諧波齒輪減速器的設(shè)計與建模

e諧波齒輪減速器的設(shè)計與建模作者:e(e)指導(dǎo)老師：ee摘要:諧波齒輪傳動是50年代中期，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，在薄殼彈性變形的理論基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的傳動技術(shù)。我國從1961年開始諧波齒輪傳動方面的研制工作，并且在研究、試制和使用方面取得了較大的成績。但是在民用產(chǎn)品應(yīng)用中，諧波減速器存在著 傳動 爬行”和丟步的現(xiàn)象嚴重影響其諧波齒輪類產(chǎn)品的設(shè)計制造，也制約著其產(chǎn)品的不斷 推廣，是該產(chǎn)品亟待解決的技術(shù)難題。本文主要介紹了諧波齒輪傳動的原理，發(fā)展歷史，應(yīng) 用領(lǐng)域，發(fā)展趨勢及其優(yōu)缺點。前半部分介紹了諧波齒輪減速器的設(shè)計計算，為了更好地分 析諧波齒輪傳動，后半部分用PRO/E建立了三維模型。寫出了主要零件的繪制過程，并展示了各個零部件，最后給出了裝配圖。關(guān)鍵詞諧波齒輪，傳動設(shè)計，三維模型，裝配第1頁共52頁eThe desig n and modeli ng of harm onic gear reducerAuthor:e(e)Tutor:eAbstract Harm on ic gear tran smissi on is developed with the of space scie nee and thch no logy in mid 50s, on the basis of elastic thin shell theory developed a new type of drive tech no logy.So far ,we have already had doze n of un its en gaged in the research ofthis aspect in our country ,and developed into a variety of types of harm onic gear tran simissi on deviced .In this field it had research at differe nt level on all issues, but many problems still has not yet bee n determ in ed,a nd some regularity has not revealed .such as civilian products,There is“ crawling ” and)niitosestermonic phenomengear reducer tran smissi on .So it is impact on the desig n of harm onic gear product manu facturi ng,also restrict the further promotion of its products.and solove the problem that exist in the transmission ,it isan urge nt n eed of a job in the curre nt this kind of products.This artical main in troducted the theory harm onic gear reducer ,and the developme nt history of harm onic gear drive applicati on filed,developme nt tren d,adva ntagesa nd disadva ntages.The former in troduce the desig n and calculate of harmonic gear reducern order to analyze the harmonic gear drive, The later part with PRO/E toestablish the three-dime nsional model.Write the draw ing process of the main parts .and show ing all the parts .Finally ,given the assembly diagram.Key words:Harm on ic gear ,Tra nsmissi on desig n, Three-dism insional model ,Assemble.第2頁共52頁e目錄1緒論11.1選題的目的及研究意義 11.2課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 11.3主要研究內(nèi)容、途徑及技術(shù)路線 32. 諧波齒輪減速器的傳動方案的確定 錯誤！未定義書簽。2.1確定傳動方案 錯誤！未定義書簽。2.2、傳動方案的擬定 錯誤！未定義書簽。3. 諧波齒輪減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計計算 錯誤！未定義書簽。3.1傳動比的計算及柔輪剛輪齒數(shù)的確定 錯誤！未定義書簽。3.2諧波傳動主要零件的材料錯誤！未定義書簽。3.2.1柔輪錯誤！未定義書簽。3.2.2剛輪錯誤！未定義書簽。3.2.3抗彎環(huán) 錯誤！未定義書簽。3.3柔輪、剛輪、波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和尺寸計算 錯誤！未定義書簽。3.3.1柔輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 錯誤！未定義書簽。3.3.2剛輪的結(jié)構(gòu)和尺寸錯誤！未定義書簽。3.3.3波發(fā)生器的幾何尺寸計算 錯誤！未定義書簽。3.4驗算與校核錯誤！未定義書簽。3.4.1柔輪的疲勞強度計算 錯誤！未定義書簽。3.4.2柔輪的穩(wěn)定性校核錯誤！未定義書簽。3.4.3柔性軸承的壽命計算 錯誤！未定義書簽。3.5高、低速軸的設(shè)計錯誤！未定義書簽。3.5.1高速軸設(shè)計錯誤！未定義書簽。3.5.2低速軸的設(shè)計。 錯誤！未定義書簽。3.6各段軸上需要安裝鍵處鍵的尺寸錯誤！未定義書簽。4. 諧波齒輪減速器的 PRO/E三維建模錯誤！未定義書簽。4.1 Pro/E簡介 錯誤！未定義書簽。4.2諧波齒輪減速器的 Pro/E建模 錯誤！未定義書簽。421柔輪的建模錯誤！未定義書簽。422其他零件的Pro/E模型錯誤！未定義書簽。4.3諧波齒輪減速器的裝配錯誤！未定義書簽。致謝錯誤！未定義書簽。參考文獻錯誤！未定義書簽。外文翻譯錯誤！未定義書簽。第2頁共52頁e1.緒論1.1選題的目的及研究意義選題的目的：波傳動是 50年代中期隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在薄殼彈性變形的理論基礎(chǔ)上 發(fā)展起來的一種新型傳動技術(shù)。我國從1961年開始諧波齒輪傳動方面的研制工作，并且在研究、試制和使用方面取得了較大的成績。到目前為止，我國已有幾十家單位從事這方面的研究工作，先后 研制成多種類型的諧波齒輪傳動裝置。這些成果也很快應(yīng)用于民用領(lǐng)域，為企業(yè)創(chuàng)造了很大利潤的 同時，也暴露出產(chǎn)品的一些問題，如“爬行”、“丟步”現(xiàn)象。嚴重影響到諧波齒輪類產(chǎn)品的設(shè)計 制造，也制約著產(chǎn)品的推廣。因此，應(yīng)用科學(xué)的方法和手段對諧波齒輪進行深入的分析研究，解決 存在的問題，也就更加緊迫，也非常必要，這也是我選題的目的。研究意義：諧波齒輪減速器是一種由固定的內(nèi)齒剛輪、柔輪、和使柔輪發(fā)生徑向變形的波發(fā)生器組成，具有高精度、高承載力等優(yōu)點，和普通減速器相比，由于使用的材料要少50%其體積及重量至少減少1/3。有以下優(yōu)點1. 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；2傳動比范圍大3. 同時嚙合的齒數(shù)多。4. 承載能力大。5. 運動精度高。6. 運動平穩(wěn)7. 齒側(cè)間隙可以調(diào)整。8. 傳動效率高。9. 同軸性好。10. 可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運動及動力。1.2課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢諧波傳動的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：我國從1961年開始諧波傳動方面的研制工作，并且在研究、試制和使用方面取得了較大的成績。到目前為止，我國有幾十家單位從事這方面的研究工作，并先 后研制成了多種類型的諧波齒輪傳動裝置。如傳動誤差小于 9"、回差小于4"的高精度諧波齒輪傳動裝置，噪聲小于45dB的高靈敏度小型諧波齒輪傳動裝置，用于水下極光探測儀的諧波傳動裝置，以 及用于導(dǎo)彈發(fā)射架和雷達傳動系統(tǒng)中的動力諧波傳動裝置等，為我國諧波傳動的研制和開發(fā)工作打 下了堅實的基礎(chǔ)。北京市是中國重要的諧波傳動產(chǎn)品生產(chǎn)基地，擁有以北京中技克美諧波傳動有限公司、北京諧 波傳動技術(shù)研究所和北京天階科技工業(yè)公司等為代表的諧波傳動產(chǎn)品的主要生產(chǎn)單位。國內(nèi)諧波傳 動公司的產(chǎn)品已經(jīng)長期應(yīng)用于國防工業(yè)和多種民用機械產(chǎn)品領(lǐng)域，部分產(chǎn)品已出口國外，并開發(fā)成 功固體潤滑諧波傳動和短杯諧波傳動產(chǎn)品。2006年，北京工商大學(xué)基于橢圓凸輪波發(fā)生器，開發(fā)成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的諧波齒輪傳動雙圓弧基本齒廓、諧波齒輪加工刀具以及雙圓弧諧波齒輪傳動裝置。經(jīng)FEM分析顯示，雙圓弧齒形有效減小了柔輪齒根應(yīng)力。對比試驗則表明，雙圓弧諧波齒輪傳動的運動精度和傳動剛度明顯優(yōu)于 漸開線諧波齒輪傳動，特別是在低載荷段，傳動剛度增加了40%以上。諧波傳動的國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：日本的諧波傳動技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。1964年，日本Hasegawa齒輪公司生產(chǎn)了實用化諧波傳動減速器；1970年，Hasegawa公司與USM公司在日本東京合資創(chuàng)立了諧波傳動系統(tǒng)有限公司（ Harm on ic Drive System Inc. ）。根據(jù)合作協(xié)議，諧波傳動系 統(tǒng)公司從Hasegawa公司獲得諧波傳動機構(gòu)商業(yè)權(quán)益。1976年9月，公司資本金降至 1億日元，諧波傳動系統(tǒng)公司成為 USM公司的全資子公司。1977年，諧波傳動系統(tǒng)有限公司開始生產(chǎn)銷售驅(qū)動器 和控制器等工廠自動化設(shè)備。1984年12月，為了拓展市場，諧波傳動系統(tǒng)有限公司在臺灣和韓國設(shè)置了銷售代理。1987年，其為拓展美國市場，創(chuàng)建了子公司HDSystem公司，與Mitsui & Co. Ltd簽署了在韓國的產(chǎn)品分銷協(xié)議。1988年，開始生產(chǎn)具有新開發(fā)的IH齒形的諧波傳動減速器。1989年，其創(chuàng)建全資子公司，即“新的”諧波傳動系統(tǒng)有限公司，并轉(zhuǎn)移商業(yè)權(quán)益。以前的諧波傳動系統(tǒng)有限公司被 Koden電子公司接手。1990年，公司將生產(chǎn)基地從日本 Matsumoto轉(zhuǎn)移至位于 Nagano 的 Hotaka 工廠，1996 年與德國 Harmonic Drive Antriebstechnik公司（現(xiàn)在的 Harmonic Drive 公司）簽署排他性分銷協(xié)議，后者負責(zé)在歐洲、中東、非洲、印度和拉丁美洲的產(chǎn)品銷售，同年12月簽署授權(quán)與技術(shù)支持協(xié)議。1998 年，諧波傳動系統(tǒng)有限公司進入日本證券交易協(xié)會場外交易市場；1999年，創(chuàng)立了 HD物流和 Harm on ic Precisi on 等子公司。2002 年，其獲得了 Harmo nic Drive 公司 25%流 通股權(quán)；2004 年12月，進入了 Jasdaq證券交易市場；2005年，在美國創(chuàng)建 Harmonic Drive L.L.C 公司，該公 司是 HD Systems 與 Harmonic Drive Tech no logies Nabtesco的合資公司。HarmonicDrive AG成立了子公司Micromotion公司，專門負責(zé)用直接LIG工藝開發(fā)與制造微型諧波齒輪傳動（圖3）及其傳動方案，在微型諧波傳動領(lǐng)域，于2005年向市場推出了“ P”齒形，目前開發(fā)出了 MHD8和 MHD10兩個系列的產(chǎn)品，外徑最小為8mm采用行星齒輪傳動式波發(fā)生器， 傳動比為160、500和1000,質(zhì)量最小為2.2g，重復(fù)精度可達10弧秒。由于傳統(tǒng)工藝能加工齒輪的最小模數(shù)為60100m因此微型諧波齒齒輪傳動元件采用了LIGA工藝制造。LIGA工藝可以獲得高深寬比微結(jié)構(gòu)，它于1980年代起源于德國Karlsruhe原子核研究中心，是目前微型機系統(tǒng)（ MEMS加工的重要工藝。子公司 Harmonic Drive Polymer公司專門負責(zé)用 熱塑性塑料制造大減速比精密諧波齒輪傳動的開發(fā)與制造，子公司Ovalo公司則負責(zé)大批量的生產(chǎn)與應(yīng)用，開發(fā)或?qū)⒂脩舳ㄖ频闹C波傳動產(chǎn)品工業(yè)化。Harmonic Drive公司還分別在英國、法國、意大利、澳大利亞和西班牙創(chuàng)建了另外5個子公司，以加強國際銷售和本土化服務(wù)。在諧波齒齒輪傳動中采用雙圓弧齒廓，可以有效改善柔輪齒根的應(yīng)力狀況和傳動嚙合質(zhì)量，提高承載能力、扭轉(zhuǎn)剛度和柔輪疲勞壽命，并可降低最小傳動比。日本的IH齒形是基于余弦凸輪波發(fā)生器開發(fā)的雙圓弧齒形，由于采用近似方法設(shè)計，應(yīng)用初期出現(xiàn)了齒廓干涉等問題，但是到1990年代初期已經(jīng)基本完善。目前，日本諧波傳動系統(tǒng)有限公司的諧波產(chǎn)品有十幾個類型，二十多個系列， 最小傳動比為30,型號中帶有字母“ S”的，其齒形為雙圓弧齒形，產(chǎn)品壟斷了主要國際市場。其 中超短杯型號 CSD(圖4)和SHD其柔輪長度僅有常規(guī)諧波傳動柔輪的1/3，既增加傳動剛度，又大幅度減輕了諧波減速器重量。此外，在諧波傳動輕量化技術(shù)方面，采用鋁等輕合金材料制造波發(fā) 生器與減速器殼體等方式，減薄剛輪外緣以及改進連接結(jié)構(gòu)等形式，使整機重量大幅度減輕，在航 空航天和機器人領(lǐng)域，其輕量化諧波傳動產(chǎn)品系列的應(yīng)用日益廣泛。自2000年開始，日本諧諧波傳動系統(tǒng)有限公司還在中國大陸注冊了11項與諧波傳動相關(guān)的商標，其中，僅2006年就申請注冊了 10項。在研究投入方面，根據(jù)公司(Harmonic Drive System Inc.) 2007年財報，減速器銷售額為150億日元，占公司產(chǎn)品的 75.7%;公司有研究開發(fā)人員 55人，占員工比例14.9%;研究開發(fā)費用11.85億日元，占凈銷售額的6.2%。日本諧波傳動系統(tǒng)有限公司通過持續(xù)深入的研究開發(fā)、規(guī)模化經(jīng)營與資本運作，促進了新產(chǎn)品的開發(fā)和升級換代。目前，其諧波傳動產(chǎn)品不僅壟斷了主要國際市場，并且進入了中國市場。與國 外，主要是日本相比，國內(nèi)諧波傳動產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小且產(chǎn)品種類少，研究開發(fā)人員和投入不足，在加 強知識產(chǎn)權(quán)保護、加快新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品升級換代以及經(jīng)營管理等方面，日本諧波傳動系統(tǒng)有限公 司的發(fā)展可以作為有益的借鑒。應(yīng)用領(lǐng)域：航天、航空、航海、艦船、軍工、數(shù)控機床、加工中心、機器人、機械臂、假肢、紡織機械、化纖機械、化工機械、石油機械、冶金機械、礦山機械、輕工機械、食品機械、印刷噴 繪機械、紙箱包裝機械、橡塑機械、能源機械、節(jié)能設(shè)備、農(nóng)林牧漁機械、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、 電子產(chǎn)品制造設(shè)備、雷達設(shè)備、衛(wèi)星地面接收設(shè)備、氣象設(shè)備、真空制造設(shè)備、半導(dǎo)體制造設(shè)備、 玻璃制造設(shè)備、晶體制造設(shè)備、自動控制設(shè)備、建材機械、電動工具、自動焊接設(shè)備、電纜制造設(shè) 備、電動閥門、高級儀器儀表、計量儀器、分析儀器、電工工具、光學(xué)制造設(shè)備、核設(shè)施、高能物 理實驗研究設(shè)備、空氣動力實驗研究設(shè)備 ”1.3主要研究內(nèi)容、途徑及技術(shù)路線本設(shè)計先確定總體思路、設(shè)計總體布局，然后以Pro/E軟件作為設(shè)計工具，使用該軟件的參數(shù)化繪圖功能，做出減速器傳動系統(tǒng)的參數(shù)化模型，在Pro/E環(huán)境下，按照減速器結(jié)構(gòu)方案對減速器中的零部件進行裝配，建立運動模型。具體研究內(nèi)容：1. 設(shè)計計算部分：分析諧波齒輪機構(gòu)傳動方案，通過計算分析，確定傳動零件的各項參數(shù)并進行校核；在整機設(shè)計開發(fā)背景下，結(jié)合運動參數(shù)完成建模。2. 三維建模部分：本文利用三維建模軟件Pro/E對諧波齒輪減速器進行三維建模，并完成整機的裝配。主要研究途徑和技術(shù)路線1、對國內(nèi)外現(xiàn)有減速器成型設(shè)備的技術(shù)水平、生產(chǎn)過程、控制等進行調(diào)研，歸納，調(diào)查國內(nèi)減速器情況和國內(nèi)需求情況，采用本行業(yè)專家建議結(jié)合本課題的設(shè)計，采用PEO/E建模成型及其仿真原理設(shè)計減速器。2、 查閱有關(guān)減速器、機械原理、PRO/E軟件功能等與設(shè)計相關(guān)方面的資料，研究國內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計手冊或書籍，在保證設(shè)計方案可行性的基礎(chǔ)上，用PRO/E設(shè)計出減速器的結(jié)構(gòu)。3、 利用計算機三維造型軟件對機構(gòu)進行三維造型，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時修改2. 電機選擇2.1電動機選擇（倒數(shù)第三頁里有東東）2.1.1選擇電動機類型2.1.2選擇電動機容量電動機所需工作功率為：工作機所需功率Pw為:PwFv1000第5頁共52頁e第#頁共52頁e傳動裝置的總效率為:第#頁共52頁e第#頁共52頁e傳動滾筒1 =0.96滾動軸承效率2 =0.96閉式齒輪傳動效率3 二 0.97聯(lián)軸器效率4 =0.99第6頁共52頁e代入數(shù)值得:=4 2 3 4 = 0.96 0.994 0.972 0.992 = 0.8所需電動機功率為:PdFv100010000 400.8 1000 60kW =10.52kW第7頁共52頁e第#頁共52頁eP d略大于Pd即可選用同步轉(zhuǎn)速1460r/min ; 4級；型號 丫160M-4.功率為11kW2.1.3確定電動機轉(zhuǎn)速取滾筒直徑D = 500mm60 1000v500 二二 125.6r/ min第#頁共52頁e第#頁共52頁e1.分配傳動比(1) 總傳動比nm inw1460125.6= 11.62第#頁共52頁e第#頁共52頁e(2) 分配動裝置各級傳動比取兩級圓柱齒輪減速器高速級傳動比i01 = ,1.4i = 4.03則低速級的傳動比i12i01追=2.884.03第#頁共52頁e2.1.4電機端蓋組裝CAD截圖第8頁共52頁e圖2.1.4電機端蓋22運動和動力參數(shù)計算2.2.1電動機軸Po 二 Pd =10.52kW no=n 1460r/minTo =9550 =68.81N mno2.2.2高速軸Pi = Pd 4 =10.41kW“5 1460r/minp10 41“ =9550 M = 955068.09N m1 1n114602.2.3中間軸第9頁共52頁e第10頁共52頁eP Pl 0廣 P。230.52 0.99 OaVOVOkWa/min叩 ii 4.03二 362.2r / min第#頁共52頁e第#頁共52頁eT2 =9550 =9550n2業(yè)-263.6N m362.2第#頁共52頁e第#頁共52頁e224低速軸P P2 02 二 Pl3“0.10 0.99 0.97 “69kW第#頁共52頁e第#頁共52頁eT3P4n3 =皿 二 362.2 =i25.76r/min3 i122.889550 =735.8N m2.2.5滾筒軸廠 9.69 0.99 0.99 = 9.49kWn4 二應(yīng)=125.76r/minI 23T 4 二 9550 衛(wèi)1 = 9550949720 N m1 4n4125.76第11頁共52頁e3. 齒輪計算3.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1按傳動方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動。2絞車為一般工作機器，速度不高，故選用 7級精度（GB 10095-88）3材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr （調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS大齒輪 材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240 HBS,二者材料硬度差為40 HBS4選小齒輪齒數(shù)z, = 24，大齒輪齒數(shù)z2二24 4.03二96.76。取Z2 = 975初選螺旋角。初選螺旋角：=143.2按齒面接觸強度設(shè)計由機械設(shè)計設(shè)計計算公式（10-21 ）進行試算，即d1t3 2KtT。4+1ZhZe.冷- H3.2.1確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù)kt =1.61。（2） 由機械設(shè)計第八版圖10-30選取區(qū)域系數(shù) 為=2.433。（3）由機械設(shè)計第八版圖10-26查得；：廠.78 , 廠0.87，則 ；廠 * r "65。（4）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。95.5 105 P。95.5 105 10.4114604N.mm = 6.8 10 N.mm（5）由機械設(shè)計第八版表10-7選取齒寬系數(shù)-d =19第9頁共52頁e9第#頁共52頁e（6）由機械設(shè)計第八版表（7）由機械設(shè)計第八版圖10-6查得材料的彈性影響系數(shù)Ze=189.8MPa 10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限匚Hlim1 =600MPa ;大齒輪的接觸疲勞強度極限 匚円吩= 500MPa 13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。N1 =60n 1jLh =60 1460 1 2 8 300 15 = 6.3 10N2 弘 1.56 1094.039第#頁共52頁e（9 ）由機械設(shè)計第八版圖（10-19 ）取接觸疲勞壽命系數(shù)KHNi = 0.90; Khn2 = .95。（10）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1，由機械設(shè)計第八版式（10-12）得1齊 1 二 Khn1"1 =0.9 600MPa =540MPaSI 2 = 匹=0.95 550MPa =522.5MPaH 2 S（11）許用接觸應(yīng)力!H 1 =531.25MPa23.2.2計算（1）試算小齒輪分度圓直徑d1t=3 121.738 10=42心 " 1 ZhZe =3 16.46 g4 0.862 =3 0.7396 16.46 109.56mm二 1460 49.56（2）計算圓周速度V。3.78m /s60 1000dini60 1000(3)計算齒寬及模數(shù)d 1tCOS 49.56 mmZ1d1tcosP葉49.56 cos14 49.56 0.97=2mm2424第10頁共52頁e第#頁共52頁eh=2.25mnt =2.25 2=4.5mmbh -49.56/4.5=11.01(4)計算縱向重合度0.318 dZan ： =0.318 1 24 tan14 =20.73（5）計算載荷系數(shù)K。第八版圖10-8查已知使用系數(shù)Ka"，根據(jù)v= 7.6 m/s,7級精度，由機械設(shè)計第11頁共52頁e第12頁共52頁e得動載系數(shù)Kv=1.11;第#頁共52頁e由機械設(shè)計第八版表10-4查得心的值與齒輪的相同，故 Kh=1.42;第#頁共52頁e第#頁共52頁e由機械設(shè)計第八版圖10-13查得第#頁共52頁e由機械設(shè)計第八版表10-3查得Kh-. = Kh =1.4.故載荷系數(shù)K =K aKvK.Kh ： =1 1.11 1.4 1.42=2.2（6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式（10-10a）得d1 =d1t3 K =49.56 3 2.2 =49.56 3 1.375 = 55.11mmd1 d1K 1.6d1coSz（7）計算模數(shù)=2.22mm55.11 cos14 _ 0.97 55.1124-2433按齒根彎曲強度設(shè)計由式（10-17）mn33 毋Sa第#頁共52頁e第#頁共52頁e3.3.1確定計算參數(shù)(1)計算載荷系數(shù)。K 二KAKVKf：Kf，1. 11 1.4 1.35=2.09（2）根據(jù)縱向重合度影響系數(shù)丫孑0.88（3）計算當量齒數(shù)。_ Z _24耳1 _ 一 314cos P cos14=1.903_24_30.97，從機械設(shè)計第八版圖10-28查得螺旋角主 26.370.91第#頁共52頁e第#頁共52頁e占孟=話=釜=106.59第#頁共52頁e第#頁共52頁e（4）查齒形系數(shù)。由表10-5查得丫刊1=2.57;丫 Fa2 = 2.18第13頁共52頁e(5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)。由機械設(shè)計第八版表10-5查得Y Sai ".6 ；Y Sa2 J"79(6) 由機械設(shè)計第八版圖10-24C查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 匚fei =500MPa ；大齒輪的彎曲強度極限-fe 380MPa ；(7) 由機械設(shè)計 第八版圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù) Kfn1".85， KFN2 “88 (8) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S= 1.4,由機械設(shè)計第八版式(10-12 )得I 二 Kfnt，F(xiàn)E1 = 0.85500 MPa = 303.57MPaF 1S1.4K FN 2；-_ FE2 0.88 380 佇竺MPa 二 238.86MPaF 2S1.4(9) 計算大、小齒輪的丫刊丫并加以比較。2.592 1.596303.572.2111.774238.86F-0.1363二 0.01642由此可知大齒輪的數(shù)值大。3.3.2設(shè)計計算4 * 2224 *1.65=1.59 仃彳皿0“/10“加（cos14 ） X 0.01642m _豺旅勺儕濡二3辰對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)mn大于由齒面齒根彎曲疲勞強度計算 的法面模數(shù)，取 m2,已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強 度，需按接觸疲勞強度得的分度圓直徑100.677mm 來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是由dos：55.11 cos14乙二皿26.73mn2取 Z=27 ，則 Z2 = 27 4.03 =108.81 取 Z209；3.4幾何尺寸計算3.4.1計算中心距Z1 乙 mn （27 109） 2136a= 12 n140.2mm2cosB2><cos14 0.97將中以距圓整為141mm.342按圓整后的中心距修正螺旋角"rccos（Z1 Z2）mJarccos（27109）2 = arccos0.974.062a2"40.2因值改變不多，故參數(shù)；k Zh等不必修正。3.4.3計算大、小齒輪的分度圓直徑d127 2cos14540.97d2=Z2mncos :109 2218224 mm cos14 0.97d1 d55 2242=139.5mm344計算齒輪寬度b = = 6 =1 55.67 = 55mm圓整后取 B2 =56mm； B61mm.低速級取 m=3; Z3 = 30;由 j12 叢=2.88Z3Z4 =2.88 30 =86.4 取 Z4 =87d 3 = m z3 = 3 30 = 90mdm z 3 87 = 261mmd3 d490261amm = 175.5mm2 2b = dd3 " 90mm = 90mm圓整后取 b4 =90mm, b3 =95mm表1高速級齒輪:名稱代號計算公式小齒輪大齒輪模數(shù)m22壓力角a2020分度圓直徑ddr =2x27=54d2 = m z2= 109=218齒頂咼hahal =ha2 = h：m=1疋"2齒根高hfhfi = hf 2=(h： + C)m=(1 + 疋)>(2齒全高hh2 =(2h：+c)m齒頂圓直徑da*dal =(Zl*2ha)m*da2 =(Z2 + 2 ha)m表2低速級齒輪:名稱代號計算公式小齒輪大齒輪模數(shù)m33壓力角a2020分度圓直徑ddr = m z<i =3 汽 27=54d 2 = m Z2=2 漢 109=218齒頂咼hahal =ha2 十口 =仔2 =2齒根高hfhfi =hf2 =(ha +*之c)m = (1+c2齒全高hhi二 h2 =(2h：*c)m齒頂圓直徑da*dai =(Zi*2ha)m*da2 = (Z2 + 2 ha)m第17頁共52頁e4.軸的設(shè)計4.1低速軸4.1.1求輸出軸上的功率P3轉(zhuǎn)速n3和轉(zhuǎn)矩T3若取每級齒輪的傳動的效率，則P3 沖2 02 二 Pl 2 3=1.1 0.990.97 =9.69kWi 12362.22.88=125.76r /min第18頁共52頁e第#頁共52頁eT3=955R蘭99550 = 735.842N m1 3n3125.764.1.2求作用在齒輪上的力因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為d4 二 mz4 =4 101 = 404mmFtFrFa2T32 735.8 100033642Nd4tan： ntan200.3639二 Ft - =364236421366N廠 tcos：cos140.97-Fttan 1： - 3642 tan 14 二 908N404第#頁共52頁e第#頁共52頁e圓周力Ft，徑向力Fr及軸向力Fa的4.1.3初步確定軸的最小直徑先按式初步估算軸的最小直徑.選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理.根據(jù)機械設(shè)計第八版表15-3,取A0"12dmin =112 江*門39.693 125.76于是得= 112 3 0.077 = 47.64mm第#頁共52頁e第#頁共52頁e輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑d12.為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸第#頁共52頁e器的孔徑相適應(yīng)，故需同時選取聯(lián)軸器型號聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩Tea二KaT3,查表考慮到轉(zhuǎn)矩變化很小，故取K1-3 ,則： T ca = K aT 3 = 1.3疋 735842N mm=956594.6N mm按照計算轉(zhuǎn)矩T ca應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件,查標準GB/T 5014-2003或手冊, 選用LX4型彈性柱銷聯(lián)軸器,其公稱轉(zhuǎn)矩為2500000 N mm .半聯(lián)軸器的孔徑 d55mm ,故取d =50mm ,半聯(lián)軸器長度L=112mm,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長 度 Lt =84mm4.1.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）擬定軸上零件的裝配方案圖4-1（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度1）根據(jù)聯(lián)軸器d12 =50mm，|12 =84m%為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要示求,1-2軸 段右端需制出一軸肩,故取2-3段的直徑d2 =62mm ；左端用軸端擋圈,按軸端直徑取 擋圈直徑D=65mn半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度 L廣84mm,為了保證軸端擋圈只壓在 半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上,故1-2段的長度應(yīng)比L1略短一些,現(xiàn)取|2=82mm2）初步選擇滾動軸承-因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承.參照工作要求并根據(jù)d2； = 62mm,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 o基本游子隙組、標準精度級的單列圓錐滾子軸承 30313。其尺寸為d江6T=65mm140mm36mm故 d3d6 廠 65mm；而 |5（=54.5mm，d5_6=82mm。3）取安裝齒輪處的軸段4-5段的直徑d4= 70mm ；齒輪的右端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為90mm為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng) 略短于輪轂寬度，故取=85mm 。齒輪的左端采用軸肩定位，軸肩高度h_0.07d,故取h=6mm，則軸環(huán)處的直徑d = 82mm 。軸環(huán)寬度b_1.4h ，取l = 60.5mmo4）軸承端蓋的總寬度為20m（由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定）根據(jù)軸承端 蓋的裝拆及便于對軸承加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離 l=30mm 故取 |2s=40.57mm低速軸的相關(guān)參數(shù)：表4-1功率P39.69kW轉(zhuǎn)速n3125.76r/min轉(zhuǎn)矩T3735.842N m1-2段軸長| 1_284mm1-2段直徑d1，50mm2-3段軸長| 2_J340.57mm2-3段直徑d2：62mm3-4段軸長| 3/49.5mm3-4段直徑d365mm4-5段軸長| 4_585mm4-5段直徑d"70mm5-6段軸長| 5660.5mm5-6段直徑d5-682mm6-7段軸長1254.5mm6-7段直徑d665mm(3)軸上零件的周向定位齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按d4b查表查得平鍵截面b*h=20mm 12mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為L=63mm,同時為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H 7n6;同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，選第21頁共52頁e第#頁共52頁eH 7用平鍵為14mm 9mm 70mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為 。滾動軸承與軸的周向定位 k6是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑公差為m6。4.2中間軸4.2.1求輸出軸上的功率p2轉(zhuǎn)速p2和轉(zhuǎn)矩t2P2 二 Pl 0廠 Po 2 3=1.52 0.99 Oa/O.IOkWi 0114604.03r /min = 362.2r/minT2 =9550 P2n2二 955010.10362.2= 263.6N4.2.2求作用在齒輪上的力(1)因已知低速級小齒輪的分度圓直徑為:d3 =mz3 =4 35 = 140mmFt2Td32 263.6 皿=3765N140Fr=Fttan n =3765 tan20 二 3765 0.363 = 1412N cos：cos140.97Fa = FJan： = 1412 tan14 = 352N(2)因已知高速級大齒輪的分度圓直徑為:d 2 = m Z2 = 3 133 = 399m mFtFrFa2T22 263.6 100021321Nd2tan： ntan200.3639t 一n =13211321495Nt cos：cos140.97=F ttan： = 495 tan 14 = 123N399第22頁共52頁e第#頁共52頁e4.2.3初步確定軸的最小直徑先按式初步估算軸的最小直徑.選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理.根據(jù)表15-3，取A。= 112，于是得：d min = A。朽=112 %= 112 x 30027 = 33.6mm軸的最小直徑顯然是安裝軸承處軸的直徑d12U圖4-2424初步選擇滾動軸承.(1) 因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作 要求并根據(jù)d12 = 35mm,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0基本游子隙組、標準精度級的 單列圓錐滾子軸承。其尺寸為d D*T=35mm 72mm 18.25mm,故di = ds- = 35mm， 15上=31.8mm ；(2) 取安裝低速級小齒輪處的軸段 2-3段的直徑d 2； = 45mm 上二29.8mm ;齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為95m m，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取|2=90mm 。齒輪的右端采用軸肩 定位，軸肩高度h _0.07d，故取h=6mm,貝峙由環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度b_1.4h，取3 4=12mm。(3) 取安裝高速級大齒輪的軸段4-5段的直徑d4J = 45mm齒輪的右端與右端軸承 之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為 56m m，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪， 此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取14=51mm。4.2.5軸上零件的周向定位齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按d4查表查得平鍵截面b*h=22mm 14mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為63mm,同時為了保證齒輪與軸配合有良 好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 ；同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵 為14mm 9mm 70mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為 。滾動軸承與軸的周向定位是由過渡 配合來保證的，此處選軸的直徑公差為 m6。中間軸的參數(shù):表4-2功率P210.10kw轉(zhuǎn)速n2362.2r/mi n轉(zhuǎn)矩T2263.6 N m1-2段軸長| 1_229.3mm1-2段直徑d225mm2-3段軸長l 2_390mm2-3段直徑d245mm3-4段軸長I312mm3-4段直徑d357mm4-5段軸長l 4_551mm4-5段直徑d445mm4.3高速軸4.3.1求輸出軸上的功率Pl轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1若取每級齒輪的傳動的效率，則P廠 Pd 4=141kWm二門皿二146&/伽P110.41T1 =9550 1=955068.09N m1 1n114604.3.2求作用在齒輪上的力因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為dr =mz<i = 3 24 = 72mmFt2Tidi2 68.09 100072二 1891.38NF Fttan n =1891.38 tan20 =1891.38 03639 二 709.55Ncos ：cos140.97FaFttan2 =1891.38 tan 14 =1891.38 0.249-470.95N4.3.3初步確定軸的最小直徑先按式初步估算軸的最小直徑.選取軸的材料為 45鋼，調(diào)質(zhì)處理.根據(jù)表15-3，取A =112，于是得：* .PI/10.413"3dmin =Ao3=112 3112 3 7.13*1 0112 1&24 0.1 = 21.54mm輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑d12 .為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時選取聯(lián)軸器型號.聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩a二Ka,查表,考慮到轉(zhuǎn)矩變化很小，故取KA=j3則：Tea 二 K aT1.3 68090N mm =88517N mm按照計算轉(zhuǎn)矩Tea應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查標準GB/T 5014-2003 或 手冊，選用LX2型彈性柱銷聯(lián)軸器,其公稱轉(zhuǎn)矩為 560000N mm .半聯(lián)軸器的孔徑d30mm，故取d2=30mm，半聯(lián)軸器長度L=82mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長 度 |_82mm .4.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計4.4.1擬定軸上零件的裝配方案-J:圖4-3442根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度1）為了滿足半聯(lián) 軸器的軸向定位要示求,1-2軸段右端需制出一軸肩，故取2-3段的直徑d2；=42mm ;左端用軸端擋圈,按軸端直徑取擋圈直徑 D=45mm .半聯(lián)軸器與軸 配合的轂孔長度J =82mm ，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上 而不壓在軸的端面 上，故 段的長度應(yīng)比 略短一些，現(xiàn)取=80mm.2）初步選擇滾動軸承.因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承.參照工作要求并根據(jù) d2：=42mm ，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游子隙組、標準精度級的單列圓錐滾子軸承。其尺寸為d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故d3 = d6 j = 45mm ;而 i7 = 26.75mm ， 1= 31.75mm03） 取安裝齒輪處的軸段 4-5段,做成齒輪軸；已知齒輪軸輪轂的寬度為61mm,齒 輪軸的直徑為62.29mm。4） 軸承端蓋的總寬度為20mm （由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定）。根據(jù)軸承 端蓋的裝拆及便于對軸承加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離 l=30mm，故取 12=45.81mm。5）軸上零件的周向定位齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按d4 查表查得平鍵截面b*h=14mm*9mm ，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為 L=45mm,同時為了保證齒輪與軸配合 有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 也 ；同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，n 6H 7選用平鍵為14mm 9mm 70mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為 。滾動軸承與軸的周向k6定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑公差為m6。高速軸的參數(shù)：表4-3功率10.41kw轉(zhuǎn)速1460r/mi n轉(zhuǎn)矩T168.09N m1-2段軸長l 1_280mm1-2段直徑d130mm2-3段軸長l 2_345.81mm2-3段直徑d242mm3-4段軸長I 345mm3-4段直徑d331.75mm4-5段軸長| 4_599.5mm4-5段直徑d448.86mm5-6段軸長| 5_661mm5-6段直徑d562.29mm6-7段軸長I 226.75mm6-7段直徑d6_745mm第28頁共52頁e5.齒輪的參數(shù)化建模5.1齒輪的建模(1)在上工具箱中單擊DI按鈕，打開 新建”對話框，在 類型”列表框中選擇 零件 選項，在 子類型”列表框中選擇 實體”選項，在 名稱”文本框中輸入dachilun_gear ”如圖5-1所示裘型復(fù)合O :草繪 匸 g組件 叵I繪圖 標it!金用呂稱dAich i lun ghi atee圖5-1新建”對話框2取消選中 使用默認模板”復(fù)選項。單擊 確定”按鈕，打開 新文件選項”對話框, 選中其中mmns_part_solid ”選項，如圖5-2所示，最后單擊”確定按鈕，進入三維實體建模環(huán)境mraxlS_p 4lE tScl i d洌監(jiān).丿RESCRIPT工&HMODELED BY圖5-2新文件選項”對話框(2)設(shè)置齒輪參數(shù)1在主菜單中依次選擇 工具” 一關(guān)系”選項，系統(tǒng)將自動彈出關(guān)系”對話框第26頁共52頁e2在對話框中單擊上按鈕，然后將齒輪的各參數(shù)依次添加到參數(shù)列表框中，具體內(nèi)容如圖5-4所示，完成齒輪參數(shù)添加后，單擊確定”按鈕，關(guān)閉對話框圖5-3輸入齒輪參數(shù)第27頁共52頁e第#頁共52頁e（3）繪制齒輪基本圓在右工具箱單擊，彈出“草繪”對話框。選擇 FRONT基準平面作為草繪平面,繪制如圖5-4所示的任意尺寸的四個圓。（4）設(shè)置齒輪關(guān)系式，確定其尺寸參數(shù)1按照如圖5-5所示，在“關(guān)系”對話框中分別添加確定齒輪的分度圓直徑、基圓 直徑、齒根圓直徑、齒頂圓直徑的關(guān)系式。2雙擊草繪基本圓的直徑尺寸，將它的尺寸分別修改為d、da、db、df修改的結(jié)果如圖5-6所示圖5-5 “關(guān)系”對話框圖5-6修改同心圓尺寸元素信息元素信息，坐解釵Q坐標系類型必需的方程必需的L參照l信息取消?|珂6圖5-7 “曲線：從方程”對話框(5) 創(chuàng)建齒輪齒廓線1在右工具箱中單擊按鈕打開“菜單管理器”菜單，在該菜單中依次選擇“曲線選項一“從方程“完成”選項，打開“曲線：從方程”對話框，如 圖5-7所示。2在模型樹窗口中選擇坐標系，然后再從“設(shè)置坐標類型”菜單中選擇“笛卡爾”選項，如圖5-8所示，打開記事本窗口。3在記事本文件中添加漸開線方程式，如圖5-9所示。然后在記事本窗中選取“文件”“保存”選項保存設(shè)置圖5-9添加漸開線方程笛卡爾球圖5-8 “菜單管理器”對話框4選擇圖5-11中的曲線1、曲線2作為放置參照，創(chuàng)建過兩曲線交點的基準點 PNTQ參照設(shè)置如圖5-10所示圖5-10 “基準點”對話框圖5-11基準點參照曲線的選擇5如圖5-12所示，單擊“確定”按鈕，選取基準平面 TOP和RIGHT作為放置參照, 創(chuàng)建過兩平面交線的基準軸 A_1,如圖6-13所示。HIGHT "1產(chǎn)準平面穿過TOP:F2黒推平面）穿過偏移卷膽圖5-12 “基準軸”對話框圖5-13基準軸A 1