传动零件和轴的设计

第3章　传动零件和轴的设计

在绘制减速器装配图前，首先要对传动零件进行设计计算。因为传动零件尺寸是决定装配图结构和相关零件尺寸的主要依据。其次，还需要通过初算确定各阶梯轴的一段轴径和选择联轴器的型号。设计任务书中所给的工作条件和传动装置的运动参数计算所得数据，则是传动零件和轴设计计算的原始依据。

3.1　V带传动和齿轮传动的设计

传动零件的设计包括减速器箱外传动零件的设计和减速器箱内传动零件的设计计算。减速器箱外传动零件主要有带传动、链传动、开式齿轮传动和联轴器。设计时，对于减速器箱外传动零件，需确定主要参数和几何尺寸，一般课程设计可不进行详细结构设计。绘制减速器装配图时不包括减速器箱外传动零件。一般情况下，首先是减速器箱外传动零件的设计计算，以便使减速器箱内传动零件设计的原始条件更为正确。在设计计算减速器箱内传动零件后，还可能修改减速器箱外传动零件的尺寸，使传动装置的设计更为合理。关于传动零件的设计，在《机械设计》等教材中都已叙述，可按这些教材中所述的方法进行，或者根据以下所述的方法在计算机上进行。

3.1.1　V带传动的设计

1.V带传动设计的主要内容

设计V带传动时需要确定的主要内容是：带的型号、根数和长度，传动中心距、带轮的直径和宽度，作用在轴上力的大小，并在必要时验算实际传动比。在设计时还应注意相关尺寸的协调，例如装在电动机轴上的小带轮孔径与电动机轴径是否一致、小带轮的外圆半径是否小于电动机的中心高度(图3.1)、大带轮的直径是否过大而与机架相碰等(图2.11)。

图3.1

2.V带轮的结构形式

带轮的结构形式主要取决于带轮直径的大小，其具体结构尺寸可按[1]→【带传动、链传动】→【V带传动】→【带轮】→【V带轮的结构形式和辐板厚度】得到，或通过查《机械设计》教材、《机械设计手册》得到。设计时要注意到大带轮轮毂的轴孔直径d和长度l(图3.2)与减速器输入轴伸出处的尺寸关系。带轮轮毂的长度l与带轮轮缘的宽度B不一定相同。一般轮毂长度l按轴孔直径d的大小确定，常取l=(1.5～2)d，而轮缘的宽度B则取决于带的型号与根数。

图3.2

3.V带传动的计算机计算

在带传动设计之前，小带轮传递的功率P、转速n和一些工作条件都已经明确。为此可以在计算机上打开[1]，便得到如图3.3所示的界面。然后点击左边一栏的【常用设计计算程序】按钮，得到图3.4所示的界面。再点击【带传动设计】即得如图3.5所示的“带传动设计”程序界面。在该设计程序下，就可以对V带传动进行具体的设计。为了比较容易学会该软件的使用，下面结合具体的例子叙述在计算机上设计V带传动的全过程。

例3.1　设计图2.9带式输送机中的V带传动。已知电动机的功率P=5.5kW，转速n=960r/min，传动比i=2.679。传动平稳，要求带中心距a≥900mm。

解：(1)由[1]→【常用设计计算程序】→【带传动设计】得到图3.5的界面后，点击【开始新的计算】，得图3.6所示界面，并在“设计者”及“单位”中分别填写设计者及设计单位的名称。

图3.3

图3.4

图3.5

图3.6

(2)点击图3.6界面中的【确定】按钮，得图3.7所示界面。选中“选择带传动类型”中的“V型带设计”，并选择“普通V带”。

(3)点击图3.7界面中的【确定】按钮，得图3.8所示界面。然后在相应的地方输入功率、小带轮转速和传动比。在本例题中分别输入5.5、960和2.679。

图3.7

图3.8

(4)再点击图3.8界面中的【确定】后，得到另一个界面。在该界面右面设计功率部分，点击【查询】按钮，得到图3.9所示界面。通过查询后得到KA值，再输入KA值(这里输入1.1)。再点击查询下面的【计算】按钮，得到计算功率Pd的值，如图3.10所示。

图3.9

(5)在图3.10的界面中，点击“选定带型”中的【查询】按钮，得到图3.11所示界面。在该界面中，根据计算功率Pd、小带轮转速n1选定V带型号(A型)、小带轮基准直径dd1后点击【返回】按钮返回到图3.10所示界面。然后在这个界面中选取带的型号，填入小带轮直径。再点击【计算】按钮算出大带轮直径dd2，然后根据计算的大带轮直径dd2，在“选取标准值”处输入圆整后的大带轮直径或通过点击【查询】按钮输入大带轮基准直径，得到图3.12所示界面。再点击【确定】按钮得图3.13所示的界面。

图3.10

图3.11

图3.12

(6)在图3.13界面中的“初定轴间距”里，选取“根据结构要求确定”，根据题目要求输入a0值(920)。再在所需基准长度部分中点击【计算】按钮，得到初算出的带的长度。再点击【查询】按钮，根据初算出的带的长度选取基准长度。接着在“实际轴间距”部分点击【计算】按钮，得到实际轴间距a的值。a≈926mm，满足题中带中心距a≥900mm的要求，如图3.14所示。

图3.13

图3.14

(7)点击图3.14界面中的【确定】按钮后得到图3.15所示界面。然后点击该界面下边的“数据查询”选项，得到如图3.16所示界面。在该图中查询单根V带传递的额定功率(1.15)，然后点击该界面中的“设计空间”选项，则返回至图3.15所示界面。在P1处填入查到的该值，如图3.18所示。同理得到图3.17传动比i≠1的额定功率增量(0.11)。点击图3.18中的【确定】按钮后得到图3.19所示的界面。

图3.15

图3.16

图3.17

图3.18

(8)点击图3.19界面中的【计算】按钮，得到带速度v、小带轮包角α的值。如果V带的速度在5～25m/s之间，小带轮包角α≥120°，则点击该界面下边的【数据查询】得图3.20、图3.21所示的界面。根据包角α、带基准长度Ld的值查取小带轮包角修正系数Kα(0.98)和带长修正系数KL(1.09)。然后点击图中下边的“设计空间”选项返回至图3.19所示的界面，再将这些系数填入该界面的相应处。然后点击【计算】按钮得到带实际根数z(5)的值，如图3.22所示。最后点击【确定】按钮得到图3.23所示的界面。

图3.19

图3.20

图3.21

图3.22

图3.23

(9)通过点击图3.23界面中的【查询】按钮得图3.24所示的界面，则根据上面设计中得到的V带型号查得其每米长度的质量值(0.10)，然后点击“设计空间”选项返回至图3.23的界面，再将该值填入相应处，点击【计算】按钮，得到作用在轴上的力Fr(1096.12)等的值，如图3.25所示。然后单击该图中的【确定】按钮得到图3.26所示的界面。

图3.24

图3.25

图3.26

(10)点击图3.26界面下边的“设计记录”选项便得到图3.27界面中的输出数据。这些数据可以复制到Word文档的设计计算说明书中，从而在计算机上能方便地对它们进行编辑等操作。

图3.27

带轮结构及其尺寸的确定也是带传动设计中的一个重要内容，但由于机械设计课程设计一般不对减速器箱外传动零件进行详细结构设计，因此课程设计中如果需要用到带轮结构及其尺寸确定的地方，可以参考《机械设计》教材。

3.1.2　齿轮传动的设计

1.齿轮传动的计算机计算

用《机械设计手册(新编软件版)2008》设计齿轮(或蜗杆)传动时与以上V带传动计算类似，现以直齿轮圆柱齿轮为例叙述其设计的方法。

(1)在计算机上打开《机械设计手册(新编软件版)2008》，并点击【常用设计计算程序】→【渐开线圆柱齿轮传动设计】，得到如图3.28所示的界面。

图3.28

(2)点击图3.28界面中的“设计信息”得到图3.29所示的界面。在该界面中填入设计者、设计单位信息。点击【确认】按钮后得图3.30所示的界面。在该界面中点击“设计参数”得图3.31所示的界面。

图3.29

图3.30

(3)在图3.31的界面内输入传递功率、转速、传动比及相关条件后，单击【确认】按钮得到图3.32所示的界面。

图3.31

(4)点击图3.32左面的“布置与结构”，得到图3.33所示的界面。根据要求，选择齿轮的布置和结构形式，点击【确认】按钮后得到图3.34所示的界面。

图3.32

图3.33

图3.34

(5)点击图3.34界面左面的“材料及热处理”，得到图3.35所示的界面。在该界面的“工作齿面硬度”中选取“软齿面”、在“热处理质量要求”中选取“ML”。然后点击该界面中的【确认】按钮便得到图3.36所示的界面。

图3.35

图3.36

(6)点击图3.36界面中的“精度等级”得图3.37所示的界面。在这个界面中选择齿轮的精度等级、齿轮齿厚极限偏差代号(见表6.6)，再点击【确认】按钮后得图3.38所示的界面。

图3.37

(7)点击图3.38界面中的“基本参数”，得到图3.39所示的界面。

图3.38

(8)点击图3.39界面中的【Yes】按钮，得到图3.40所示的界面。修改小齿轮的齿数、小齿轮的齿宽，使齿宽系数在0.8～1.4之间，得到图3.41所示的界面。

图3.39

图3.40

(9)点击图3.41界面中的【初算模数】按钮，得到图3.42所示的界面。在该界面中调整载荷系数K，然后点击【确认】按钮得图3.43所示的界面。

图3.41

图3.42

(10)在图3.43的界面中取模数为第一系列的标准值，再调整小齿轮齿宽，并确保其齿宽系数在0.8～1.4之间。调整后得到如图3.44所示的界面。

图3.43

图3.44

(11)点击图3.44界面中的【确认】按钮，得到图3.45所示的界面。

图3.45

(12)点击图3.45界面中左面的“疲劳强度校核”，得到图3.46所示的界面。点击其右面的【重算系数】按钮，得到图3.47所示的界面。在该界面中调整强度校核中的安全系数。

图3.46

图3.47

(13)从图3.47看出，所设计齿轮的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度均足够，所以可点击图3.47界面中右侧的【确认】按钮。否则点击【调整系数】按钮或重新进行设计。点击【确认】按钮后得到图3.48所示的界面。图3.48界面右侧框中的数据即为齿轮传动设计所需的内容。复制这些内容到Word文档的设计计算说明书中，从而方便地对它进行编辑等操作。或者点击该界面中左侧的“完成设计”，便得到图3.49所示将设计结果用文本文件形式进行存储的界面。储存这个渐开线圆柱齿轮传动设计的文件，以备后用。

图3.48

图3.49

2.齿轮结构

当齿轮(蜗杆、蜗轮)的模数、齿数、分度圆直径、齿顶圆直径等值计算出来后，可结合安装齿轮处轴的直径进行齿轮的结构设计。如果是齿轮，其结构与其尺寸的计算可参考表3.1进行。对于蜗杆、蜗轮的结构及其尺寸的计算，可参考表3.2。

表3.1　齿轮结构图

续表3.1

表3.2　蜗杆蜗轮结构图

3.2　链传动的设计与联轴器的选择

链传动的设计主要是确定链条的节距、排数、链节数、传动中心距、链轮的材料和结构尺寸。其参数的选择和设计方法可按《机械设计》教材中所叙述的方法进行，也可参照V带传动、齿轮传动在计算机上设计一样，用《机械设计手册(新编软件版)2008》软件或者其他相关软件在计算机上完成。其结构尺寸可根据“[1]→【带传动和链传动】→【链传动】→【滚子链传动】→【链结构尺寸】”求得。

减速器常通过联轴器与电动机及工作机轴连接。联轴器的类型很多，其中许多已标准化，可从市场上直接购买。为此设计联轴器只要合理地选择其类型和型号即可，其选择的方法根据《机械设计》课程中所学的方法进行。其型号可在“[1]→【联轴器、离合器、制动器】→【联轴器】→【联轴器标准件、通用件】”或《机械设计手册》等相关手册中选取。但要注意的是，所选定的联轴器，其轴孔直径应与被连接两轴的直径相适应。还应注意减速器高速轴外伸端轴径与电动机的轴径不能相差太大，否则难以选到合适的联轴器。电动机选定后，其轴径一定，应注意调整减速器高速轴外伸端的直径与之相适应。

3.3　轴的设计计算

当减速器箱外传动零件和减速器箱内传动零件设计计算完成后，就可以对支承减速器箱内传动零件的轴进行设计。由于轴的设计不仅与传动零件有关，还与箱座、箱盖等的尺寸有关。而箱座、箱盖等尺寸的确定一方面与箱体的结构形式有关，另一方面还与齿轮、轴承等的润滑等有关，所以轴设计要比V带传动、齿轮传动等的设计复杂。轴的设计可按《机械设计》等教材上叙述的方法进行。一般说来轴设计的步骤是：①选择轴的材料和热处理；②初步估算轴的最小直径；③轴的结构设计；④轴的强度校核；⑤绘制轴的零件图。

适合做轴的材料很多，但在一般减速器中，轴的材料通常选用45号钢，并对它进行调质或正火处理。45号钢正火处理后其硬度为170～217HBS，调质处理后其硬度为217～255HBS。对于减速器中重要一些的轴，轴的材料可选用40Cr等合金钢，并进行调质处理。40Cr调质处理后其硬度为≤207HBS(当毛坯直径≤25mm时)，或241～286HBS(当毛坯直径≤100mm时)。

初步估算轴的最小直径可用以下公式：

(3.1)

式中：P——轴传递的功率(kW)；

n——轴的转速(r/min)；

C——与轴所用材料有关的常数。

当轴的材料用45号钢时，C=118～106；当轴的材料用40Cr钢时，C=106～98。按公式(3.1)计算出的直径，如果开有键槽时应考虑键槽对轴强度的削弱作用。当开一个键槽时，可将算得的直径增大3%～5%，如有两个键槽可增大7%～10%，然后进行圆整。

由于要使减速器各部分能协调地工作，轴的结构设计不仅仅要考虑轴的本身，而且与轴直接或间接相关的零件也要考虑进去。为此要计算出减速器箱座、箱盖等相关零件的尺寸，这些尺寸的计算可参考第4章4.2减速器箱体结构及设计。当这些尺寸算出来后，轴结构图可按照第5章5.2绘制减速器轴结构图中叙述的方法，用AutoCAD、尧创CAD等机械绘图软件在计算机上进行绘制。

轴的结构设计完成后，可进行轴的强度校核。在轴的强度校核中，轴上各受力点间相互尺寸的确定，可以按《机械设计》课程轴一章中所讨论的那样，用计算的方法来确定，但这有一定的麻烦。由于设计时轴结构图是在计算机上用相关的绘图软件完成的，所以可以使用绘图软件中的捕捉及尺寸标注等功能，很方便地将这些尺寸确定出来。这些尺寸数值与用计算方法得到的数值是一样的。单级圆柱齿轮减速器在计算机上绘制完成并将受力点间尺寸确定出来的轴结构设计图如图3.50所示。

图3.50

轴的结构设计完成并将受力点间尺寸确定出来后，轴的强度校核可按《机械设计》教材上叙述的轴强度校核方法进行。强度校核时所需的受力图、弯矩图、合成弯矩图、当量弯矩图也可用尧创CAD等机械绘图软件在计算机上绘制。绘制好后，可按第7章7.2设计说明书的模板及相关处理这一节叙述的方法，将这些图形插入设计计算说明书中，如图3.51所示。

图3.51

在对轴强度校核时，不同的《机械设计》教材，提供的校核方法不尽相同。其校核公式分别有：

(3.2)

(3.3)

上两式中：σb——当量弯曲应力(MPa)；

Me——当量弯矩(N·mm)；

W——轴的抗弯截面模量(mm3)；

d——轴的直径(mm)；

[σ-1]b——许用弯曲应力(MPa)。

[σ-1]b根据轴的材料及热处理等条件在设计轴所用的参考教材《机械设计》中查取。如果轴的材料是45号钢且调质处理时，可取[σ-1]b=60MPa；如果轴的材料是45号钢正火处理时，取[σ-1]b=55MPa；如果轴的材料是40Cr钢调质处理时，取[σ-1]b=70MPa。

在按《机械设计》教材中所叙述的方法计算当量弯矩Me时，要用到公式。其中α称为折算系数，它是考虑到弯曲与扭转应力循环特性r不同时，将扭转力矩T转化为当量弯矩时的一个系数。在一般情况下，取α=0.6。

式(3.2)为一个标准的轴强度校核公式，但当轴上开有键槽用这个公式进行强度校核时，抗弯截面模量W的确定相对困难，所以现在对轴强度时校核往往采用的是式(3.3)。当开有一键槽时将式(3.3)计算出的d值加大3%～5%，两个键槽时增大7%～10%，然后与所校核处原先确定的轴直径相比较，当算出的这个直径小于或等于原先确定的(轴结构设计图中的)轴直径时，强度足够，否则强度不够。强度不够时则应重新设计。用式(3.3)进行强度校核还有一个优点是当计算出的直径远小于原先确定的轴直径时，可以将该轴段的直径减小，同时还可将其他轴段的直径依次减小，从而节约轴的材料。