【文章內(nèi)容簡介】 機(jī) 2軸 機(jī) 6錐齒輪軸 7錐齒輪 各參數(shù)值列表如下： 表 各軸的參數(shù) 軸號(hào) 功率KW 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 r/min 傳動(dòng)機(jī) 效率 電動(dòng)機(jī) 1400 / / 2軸 1400 / 4軸 458 機(jī) 2 軸 機(jī) 6 Z 齒輪材料的選擇 齒輪是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)零件。齒輪傳動(dòng)通過輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，并可以改變運(yùn)動(dòng)的速度和形式。齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比恒定，使用范圍廣，使用壽命長，效率較高。在機(jī)械零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 47 頁 和 制造過程中，不僅要考慮材料的性 能能夠適應(yīng)零件工作條件，使零件經(jīng)久 而 耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以便提高零件的生產(chǎn)率，減少消耗，降低成本。如果齒輪材料選擇 得 不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)零件的過早損傷，甚至?xí)?失效。因此如何合理選擇 與 使用金屬材料是一項(xiàng)十分重要的工作。 齒輪材料的機(jī)械性能 材料的機(jī)械性能包括硬度、強(qiáng)度、韌性及塑性等，反映材料在使用的過程中所表現(xiàn)出來的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應(yīng)力，齒根部有最大的彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面塑性 變形、齒面膠合和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度與接觸疲勞強(qiáng)度，齒面需有足夠的硬度和耐磨性，芯部得有一定的強(qiáng)度和韌性。 例如，在確定大、小齒輪硬度時(shí)應(yīng)注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高 3050HBS，這是因?yàn)樾↓X輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強(qiáng)度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強(qiáng)度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。 另一方面，根據(jù)材料的使用性能確定了材料牌號(hào)后 ， 要明確材料的機(jī)械性能或 者材料硬度，然后我們可以通過不同熱處理工藝達(dá)到所要求的硬度范圍，從而賦予材料 不同的機(jī)械性能。如材料為 40Cr 合金鋼的齒輪，當(dāng) 840860℃ 油淬，540620℃ 回火時(shí)，調(diào)質(zhì)硬度可達(dá) 2832HRC，可改善組織、提高綜合機(jī)械性能；當(dāng) 860880℃ 油淬， 240— 280℃ 回火時(shí)，硬度可達(dá) 4651HRC，則鋼的表面耐磨性能好，芯部韌性好，變形??；當(dāng) 500560℃ 氮化處理，氮化層 時(shí)，硬度可達(dá) 5254HRC，則鋼具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強(qiáng)度，較高的抗蝕性和抗膠合性能且變形極??；當(dāng)通過電鍍或表面合金化處里后，則可改善齒輪工作表面摩擦性能，提高抗腐蝕性能 。 滿足材料的工藝性能 材料的工藝性能是指材料本身能適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、熱處理和切削加工等幾種加工，因此選材時(shí)必須對(duì)材料的工藝性能加以注意。一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以 第 16 頁 共 47 頁 滿足一般工作條件的要求。但淬透性較差，強(qiáng)度不夠高。而合金鋼淬透性好、強(qiáng)度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過熱處理方法、改變工藝規(guī)程等途經(jīng)來改善材料的工藝性能。 例如汽車變速箱中齒輪選擇 20CrMnTi 鋼，該鋼具有比較高的機(jī)械性能，在滲碳淬火低溫回火后，表面硬度為 5862HRC，芯部硬度為 3045HRC。 20CrMnTi的工藝性能較好，鍛造后以正火來改善其切削加工性。此外， 20 CrMnTi 還具有較好的淬透性，由于合金元素鈦的影響，對(duì)過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。適合于制造承受高速中載及沖擊、摩擦的重要零件，因此根據(jù)齒輪的工作條件選用 20CrMnTi 鋼是比較合適的。 材料的經(jīng)濟(jì)性要求 所謂經(jīng)濟(jì)性是指以最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件總成本。我 們可以從以下幾方面考慮： 從材料本身價(jià)格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價(jià)格是比較低廉的，因此在滿足零件機(jī)械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。從金屬資源和供應(yīng)情況來看，應(yīng)盡可能減少材料的進(jìn)口量及價(jià)格昂貴材料的使用量。 從齒輪生產(chǎn)過程的耗費(fèi)來考慮。首先，采用不同的熱處理方法相對(duì)加工費(fèi)用也不一樣，如 12CrNi3A 鋼滲碳表面淬火的費(fèi)用要比氮化處理的費(fèi)用少得多，而碳氮共滲又具有生產(chǎn)周期短和成本低的特點(diǎn)。其次，通過改進(jìn)熱處理工藝也可以降低成本。如某齒輪工作時(shí)在高速、中載且承受中等沖擊條件下 ，原選用中合金高級(jí)滲碳鋼 18cr2Ni4WA 材料，其經(jīng)過 910940℃ 滲碳， 850℃ 淬火， 180200℃回火后機(jī)械性能的抗拉強(qiáng)度 ≥1177Mpa 、屈服強(qiáng)度 ≥834Mpa 、延伸率 ≥10 ％、斷面收縮率 ≥45 ％，沖擊韌性 ≥980kJ ／ m2，硬度為 5862HRC。雖能滿足齒輪的使用性能和工藝性能，但零件的價(jià)格高?，F(xiàn)選用價(jià)格相對(duì)便宜的低碳中合金、中淬透性滲碳鋼 20CrMnTi。經(jīng)過 910940℃ 滲碳， 870℃ 淬火， 180200℃ 回火后機(jī)械性能的抗拉強(qiáng)度 ≥1100Mpa 、屈服強(qiáng)度 ≥850Mpa 、延伸率 ≥10 ％ 、斷面收縮率≥45 ％，沖擊韌性 ≥680 ，硬度為 5862HRC。僅此一項(xiàng)改進(jìn)，材料費(fèi)用不僅大大 第 17 頁 共 47 頁 降低，而且滿足了其使用性能和工藝性能。第三，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，以便采購和管理。隨著齒輪形狀、尺寸和材料向著多品種、多系列和個(gè)性化的方向發(fā)展，尤其是在型號(hào)多、產(chǎn)量小時(shí)，在齒輪鍛造、機(jī)加工和熱處理等生產(chǎn)工藝方面，存在著設(shè)計(jì)量大，生產(chǎn)周期長、效率低、成本高、能耗大、管理難和質(zhì)量不易保證等不利狀況，因此在齒輪選材時(shí)精選、優(yōu)選和壓縮材料牌號(hào)和規(guī)格有利于提高選材通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化程度，提高材料的利用率，提高材料采購的 計(jì)劃性，以減少庫存積壓、加快資金流動(dòng)，方便儲(chǔ)存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我們還可以通過改進(jìn)工藝來提高經(jīng)濟(jì)效益。如模鍛件生產(chǎn)的模鍛工藝已突破傳統(tǒng)工藝的要求，在提供成型毛坯時(shí)，可利用少無切削工藝，模鍛與機(jī)械精加工相結(jié)合，部分或全部取代切削加工直接生產(chǎn)零件，或在生產(chǎn)中采用成組技術(shù)與工藝，也可提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本。 常用材料及熱處理 適合制造齒輪的材料有很多，最常用的鋼、鑄鐵，有些場(chǎng)合也采用非金屬材料。 齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的零件之一 ,它的功用是按規(guī)定的速比傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng) 。在工作中 ,它的受力情況比較復(fù)雜 ,齒輪的齒根部受交變彎曲應(yīng)力 ,齒面承受大的接觸應(yīng)力并產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦 ,在換擋、啟動(dòng)和嚙合不良時(shí) ,齒輪還承受一定的沖擊載荷。齒輪的主要失效形式是疲勞斷齒、疲勞點(diǎn)蝕以及齒面的過量磨損。根據(jù)齒輪的受力情況和失效分析可知 ,齒輪一般都需經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?,以提高承載能力和延長使用壽命 ,齒輪在熱處理后應(yīng)滿足下列性能要求 :(1)高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度 (抗疲勞點(diǎn)蝕 )。 (2)齒面具有較高的硬度和耐磨性。 (3))齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性。齒輪的材料及熱處理對(duì)齒輪的內(nèi)在質(zhì)量和使用性能都有很 大的影響。鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬及非金屬材料都可用來制造齒輪 ,各種熱處理方法 ,如滲碳、滲氮、碳氮共滲、表面淬火、調(diào)質(zhì)和正火等 ,在齒輪制造中都被應(yīng)用 ,因此 ,齒輪的選材和熱處理方法的選用較其它零件復(fù)雜。這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)齒輪承載能力的不同 ,合理選擇材料和毛坯及熱處理工藝 ,并制定相應(yīng)的工藝路線 ,用最經(jīng)濟(jì)的辦法最大限度地發(fā)揮材料的潛能 ,做到 “ 物盡其用 ” 。 第 18 頁 共 47 頁 ① 鋼 鋼具有韌性好、強(qiáng)度高、熱處理和便于制造等優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)齒輪毛坯都是采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼通過鍛造而成，并通過熱處理改善與提 高力學(xué)性能。按熱處理后齒面硬度的不同，鋼制齒輪分為硬齒面齒輪和軟齒面齒輪兩種。 硬齒面齒輪的齒面硬度大于 350HBS，常用于高速重載及受有沖擊載荷的或要求結(jié)構(gòu)緊湊的重要機(jī)械傳動(dòng)中，例如，機(jī)床、汽車變速箱等。這種齒輪的毛坯在進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火后，進(jìn)行精切齒，然后再進(jìn)行表面淬火處理，使得齒輪的耐磨性提高，承載能力增大。 硬齒面齒輪與軟齒面齒輪比較，其綜合承載能力可提高 23 倍?；蛘哒f，在相同的承載能力下，硬齒面齒輪要比軟齒面齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸小得多。所以，除非受到工藝或生產(chǎn)等條件的限制，一般情況下應(yīng)盡可能采用硬齒面 齒輪。 軟齒面齒輪的齒面硬度小于或等于 350HBS，通常適用于一般用途、中小功率以及精度要求不高的場(chǎng)合，例如一般用途的減速器。由于齒面硬度不高，這種齒輪的毛坯在進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火的熱處理之后再進(jìn)行精加工，一般采用插齒或滾齒等方法。 對(duì)于一對(duì)軟齒面的齒輪來說，在傳動(dòng)的過程中，小齒輪的輪齒嚙合次數(shù)比大齒輪的多，同時(shí)小齒輪的齒根較薄，使得小齒輪的齒輪彎曲強(qiáng)度較弱，因此，通常使小齒輪的齒面硬度要比大齒輪的齒面硬度高 30～50HBS 或更多，以保證大、小齒輪的使用壽命相接近。在一般情況下，通常選用不同的材料或不 同的熱處理可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。 ② 鑄鋼 對(duì)于齒輪的直徑尺寸較大（大于 400～ 600mm），或結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易鍛造的齒輪毛坯，可要鑄鋼來制造。例如低速、重載的礦山機(jī)械中的大齒輪。 ③ 鑄鐵 灰鑄鐵具有較好的減磨性和加工性能，而且價(jià)格低廉，但它的強(qiáng)度較低，抗沖擊性能差，因此，常用于開式、低速輕載、功率不大及沖擊振動(dòng)的 第 19 頁 共 47 頁 齒輪的傳動(dòng)中。 球墨鑄鐵的力學(xué)性能和抗沖擊能力較灰鑄鐵高，可代替鑄鐵、鑄鋼和調(diào)質(zhì)鋼鑄造大直徑齒輪。 ④ 非金屬材料 非金屬材料的彈性好耐磨性好，可注塑成型，成本低，但承載能力小，適用高速輕載以及精度要求不高的場(chǎng)合。例如家電產(chǎn)品、食品機(jī)械以及辦公設(shè)備等。 常用齒輪的材料見下表 表 常用齒輪的材料及其力學(xué)性能 牌號(hào) 熱處理方法 齒面硬度 強(qiáng)度極限 屈服極限 主要應(yīng)用 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 45 正火 160～217HBS 580 290 低速輕載 調(diào)質(zhì) 217～255HBS 650 360 低速中載 表面淬火 48～ 55HBS 750 450 高速中載或低速重載 50 正火 180～220HBS 620 320 沖擊很小 合金鋼 40Gr 調(diào)質(zhì) 表面淬火 240～260HBS 48～ 55HRC 700 900 550 650 中速中載 高速重載無劇烈沖擊 42SiMn 調(diào)質(zhì) 表面淬火 217 ～269HBS 45～ 55HRC 750 470 高速中載無劇烈沖擊 20Gr 滲碳淬火 56～ 62HRC 650 40 高速中載 承受沖擊 20GrMnTi 滲碳淬火 56～ 62HRC 1100 850 第 20 頁 共 47 頁 鑄鋼 ZG310～570 正火 表面淬火 160 ～210HBS 40～ 50HRC 570 320 中速、中載、大直徑 ZG340～640 正火 調(diào)質(zhì) 170 ～230HBS 240 ～270HBS 650 700 350 380 球墨鑄鐵 QT6002 QT5005 正火 220 ～280HBS 147 ～241HBS 600 500 低中速輕載有小的沖擊 灰鑄鐵 HT250 HT300 人工時(shí)效 170 ～240HBS 187 ～235HBS 200 300 低速輕載沖擊很小 直齒圓錐齒輪的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 圓錐齒輪傳動(dòng)用于 傳遞兩個(gè)相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，圓錐齒圓按照分度圓上的餓齒方向，圓錐齒輪可分為直齒、斜齒和曲齒齒輪三種類型。直齒圓錐齒輪易于制造，則安裝也比較簡單，適用于低速、輕載傳動(dòng)的場(chǎng)合，應(yīng)用也比較廣泛。斜齒圓錐齒輪應(yīng)用較少。而曲齒圓錐齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力高，常應(yīng)用于高速在重載的場(chǎng)合。但是設(shè)計(jì)和制造較為麻煩，復(fù)雜。圓錐齒輪 7 是直齒圓錐齒輪。 圓錐齒輪的各參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 已知：齒數(shù) , 模數(shù) , 配對(duì)齒輪齒數(shù) , 模數(shù) 分度圓直： 分度圓錐角： =arctg= 第 21 頁 共 47 頁 齒頂高 ： 齒根高 ： 全齒高 ： h= 頂隙 c： c= 齒 頂圓直徑 : 齒根圓直徑： 錐矩 ： R= 齒頂角 ： 齒根角： 當(dāng)量齒數(shù)： 根錐角： 頂錐角： = 當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑 ： 當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑： 當(dāng)量齒輪齒頂壓力角 ： 不發(fā)生根切的最少齒數(shù) ： 受力分析 進(jìn)行受力分析，為了簡便起見，近似假定載荷沿齒寬分布均勻，并集中作用于齒寬中點(diǎn)節(jié)線處的法向平面內(nèi)，和圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相似，齒面的法向?yàn)椋部梢苑纸鉃閳A周力，徑向力和軸向力，求得各分力公式為： (51) (52)