种要求下齿轮零件越发体现出其广阔的应用领域和市场前景。特别是近年来与微电子、计算机技术相结合后，使齿轮零件进入了一个新的发展阶段。为适应机械设备对齿轮加工的要求，对齿轮加工要求和技术领域的拓展还需要不断的更新与改进。关键词：工艺设计 齿轮零件 齿轮传动目 录 第一章 课题的研究背景 1第二章 齿轮传动的失效形式及计算准则 32.1轮齿的失效形式3

2、2.2不同场合下的主要失效形式及计算准则4第三章 齿轮材料及热处理 53.1常用材料及热处理53.2选用要点5第四章 圆柱齿轮的计算载荷 64.1名义载荷64.2计算载荷7第五章 标准直齿圆柱齿轮的强度计算75.1齿轮的受力分析 75.2齿面接触疲劳强度计算 75.3齿根弯曲疲劳强度计算 85.4齿轮传动的许用应力 8第六章 齿轮传动的设计方法与步骤106.1基本方法 106.2主要参数分析与选择 116.3设计式使用中的问题及对策 116.4主要设计步骤 116.5要点 11第七章 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算127.1齿轮受力分析 127.2承载特点 127.3齿面接触疲劳强度计算 12

3、7.4齿根弯曲疲劳强度计算 13第八章 直齿圆柱锥齿轮传动的强度计算148.1概述 148.2受力分析 148.3强度计算 14第九章 结论16致谢17参考文献18第一章 课题的研究背景齿轮机构用于传递空间任意两轴之间的运动和动力，具有质量小、体积小、传动比大和效率高等优点，已广泛应用与汽车、船舶、机床、矿山冶金等领域，它几乎适用于一切功率和转速范围，是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。目前齿轮齿轮传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一。齿轮设计在齿轮制造应用过程中占有重要地位。传统的齿轮设计过程繁杂，效率低，采用传统的设计方法设计一组较为合理的齿轮副要反复修正参数、多次校核计算、花费

4、很长时间才能实现。另外，齿轮类零件的绘图工作也是一项繁杂而费时间的工作。但齿轮类零件大部分具有相识的结构和形状、尺寸的综合协调和优化。这时寻求一种简便、合理的设计方法，提高设计工作效率，是齿轮设计工作者的迫切愿望。因此，借助CAD技术实现其绘图过程的参数化和自动化，对于提高设计效率和保证设计质量具有重要意义。因此，现代齿轮机构的设计建模技术有着广泛的工程应用背景和研究意义，随着计算机和现代技术理论与方法的迅速发展，三维设计软件尤其是Unigraphics在机械零件和产品设计中的日益普及，齿轮实体在三维软件特别是在UG中的绘制变得越来越重要。但基于UG的齿轮设计系统一般都局限于齿轮二维轮廓的绘制

5、或三维实体建模，齿轮参数的设计计算难以与CAD系统很好的集成，给齿轮的CAD/CAM带来不利影响。单三维实体的参数化造型较为成熟。对复杂的三维实体的参数化造型尚不多见，特别是齿轮这类形状复杂、精确齿轮形的三维实体参数化造型设计更少。这有多方面原因：一方面齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求;另一方面运用低级CAD软件对复杂的三维实体很难实现参数虚拟造型设计。随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展，传统的二维图形已不能满足现在的设计、加工要求。因此，在三维软件上绘制齿轮实体变得十分重要。但是由于齿轮形状复杂，且齿形曲线有一定的规律，绘制齿轮曲线较复杂。并且齿轮各参数

6、间都有严格的函数关系，再加上随着当代机械制造业的不断发展，齿轮的精度要求也越来越高，齿轮实体的绘制较为麻烦。齿轮并不是一个标准件，它的各个参数随着设计要求的不同而不同。如果每设计一个齿轮都要画一个对应的实体部件的话，那不仅增加了设计者的劳动量，还大大降低了设计效率，阻碍了企业的生产和发展。参数化设计是新一代智能化、集成化CAD系统的核心内容，也是当前CAD技术的研究热点。用大型的三维软件实现齿轮的参数化造型已成为设计者的迫切需求，齿轮体参数化造型有重要的意义： (1)齿轮传动的参数化设计与建模系统式CAD技术与齿轮设计相结合的产物，也是两者发展的趋势所在。（2）实现设计过程自动化避免了设计人员

7、手动查阅大量的数据，也避免了手工取点造型的复杂过程，该系统的开发，可以将手算设计的工作人员从繁琐、低效的工作中解放出来。（3）实现齿轮的参数化设计以及渐开线齿廓的精确造型，可以将设计计算、三维造型与绘制工程图的无缝结合，同时为齿轮的有限元分析、机构仿真和数控加工等工作奠定基础。（4）采用建立原始齿轮结构模型并驱动其特征参数，为其它复杂曲面的造型提供了有益的参考。本课题利用大型软件UGNX4.0来实现齿轮的三维参数化造型，通过改变齿轮的一些基本参数，生成其相应齿轮。要达到相应的设计要求，首先要知道如何在UG中绘制齿轮部件，要绘制齿轮必然要知道齿轮的齿合原理及各个参数间的关系，还应熟知渐开线的数学

8、模型，精确画出渐开线。画出齿轮模型后，还应知道UG二次开发的知识，灵活运用UG系统提供的二次开发工具，在模型的基础上编制相应的程序，最后完成齿轮参数化设计模块的开发。具体内容和步骤如下：（1）研究直齿、斜齿圆柱齿轮锥齿轮的基本齿合理论和各参数间的关系并建立数字模型；（2）渐开线数学模型的建立，通过对齿轮的齿合原理的深入研究，建立渐开线数学模型，得到渐开线方程；（3）深入掌握UG二次开发的各种方法，并熟练运用UG/OPEN开发工具，在建立直齿圆柱齿轮、斜齿轮和直齿锥齿轮的数学模型的基础上，对各齿轮实现三维参数化造型；（4）在构建齿轮模块框架的基础上，深入研究菜单的制作技术已确定本课题应采用的最佳

9、菜单制作技术。UG软件是集CAD/CAM/CAE一体化的三维参数化软件，是当今世界上最为先进的计算机辅助设计、制造和分析软件，在国内使用相当广泛。另外它所提开发各种基于自身需要的专用CAD系统。使用UG/Open API和UG、Open GRIP中任何一个模块都能实现UG的二次开发语言模块和辅助模块，就可以实现UG环境下对齿轮进行参数设计。9第二章 齿轮传动的实效形式及计算准则2.1齿轮的实效形式1.齿轮折断疲劳折断、过载折断形式：整体折断、局部折断2.齿面点蚀（1）接蚀应力的概念点、线接触物体在弹性挤压变形区的应力接触面对应点的相等，非均布有一最大值为表层应力（2）点蚀形成机理 复作用表面萌

10、生裂纹向下扩展 表层（应力）裂纹返向表面=微粒材料脱落且表面形成麻点；1后果：震动平稳性、噪音，但扔可工作。3.齿面胶合瞬时高温油膜破裂接蚀峰峰高温熔焊撕裂产生条状沟伧；后果：无法工作比点蚀严重4.齿面磨损后果：（1）齿厚=断齿， （2） 齿面为非渐开线=平稳性5.齿面塑性变形（软齿面在重载时，在摩擦力作用下材料沿齿受摩擦力方向流动）2.2不同场合下的主要失效形式及计算准则（1）闭式传动；点蚀：断点： 一般功力传动的计算准则胶合：条件计算（高速、重载时发生）；（2）开式传动磨损后断齿计算准则：以条件计算模数考虑磨损、适当加大m条件性计算五种常见失效形式，并不是同时发生，不同工作场合下以某种或几

11、种形式为主；第三章 齿轮材料及热处理基本要求：齿面硬、齿芯韧（点蚀、胶冷、磨损、塑性流动）；（断齿）；（点蚀、胶冷、磨损、塑性流动）；（断齿）；对于应用齿轮较多的工业部门，如：航天、汽车、拖拉机、机床等，大都制定行业的齿轮材料规范，甚至还有行业齿轮设计规范，现仅对通用机械中的动力传动的齿轮材料作简要介绍。 3.1常用 材料及热处理3.2选用要点（1）使用条件与要求固定作业、载荷较平稳软齿面 结构紧凑硬齿面冲击、过载严重：渗碳、淬火：（2）工艺性 软齿面优于硬齿面（3）软齿面：一般小齿轮硬度应比大齿轮高3050HB（4）环保或可持续发展第四章 圆柱齿轮的计算载荷4.1名义载荷 4.2计算载荷（与

12、带、链相同，实际载荷大于名义载荷，不过影响因素更多，考虑更仔细，精确）Fnc=KFn或Fte=KtK=KKpK(用4个系数考虑四个方面的影响因素)K使用系数；1.Kv动载系数；（机械原理：要保证齿轮传动的瞬时传动比为正值，齿合处的齿廓公法线与两回转中心的交点应为定点；但实际应用中存在）基节误差、齿形误差、轮齿变形；齿廓公法线位置波动节点波动附加载荷2.Ka齿间载荷分配系数；制造误差、齿轮变形多齿对齿合时载荷分配不均；3.K齿向载荷分布系数安装、制造误差轴（弯、扭）支承系统变形 载荷沿齿宽分布不均。第五章 标准直齿圆柱齿轮的强度计算5.1齿轮的受力分析Ft=2T/d1 Fr=FtgaFn=Ft/

13、cosa5.2齿面接触疲劳强度计算（计算式）1. 的计算依据赫芝公式两圆柱体接触应力计算式：齿面压力两圆柱体接触的当量曲率半径，弹性影响系数（与材料E，U有关）2.齿轮的计算式 （瞬时状态、齿合系数为两圆柱接触，公式可用）（1） 计算点失效分析统计节点附近为单点对齿合 （2）计算式 节点区域系数（标准齿轮=2.5）3.设计式（式中未知数：b,d）引入=b/d1齿宽系数 5.3齿根弯曲疲劳强度计算 力学模型：（中等精度齿轮）视齿轮体为悬臂梁；基本式：=M/w 引入Ysa应力修正系数，（剪切应力，压力）1. 计算式 危险截面：30切线法； 计算点：手拉式 （1） 校核式 Yfa齿形系数；（2） 设

14、计式 5.4齿轮传动的许用应力1. 疲劳极限的测试条件1） 齿轮副试件、失效概率1%2） m=35mm、a=20、b=1050mm、P2022. 许用应力 Kn寿命系数； 疲劳极限（应力）；第六章 齿轮传动的设计方法与步骤6.1基本方法1. 闭式传动 失效：点蚀，断齿； 以条件计算d1;（1） 预订m,Z1，校核条件；2.开式传动（1） 定Z1，以设计计算m计；（2） 虑磨损补偿，取m=(1.11.5)m计。 问题：两个准则如何应用？ 求何参数 ； 先用哪个 ； 注：与m无关，与d1,b1,m有关；当d1,b一定 (即：外廓尺寸不变)，m。6.2主要参数分析与选择1.Z1与m d1=mZ1 （

15、d1一定）Z1平稳性m切削量成本；满足时，Z1为好；闭式：Z1=2040；开式：Z1=1720；动力传动：m1.52；2.d的选择（1） db承载能力；b偏载K（效能）=d应适当。（2） d与实际齿宽b=dd1计算齿宽b1=b+（510）b2=b6.3 设计式适用中的问难及对策1.问题：待定参数：d1=mZ1，m由FF确定，d1由HH确定。 而Kv、K与d1或b有关。2. 对策预订系数值，初算d1，调整d1=mZ1，后再校核 （m取标准，Z1圆整）。6.4主要设计步骤（闭式、荐用）1. 预订系数值，初算d1试取K=1.22，计算d1（初）2. 调整初定参数方案（1）预订m：m（0.010.02

16、）a，软齿面取中偏小值，硬齿面取中篇大值；（1） 求：Z1=d1/m；（2） 确定d1=mZ1；（圆整Z1、m取标准）3. 核HH条件满足且接近（1） 不满足：加大d1（加大Z1）（2） 满足但相差太多：减小d1（减小Z1）4. 校核FF不满足先保持d1不变，Z1，m。余量大，保持d1不变，Z1，m。6.5要点（1） H1=H2,但1.2不一定相同，H=minH1，H2(2)F1.2 一般不相同，差别在YFa、Ysa；（3）F1.2一般不相同。18第七章 标准斜齿轮圆柱齿轮传动的强度计算7.1齿轮受力分析（1） 计算式：（Fn：水平面分解F1和Fa，垂直面Fr） F1=2T1/d1 Fn=Ft

17、/（cosncos） Ft=Fnsinn、cos Fa=Fttg （2） Fa方向判定 判定对象：主动轮 右旋右手，即：四指转向，拇指Fa方向； 左旋左手 从动轮主动轮的反作用方向。7.2承载特点（1） 重合度：=+，大传动平稳性，承载力；（2） 接蚀线倾斜：对承载有利 局部断齿、计算难度大；（3） 强度计算原理（齿廓正压力在法面上）强度近是认为与法面上的当量直齿圆术齿轮强度相当=当量直齿圆齿轮的强度计算。（引入系数弥补差别）7.3齿面接触疲劳强度计算 端面重合度； =设计式。7.4齿根弯曲疲劳强度计算 YFa,Ysa以Zv查取； Y螺旋角系数； =设计式。参数选择 一般=825，（1020为

18、宜）第八章 直齿圆柱锥齿轮传动的强度计算8.1概述1.应用场合：两相交轴传动；2.几何参数（1） 基准：大端d=mz（2） 轴交角：10180 *最常用：=90=1+2 齿数比：u=z2/z1=d2/d1=cos1=tan2 锥距： 齿宽系数：R=b/R 平均分度圆半径：dm=d（1-0.5R）3. 强度计算特点（d1变化，齿厚变化）（1） 近似认为：集中力位于齿宽中点；（2） 近似认为强度与齿宽中点处的背锥母线长度为分度圆半径的直齿圆柱齿轮相当=计算当量圆柱齿轮的强度。8.2受力分析（1） 计算式F1=2T1/dml （dml=（1-0.5R）d1，平均直径；）Fr=Ft tgcos；Fa=

19、Ft tgsin（2） 主、从动轮作用力关系Ft1=-Ft2Fr1=-Fa1 Fa1=-Fr2 8.3强度计算（1） 接触疲劳强度 K=KAKvK Kv用dml代替d1，降低一级精度查取 设计式。（2） 齿根弯曲疲劳强度计算 *齿数用当量齿数 Zv。 设计式。 *齿数用当量齿数 Zv。第九章 结论 通过对齿轮及轴零件的设计以校核，我对齿轮和轴有了更深一步的了解，让我知道了怎么样去判断某个齿轮和某个轴是否适合某个部位，与汽车紧密的结合起来，从中有学到许多知识。作设计的过程不但学到了知识也提高了动手能力。查阅资料的同时也开拓了视野。在改造齿轮大小时，让我对以前所学的机械设计也有了更深的理解。齿轮设

20、计的不同对承受力的大小有很大的影响，轴在设计时应采用变应力，结构设计时应尽量减少应力集中，提高其疲劳强度。另外在零件设计中能够实现的设计在应用领域中并不一定能实现，这就对改造很大困难。机械设计是现代机械工业的重要技术，也是先进技术的基础，国家生产自动化技术水平综合表现在对设计技术的掌握及在实际生产中的应用。通过做此次毕业设计让我对齿轮及轴的用途和功能有了大致。可看齿轮及轴对现代社会的巨大影响，不管在日常生活还是在科学技术领域齿轮及轴都起着重要作用，例如，航空、汽车、农业建筑方面的机械等许多零件及器件都是通过齿轮来传动的。此次通过我对齿轮设计，深知齿轮及轴对我们国家大型机械领域起着重要。 毕业设

21、计锻炼了我独立思考和设计能力，把我们所学知识有效地结合在一起，是对我们大学三年来专业知识综合性的考核和测试。 现在正是人们对精神生活的要求越来越高的时代，也伴随这现在生活压力的增大，时间对于人们来说越来越宝贵了，我们必须用我们所学的创造机会，为自己未来创造价值，为国家献出自己的一份力量。致 谢在此次关于齿轮传动设计的过程中，我非常感谢我的指导老师赵衍青对我的指导以及同学们对我的支持和帮助，正是老师严谨的教学态度，不但使我懂得了做事要踏踏实实，任何一件事都是需要付出劳动的，让我感觉到了劳动后果实的甜美，也让我学到了许多关于齿轮传动设计中的知识：传递的功率、转速、转动比、工作机和原动机的工作特性；

22、外廓尺寸，中心距限制，使用寿命，可靠性要求，维修条件等。 设计要求：确定齿轮传动及轴的主要参数、几何尺寸、齿轮结构、精度等级，最后给合出工作图。在齿轮和轴的设计过程中，在老师严谨、负责的教学态度下，让我学到了很多知识，使我受益匪浅！在此我衷心的再次向赵老师表示感谢！同时也感谢舍友对我三年来的宽容和帮助，让我有了一个和谐的生活环境，让我知道团结的快乐，感受到家的温暖，同时也让我学会了宽容。感谢三年来信息学院给予我的培养，感谢所有教导过我的老师，让我知道了自学、与人合作的道理，并培养了我的创新意识，给了我极大地鼓舞，不仅学会了知识也懂得了要想做事先学做人。参考文献1孙宝军.机械设计基础.北京.机械工业出版社.1995.121-1162陆文秀.机械制图.天津.天津大学出版社.2002.102-1053陈生长.机械基础.北京.机械工业出版社.2003.217-2314王运炎.机械工程材料.北京.机械工业出版社.19995成大光.机械设计手册.北京.化学工业出版社.2002.13-3-13-996姜敏凤.金属材料及热处理.机械工业出版社.2005.133-1407吴宗泽.机械设计课程设计手册.北京.高等教育出版社.19928杨老记.机械制图.北京.机械工业工业出版社.2002.7-111-10961-99姜左.机械工程基础.北京.东南大学出版社.2009