【文章內容簡介】 圖 28 輸電線除冰機電池組支架 12 第 3 章 結構設計 傳動零件的設計 齒輪機構設計 1 選定齒輪的類型，精度等級，材料以及齒數(shù) 1） 按照圖 2— 1所示的傳動方案，因為齒輪受軸向力很小，故選用直齒圓柱齒輪傳動，制作比較簡單可以降低成本。 2） 該輸電線輪式除冰機工作時的速度較低，所以選擇 8級精度（ GB1009588）。 3） 材料選擇 。由輪齒的失效形式可知，設計齒輪時，應該使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合以及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對齒輪的材料性能基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌。一般齒輪材料有鋼，鑄鐵，以及非金屬材料。 齒輪材料的選擇原則：齒輪材料必須滿足工作的要求；應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型的方法以及熱處理和制造工藝：如正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調質碳鋼可以用于制作在中等沖擊載荷平穩(wěn)下工作的齒輪；合金鋼常用于制作高速、重 載并在沖擊載荷下的齒輪；飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼；金屬制作的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應保持為 30~50HBS或更多。由剪草機的工作條件可知對齒輪材料要求不高，而且大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，因此可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。 根據齒輪材料選擇的原則以及常用材料的力學特性選擇大小齒輪的材料為ZG310570，采用表面淬火。 2 齒輪尺寸設計 開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒主要為磨損失效，為使得輪齒不至于過小，故小齒輪不適宜選用過多的齒數(shù)，本設計 中選擇小齒輪齒數(shù) z1 =15，大齒輪的齒數(shù) 30152uZ 12 ????Z ，取 302?Z 。設計傳動比 2u? 。 除冰機 正常行走時的速度為 大約 3m/s。設計除冰機的前后 輪直徑 均為 40mm。設想 除冰 機工作時處于理想狀況下即輪子只滾動不滑動。由此可得，后輪軸的轉速約為 s/r24 。查機械設計手冊得：橡膠輪對輸電線 滾動摩擦力臂為 10~15/mm，由 于設計要求剪草機質量不大于 20Kg，則 車輪沿輸電線 的最大滾動阻力矩為mm7 2 0 ??????? NNKM 。 設計輸電線除冰機 機工作壽命為 8年。 13 3 軸 1和軸 2上齒輪 1和齒輪 2的設計 基本參數(shù) 151?Z 302?Z 2u? ⒈ 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 t1d ≥? ?32d1tu ?????????HETK Z?? (31) 1） 確定公式內各計算數(shù)值 （ 1）試選載荷系數(shù) ?K （ 2）小齒輪轉矩 mm7 0 5 67 5 0 09 8 22 ????? NTT 注：由機械設計手冊查得：圓柱齒輪機械傳動 7級精度的傳動效率為 （ 3）選取齒寬系數(shù) 1d?? （ 4）材料的彈性影響系數(shù) MPZE ? （ 5）由齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 a1lim 600MPH ?? ；大齒輪的接觸疲勞強度極限 a2lim 550 MPH ?? （ 6）計算應力循環(huán)次數(shù) 7h11 ?????????? LN (32) 812 ??? NN (33) （ 7）查得接觸疲勞壽命系數(shù) ?HNK 。 ?HNK （ 8）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，得 ? ? a1lim11 ?? ?? (34) ? ? a2lim22 8 5 2/ MPSK HHNH ?? ?? (35) 2）計算 （ 1）計算小齒輪分度圓直徑，代入接觸疲勞許用應力中的較小值 14 t1d ≥? ? mm42u 32d1t ?? ????????HETK Z?? (36) （ 2）計算圓周速度與齒寬 s/?V mm5b? （ 3）計算齒寬與齒高之比 模數(shù) ??? Z (37) 齒高 .2 5 mh t ?? ?? (38) （ 4） 計算載荷系數(shù) 根據速度 s/?V ,7級精度，查得動載系數(shù) 1v?K 。 直齒輪，假設 b/tFKA ＜ mm/100N 查得 ?? ?? FH KK 。 使用系數(shù) ?AK 。 7級精度小齒輪對稱支撐布置， ??HK ； 由 ? ， ??HK 得 ??FK ；故載荷系數(shù) ?K 2. 按齒根彎曲疲勞強度設計 彎曲疲勞強度的設計公式為 m ≥ ? ?3aa21d12 ????????FSF YYZKT ?? (39) 1） 確定公式內的各計算數(shù)值 （ 1）查得小齒輪的彎曲疲勞極限 aFE1 500MP?? ；齒輪的彎曲疲勞極限aFE2 380MP?? ； （ 2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 11?FNK ； ?FNK 。 （ 3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，得 ? ??1F? aF E 11 ?? (310) 15 ? ??2F? 2FNK aFE2 266/ MPS ?? (311) （ 4）計算載荷系數(shù) ?K （ 5）查取齒形系數(shù) ?FY ； ?FY （ 6）查取應力校正系數(shù) ?SY , ?SY 。 （ 7）計算大、小齒輪的 ? ?FSFYY?aa 并加以比較得： ? ? 0 12 1 57 ???F SF YY ? (312) ? ? ???F SF YY ? (313) 大齒輪的數(shù)值大。 2） 設計計算 m ≥ ? ? 23 aa21d 1 ?????????FSF YYZKT ?? (314) 由上可得，小齒輪的分度圓 直徑大于 42mm，模數(shù)大于 要求?？紤]到加工難易以及軸的強度故取模數(shù) m=3，小齒輪分度圓直徑為 45mm。 3. 幾何尺寸計算 1） 計算分度圓直徑 mm45mm315md 11 ????? Z (315) m m `90mm330md 22 ????? Z (316) 2） 計算中心距 ? ? ? ? ????? (317) 3） 計算齒輪寬度 取 mm51 ?B , mm52 ?B . 4） 計算齒頂圓直徑 ? ? mm5131215d 1a ????? (318) ? ? mm9631230d 2a ????? (319) 16 5） 計算齒根圓直徑 ? ? 1f ????? (320) ? ? 2f ????? (321) 齒輪結構通常與其幾何尺寸，材料及制造工藝有關，一般多采用鑄造或者鍛造毛坯。 為了減輕重量 ,在 大齒輪 輪轂打六個通孔 ；當齒輪根圓直徑與該處軸所需直徑差值過小時，為避免由于鍵槽處輪轂過于薄弱而發(fā)生失效，應將齒輪與軸加工成一體；由于小齒輪的齒頂圓直徑 較小 ，所以可以做成實心結構的齒輪。 圖 3— 1 小齒輪形狀結構圖 圖 3— 3 大齒輪形狀結構圖 17 軸的設計 1 軸的材料選擇 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。 由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力 集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造尤為廣泛，其中最常用的是 45號鋼。 合金鋼比碳鋼具有更高的力學性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。 必須指出：在一般工作溫度下（低于 200℃），各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時，所根據的是強度與耐磨性，而不是軸的彎曲或扭轉剛度。但也應當注意，在既定條件下，有時也可以選擇強度較低 的鋼材，而用適當增大軸的截面面積的辦法來提高軸的剛度。 各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化、氰化等）以及表面強化處理（如噴丸、滾壓等），對提高軸的抗疲勞強度都有著顯著的效果。 高強度鑄鐵和球墨鑄鐵容易作成復雜的形狀，且具有價廉，良好的吸振性和耐磨性，以及對應力集中的敏感性較低等優(yōu)點，可用于制造外形復雜的軸。 根據軸的常用材料及其主要力學性能，結合此處的實際的情況，所受載荷小而且轉速低所以三個軸均選擇用 45鋼（調質）。 2 軸的結構設計 軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。 軸的結構主要取決于以 下因素：軸在機器中的安裝位置以及形式；軸上零件的類型，尺寸，數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質，大小，方向以及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結構因素較多，而且結構形式又要隨著具體情況的不同而不同，所以軸沒有標準的結構形式。設計時必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結構都應該滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調整；軸應具有良好的制造工藝性等。 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋等來保證的。 軸肩 分為定位軸肩和非定位軸肩 兩類，利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應力集中。另外，軸肩過多時也不利于加工。因此，軸肩定位多用于軸向力較大的場合。 18 套筒定位 結構簡單，定位可靠，軸上不需開槽﹑鉆孔和切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強度，一般用于軸上兩個零件之間的定位。如兩零件的間距較大時，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質量及材料用量。因套筒與軸的配合較松，如軸的轉速較高時，也不宜采用套筒定位。 圓螺母 定位可承受大的軸向力，但軸上螺紋處有較大的應力集中，會降低軸的疲勞強度，故一 般用于固定軸端的零件，有雙圓螺母和圓螺母與止動墊片兩種型式。當軸上兩零件間距離較大不宜使用套筒定位時，也常采用圓螺母定位。 軸承端蓋 用螺釘或榫槽與箱體聯(lián)接而使?jié)L動軸承的外圈得到軸向定位。在一般情況下，整個軸的軸向定位也常利用軸承端蓋來實現(xiàn)。 軸上零件的周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉動。常用的周向定位零件有鍵﹑花鍵、銷﹑緊定螺釘以及過盈配合等，其中緊定螺釘只用在傳力不大之處 有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑。安裝標準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）部位的軸徑，應取為相應的標準值及所選配合的 公差。 為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應采用較小的直徑。為了使與軸作過盈配合的零件易于裝配，相配軸段的壓入端應制出錐度；或在同一軸段的兩個部位上采用不同的尺寸公差。 確定各軸段長度時，應盡可能使結構緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調整空間。軸的各段長度主要是根據各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短 2～ 3mm。 結合以上設計準則設計各個軸的結構尺寸如下： （ 1） 軸Ⅰ的設計 1） 求作用在軸 Ⅰ 上齒輪 1的力 因為 ? mm7200T2 ?? N ，故 NT 48030/72021d/2F 22t2 ???? (322) NF 7 4ta nF t2r2 ?? ? （ ??20? ） (323) 由此可見，軸所承受的力很小。 NP 1 0 8 59 5 5 0/6024