高速級齒輪傳送設計及CAD軟件的運用

宣亞文，姚 林

（周口師范學院機械與電氣工程學院，河南周口466001）

高速級齒輪傳送設計及CAD軟件的運用

宣亞文，姚 林

（周口師范學院機械與電氣工程學院，河南周口466001）

闡明了高速級齒輪傳送裝置設計過程，首先確定傳動方案，選擇齒輪減速器作為傳動裝置，然后進行齒輪的設計計算，計算完成后對相關設計參數進行強度校核.根據設計參數，運用CAD軟件進行齒輪的二維平面設計生成平面圖紙，運用UG軟件完成三維立體圖的繪制.

齒輪傳送；減速器；CAD軟件；軸傳動

齒輪傳送是機械中最常見的傳動形式之一，應用于減速機上，可改變轉速和轉向，并可依據兩齒輪軸線在空間的相對位異樣，也可利用齒輪齒條進行傳動，并可進行傳動和挪動之間的運動變換.隨著近代工業不斷的發展，減速機齒輪傳動種類不斷增加，性能不斷提高，運行工況越來越苛刻，在減速機齒輪傳動的設計上存在諸多問題，尤其在高速、重載方向上的震動及噪音等問題突出，同時也是當前研究的熱門課題之一［1－2］.當代，CAD技術隨著計算機技術的發展在不斷進步，現在的三維設計方法使得設計過程可視化，設計結果直觀明了.設計過程中可以對零件實施受力分析，能及時反映設計的缺陷、偏差等并能及時修改.隨著工業產業鏈的不斷發展，CAD軟件運用于機械設計有著顯著優勢［3－5］.

1 傳動裝置的總體設計

1.1 傳動簡圖

設計要求：已知輸入功率P1＝10kW，小齒輪轉速n1＝960r／min，齒輪比u＝3.2，由電動機驅動，工作壽命15年（每年工作300天），兩班制，帶式輸送機工作平穩，轉向不變.

傳動簡圖：根據輸入功率、小齒輪轉速、齒輪比、工作壽命多個方面因素，選擇并確定傳動簡圖，如圖1所示.

圖1 傳動裝置簡圖

1.2 擬定傳動方案

如圖1所示，電動機由聯軸器將動力傳入減速器，然后經過聯軸器將動力傳給輸送機.采用兩級展開式圓柱齒輪減速器，齒輪相對軸承位置不對稱，結構簡單，方便保養維護.

2 傳動零件的設計及計算

2.1 齒輪相關參數的選取及計算

選用直齒圓柱齒輪傳動，7級精度，小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45號鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS，選小齒輪齒數Z1＝24，則大齒輪齒數Z2＝uZ1＝3.2×24＝76.8，取Z2＝77.

2.2 按齒面強度設計

2.2.1 根據設計計算公式，試算小齒輪分度圓直徑

公式內的各參考值：

（1）試選載荷系數KHt＝1.3；

（2）計算小齒輪傳遞的轉矩T1＝95.5×105P1／n1＝95.5×105×10／960N·mm；

（3）選兩支承相對小齒輪不對稱布置，取齒寬系數φd＝1；

（4）材料的彈性影響系數ZE＝189.8；

（6）計算接觸疲勞強度用重合度系數Zε

αa1＝arccos［z1cos／（z1＋2h＊a）］＝29.841°，

αa2＝arccos［z2cos／（z2＋2h＊a）］＝23.666°，

εα＝［z1（tanαa1－tanα）＋z2（tanαa2－tanα）］／2π＝1.711，

（7）計算接觸疲勞許應力

按齒面硬度查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞強度極限：

σHlim1＝600MPa，σHlim2＝550MPa；

計算應力循環次數

N1＝60n1jLh＝60×960×1×（2×8×300 ×15）＝4.147×109，

N2＝4.147×109／3.2＝1.296×109，

查得接觸疲勞壽命系數

KFN1＝0.90，KFN2＝0.95；

取失效概率為1%，安全系數S＝1，則有

以較小者作為齒輪副的接觸疲勞許用應力.

（8）試算小齒輪分度圓直徑dt1，代入［σH］2

2.2.2 調整計算

（1）計算實際載荷系數K＝KAKVKHαKHβ；

（2）查得使用系數：KA＝1；

（3）動載系數：7級精度，及圓周速度為

查得動載系數Kv＝1.12；

（4）齒間載荷分配系數

由齒寬b＝φdd1t＝1×59.763＝59.763mm得齒輪的圓周力

Ft1＝2T1／d1t＝3.329×103N，

KAFt1／b＝55.7N／mm＜100N／mm，

查得齒間載荷分配系數KHα＝1.2；

（5）接觸疲勞強度用齒向載荷分布系數

7級精度，小齒輪相對支承非對稱布置，b＝59.763mm時，由插值法得

KHβ＝1.421，

故載荷系數K＝KAKVKHαKHβ＝1×1.12× 1.2×1.421＝1.91，

最后，按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑

2.3 按齒根彎曲疲勞強度設計

2.3.1 由設計公式試算模數

通過采取以上的教學措施和教學內容的選取，所擔任的班級在最后的一次考試實驗過程中，絕大多數都能規范、順利完成實驗內容，并能對實驗現象做出合理的分析，為有機化學實驗課畫上了圓滿句號的同時，為以后的學習和科研奠定了一定的基礎。

公式內的各參考數值

（1）試選KFt＝1.3；

（2）彎曲疲勞強度用重合度系數Yε＝0.25＋

（3）齒形系數：查得YFa1＝2.65，YFa2＝2.226；

（4）應力校正系數：查得YSa1＝1.58，YSa2＝1.764；

（5）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限：σFE1＝500MPa；

大齒輪的彎曲強度極限：σFE2＝380MPa；

（6）查得彎曲疲勞壽命系數：YN1＝0.85，YN2＝0.88；

取彎曲疲勞安全系數S＝1.4，則有

大齒輪的數值大，計算時以大齒輪值代入；

（8）試算模數

2.3.2 調整計算（1）計算載荷系數：K＝KAKVKFαKFβA.動載荷系數

根據7級精度，小齒輪分度圓直徑：d1t＝Z1mt＝24×1.719＝41.259mm，

查得動載系數KV＝1.08；

B.齒間載荷分配系數

由齒寬b＝φd·d1t＝41.259mm得齒輪的圓周力

插值法查表可得齒間載荷分配系數KFa＝1.0；

C.齒向載荷分布系數

齒高h＝2.25mt＝3.868mm，b／h＝41.259／3.868＝10.67，

由插值法查得KHβ＝1.417，結合b／h查得KFβ＝1.34，

故載荷系數K＝KAKVKFαKFβ＝1×1.08× 1.0×1.34＝1.45；

（2）按實際的載荷系數校正齒輪模數

3 綜合協調參數

根據計算結果對比可知，由齒輪接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數.由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承受能力，而齒輪直徑的大小主要取決于齒面接觸疲勞強度所決定的承受能力，可取由彎曲疲勞強度算得的模數1.783mm并就近圓整為標準值m＝2mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d1＝ 67.939mm，算得小齒輪齒數33.97.

取Z1＝34，則大齒輪齒數Z2＝uZ1＝3.2×34＝108.8，取Z2＝109.

這樣設計出來的齒輪傳動，一方面滿足了齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費.

3.1 幾何計算

（1）計算分度圓直徑

d1＝Z1m＝34×2＝68mm，

d2＝Z2m＝109×2＝218mm；

（2）計算中心距a＝（d1＋d2）／2＝143mm；

（3）計算齒輪寬度b＝φdd1＝1×68＝68mm，取b1＝68mm，b2＝73mm；

根據驗算結果對比，該設計合理.

3.2 平面圖與三維圖的繪制

根據相關設計計算參數，利用CAD軟件繪制零件圖，如圖2所示.

根據以上齒輪設計參數，利用CAD軟件繪制設計出三維圖，如圖3所示.

4 結論

筆者以高速級齒輪傳送裝置設計為例，系統介紹了機械設計的一般步驟和方法，選擇齒輪減速器作為傳動裝置，進行齒輪的設計計算.計算步驟總結如下：首先，對齒輪的材料、硬度、齒數等參數進行初選，然后，根據相關計算公式對齒輪分度圓直徑進行試計算，其中，包括載荷系數、轉矩、齒寬系數、彈性影響系數、區域系數、重合度系數、疲勞接觸應力、循環次數、接觸疲勞壽命系數等參數的計算.通過以上計算，得出小齒輪分度圓直徑，再根據計算的參數值，查表進行調整計算，最后得到實際載荷校正后所得的分度圓直徑，并根據齒根彎曲疲勞強度對所設計齒輪進行驗算，綜合協調參數計算得出分度圓直徑，齒輪中心距，齒輪寬度.對比驗算結果，設計合理.根據設計參數，運用CAD軟件進行齒輪的二維平面設計，生成平面圖紙，并運用UG軟件完成三維立體圖的繪制.

圖2 齒輪零件圖

圖3 小齒輪三維圖

［1］安美玲.機械基礎［M］.西安：西安電子科技大學，2007：76－80.

［2］鞏鄭.計算機三維輔助軟件在機械中的運用［J］.機電信息，2010，30（16）：9－10.

［3］段曉霞.規范化的發動機主要零部件CAD系統開發研究及應用［D］.山西：中北大學，2011：18－21.

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Design of high speed gear transmission and application of CAD software

XUAN Yawen，YAO Lin
（School of Mechanical ＆Electrical Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466001，China）

In this text，the design of high speed gear transmission process was described，at first determine the transmission scheme，selection of gear reducer as the driving device，and then calculate the gear design calculation，after the completion of the relevant design parameters for strength testing.According to the design parameters，the two-dimensional plane design of gear and the three dimensional drawing were completed by using the CAD software.

gear transmission；gear reducer；CAD software；shaft drive

TH 132.41；TP391.9

A

1671-9476（2017）02-0074-04

10.13450／j.cnkij.zknu.2017.02.017

2016-09-27；

2016-11-09

河南省科技廳資助項目（No.132102310296）；周口師范學院大學生創新項目（No.zknuD201698）

宣亞文（1971－），女，安徽合肥人，高級實驗師，研究方向：主要從事機械設計、功能材料、光譜分析等方面研究.