本科设计论文QKA数控管螺纹车床主轴箱中齿轮的设计.doc

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本 科 毕 业 论 文QKA1212数控管螺纹车床主轴箱中齿轮的设计(一) QKA1212 CNC lathe spindle box of thread in the design of gear()系（院）名称： 机 械 工 程 系 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2008年5月QKA1212数控管螺纹车床主轴箱中齿轮的设计专业班级： 班 学生姓名：指导教师： 职 称：工程师摘要 近年来，随着国内各种类型机床改造需求的扩大，机床改造已经逐渐形成了一个产业，其中绝大部分是数控机床的改造，我们毕业设计组选择了QKA1212数控管螺纹车床主轴箱设计作为我们毕业设计的课题。设计的目的：提高机床的自动化程度，提高机床生产率及加工成品的一致性，降低操作者劳动强度，降低机床对操作者熟练程度的要求。以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子工业水平。它的推广应用对提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。本篇关于QKA1212数控管螺纹车床主箱设计，重点论述齿轮传动材料、热处理方式、 精度等级的选择，如何根据强度条件初步计算出齿轮的分度圆直径或模数，计算出齿轮的主要几何尺寸并设计齿轮结构，并绘制出零件工作图。 关键词 数控机床 数控管螺纹车床 齿轮传动 QKA1212 numerical control pipe thread lathe headstock intermediate gear's design Abstract In recent years, transformed the demand along with the domestic various types molding machine bed the expansion, the engine bed transforms gradually had already formed an industry, the major part was numerically-controlled machine tool's transformation, we graduated the design team to choose the QKA1212 numerical control pipe thread lathe headstock intermediate gear's design to take our graduation project the topic.Design goal: Enhances engine bed's automaticity, raises the engine bed productivity and the processing end product uniformity, reduces the operator labor intensity, reduces the engine bed to the operator level of expertise request. Has reflected a national machinery and the electronics industry level take the numerically-controlled machine tool as representative's numerical control equipment's production and the application level. Its promoted application to raises the labor productivity and the product quality, changes our country technique of manufacture backward condition to play the great importance the role. This does about the QKA1212 numerical control pipe thread lathe main tank design, the key elaboration gear drive material, the heat treatment way, precision class's choice, how according to the intensity condition preliminary calculation gear's pitch line diameter or the modulus, calculate gear's main geometry size and designs the gear structure, and draws up the components shop drawing.Key words CNC machine tools Numerical control pipe thread lathe Gear drive目 录第一章绪论51.1概述51.2数控机床的特点61.3 齿轮的发展现状与趋势71.4 本设计研究的内容、目的和意义9第二章齿轮传动102.1齿轮传动的特点102.2齿轮传动的失效形式112.3齿轮传动的设计122.4齿轮结构设计132.5齿轮传动设计步骤14第三章 齿轮设计183.1 齿轮设计（1）18 3.2 齿轮设计（2）223.3 齿轮设计（3）23结论 23附图 24致谢 26参考文献27引 言随着科学技术和社会生产的不断发展，机械制造技术有了深刻的变化。由于社会对产品多样化的需求更加强烈，多品种、中小批量生产的比重明显增加，采用传统的普通加工设备已难于适应高效率、高质量、多样化的加工要求。这就要求加工设备具有很高的效率和加工精度。而传统的普通机床已远远不能满足现代生产的需要。随着现代计算机技术和自动控制的飞速发展，信息处理功能不断提高，而价格不断降低。这使得计算机在机械制造行业得以广泛的应用。以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术有机地结合在一起，构成高度信息化、高柔性、高度自动化的制造系统。微机控制的数控机床以其高精度、高柔性及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争的需要。计算机数控系统，简称CNC，可根据不同的指令进行不同方式的信息处理。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而使机床具有真正的柔性，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使机床控制系统的性能和可靠性大大提高。以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子水平。它的推广应用对于提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。根据机械设计制造与自动化专业的教学大纲要求：本专业学生熟悉掌握机电一体化产品的设计、制造、使用与维修，培养学生能够灵活运用所学专业课程知识，具有研究开发的综合素质与能力；这次毕业设计以QKA1212数控管螺纹车床设计作为课题，是我们综合运用所学的基本知识、基础理论和基本技能，提高分析解决实际问题的能力,提高实际工作能力的检验。是对四年学习的一个总结与回顾。第一章 绪论1.1概述111、数控机床 数控机床(numerical control machine)是一种综合了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它集高效率、高精度和高柔性于一身，代表了机床的主要发展方向。机床的所有运动都是用输入数控装置的数字信号宋控制的，它是机械加工自动化的核心设备。112 、加工原理数控机床加工工件的工作过程。首先，对被加工的零件及其毛坯进行分析，根据工件图样要求，制定工件加工的工艺过程，具体包括确定有关基准、选择加工方案、选择刀具和切削用量、制定补偿方案及确定工艺指令等。然后，用规定的代码和程序格式将它们编制成加工程序，并记录在信息载体(如纸带或磁盘)上，或者外部计算机的硬盘上。在加工工件时，由数控系统的输入装置或直接从外部计算机将加工程序输入或调入数控装置，数控系统对这些信息进行处理和运算后，向伺服系统输出相应的指令信号，伺服系统便按照数控系统发来的指令驱动运动部件按照预定的轨迹运动，从而自动加工出所要求的合格工件。数控机床加工零件与普通机床加工零件有所不同。普通机床加工零件是操作者依据工艺规程或者工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动参数(位置、速度等)，使刀具对工件进行加工，加工的工作过程如下所示： 数控机床的加工，是把刀具与工件的运动轨迹按坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，用这些最小位移量控制刀具运动轨迹，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。 刀具沿各个坐标轴的相对运动，是以脉冲当量J为单位的(mm脉冲)。 当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间点的坐标值向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。 数控装置进行的这种“数据点的密化”称做插补，一般数控装置都具有对基本函数(如直线函数和圆函数)进行插补的功能。 对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需的零件。 普通机床中的操作者和操纵机构，在数控机床中则被数控系统和自动控制系统所代替。数控机床的自动控制主要包括三个方面： (1)刀具和工件间相对运动的程序控制。 (2)变换主轴转速、改变进给机构的进给速度、更换刀具以及开闭冷却液和润滑液等辅助功能的控制。 (3)对有关运动部件的位移量和相对位移关系的坐标控制。113、数控机床的组成 数控机床的组成(constitute)般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机五部分组成。1.2数控机床的特点(1) 加工对象改型的适应性强利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和量具，更不需要重新调整机床。因此，数控机床可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。    (2)加工精度高数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量(即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量)一般达到了0.001mm也就是1m。而进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。这是由数控机床结构设计采用了必要的措施以及具有机电结合的特点决定的。首先是在结构上引入了滚珠丝杠螺母机构、各种消除间隙结构等，使机械传动的误差尽可能小；其次是采用了软件精度补偿技术，使机械误差进一步减小；第三是用程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。这些措施不仅保证了较高的加工精度，同时还保持了较高的质量稳定性。    在采用点位控制系统的钻孔加工中，由于不需要使用钻模板与钻套，钻模板的坐标误差造成的影响也不复存在。又由于加工中排除切屑的条件得以改善，可以进行有效地冷却，被加工孔的精度及表面质量都有所提高。对于复杂零件的轮廓加工，在编制程序时已考虑到对进给速度的控制，可以做到在曲率变化时，刀具沿轮廓的切向进给速度基本不变，被加工表面就可获得较高的精度和表面质量。     (3)生产效率高零件加工所需要的时间包括在线加工时间与辅助时间两部分。数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高得多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了在线加工时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。 数控机床在更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，而零件又都安装在简单的定位夹紧装置中，可以节省用于停机进行零件安装调整的时间。      数控机床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以减少停机检验的时间。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显。      (4)自动化程度高数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成、不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。     (5)良好的经济效益 使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。      (6)有利于生产管理的现代化 用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求较高，对操作人员的技术水平要求较高等。1.3齿轮的发展现状与趋势中国齿轮行业基本由三部分组成：工业齿轮、车辆齿轮和齿轮装备。其中，车辆齿轮其市场份额达到60%；工业齿轮由工业通用、专用、特种齿轮构成，其市场份额分别为18%、12%、8%；齿轮装备占市场份额的2%。经过近20年的发展，中国齿轮行业已经形成100亿元产值的配套规模，进入快速发展时期，再次成为国民经济的热点和亮点。预计今后10年，中国齿轮传动产品市场需求将翻一番。2007年1-5月，中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值17898696千元，比上年同期增长31.79；实现累计产品销售收入17389397千元，比上年同期增长33.26；实现累计利润总额1002019千元，比上年同期增长37.62。就市场需求与生产规模而言，中国齿轮行业在全球排名已超过意大利，居世界第四位。国际上，齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点为达到齿轮装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载推力。各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。（1）.齿轮制造工艺 齿轮制造工艺的发展很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高自七十年代以来各种齿轮的制造精度，普遍提高一级左右有的甚至23级一般低速齿轮精度由过去的89级提高到78级。机床齿轮由68级提高到46级轧机齿轮由78级提高到56级。对于模数不大的中小规格齿轮，由于高性能滚齿机的开发，加上刀具材料的改善，滚齿效率有了显著提高。采用多头滚刀，在大进给且条件下，可达到的切削速度为90m/s。如用超硬滚刀加工模数3左右的调质钢齿轮，切削过度可达200ms提高插齿效率，要受到插齿机刀具往复运动机构的限制。最近在开发采用刀具卸载，使用静压轴承，增强刀架与立柱刚性等新结构后，效率有明显提高。新型插齿机的冲程数可达到2000次分。 （2）.齿轮用钢 齿轮用钢的发展趋势；一是含Cr，Ni，Mo的低合金钢；二是硼钢；三是碳氮共渗用钢；四是易切削钢。由于我国缺乏Ni、Cr，常用20CrMnTi渗碳钢或用含硼加稀土钢。重型机械常用18CrMnNiMo渗碳钢或中碳合金钢。机床行业食用40Cr，38CrMoAl等钢以及高速齿轮用25Cr2MoV钢进行氮化。 （3）.信息化趋势 人们利用计算机能对各种可能的设计方实进行计算、分析和比较，并通过优选，取得较为理想的结果例如在分析齿面接触区，求啮合线与相对速度夹角中，对弹流润滑计算以及几何参数计算等方面编制了程序。还有，在齿轮修形计算与齿轮承载能力计算方面都编有程序我国已编制了GB3480-83渐开线圆柱齿轮承载能力计算标准的程序软件,供生产应用在齿轮加工方面，可以利用计算机控制整个切齿过程使制造质量稳定可靠目前，国内在研究应用微机对弧齿锥齿轮的切齿调整卡进行计算，可对加工偏差及时调整使齿面接触达到比较理想的位置，并大大提高了工效。此外，根据数控原理，应用微机对环面蜗杆螺旋齿面进行抛物线修形，已经应用于生产。虽然这方面的工作在国内还处于起步阶段，但它对提高齿轮制造质量和技术水平具有重要意义。1.4本设计研究的内容、目的和意义1.4.1研究的内容：QKA1212数控管螺纹车床主要为油田管螺纹的车削而开发，且适合于各类管螺纹的车削，还可作普通数控车床使用。该机床属于半闭环控制系统的简式数控管螺纹车床，可以加工以各种曲线为母线的连续的回转体，加工分辨为0.001mm。适合多品种、中小批量的轮番加工。QKA1212数控管螺纹车床主轴箱的设计，可以分为主轴组件设计、主传动设计、主轴箱中传动轴和齿轮设计等小题目，由6名同学共同完成。我们6位同学经过调查研究，分析讨论，反复论证，最终确定了QKA1212数控管螺纹车床主轴箱的总体方案。主轴箱传动系统示意图见附图一，主轴箱孔系坐标图见附图二。本课题主要是研究该机床变速箱中的齿轮，因此研究的主要内容包括：1.设计的原始资料和数据（1）.该机床类型、规格、转速、功率、起动特性、短时过载能力、转动惯量等。（2）.工作机械类型、规格、用途、转速、功率。2.确定减速器的额定功率 减速器的额定功率是指箱体内所有静态及转动零部件中最薄弱的零部件所决定的机械功率。它必须能满足在使用工况下的寿命和可靠性要求。3.选定性能水平，初定齿轮及主要机件的材料、热处理工艺、精加工方法、润滑方法及润滑油品。4.按总传动比，确定传动级数和各级传动比。5.初算齿轮传动中心距(或节圆直径)、模数及其他几何参数。6.整体方案设计，确定减速器的结构、轴的尺寸、跨距及轴承型号等。7.校核齿轮、轴、键等的强度，计算轴承寿命。8.绘制图纸、写出说明书。1.4.2 研究的目的和意义：变速箱是用来改变发动机的扭矩和转速的，使工作机器获得所需的牵引力和行驶速度，以适应各种条件下的起步，爬坡和速度的要求；而齿轮系统是变速箱中最为重要的装置，研究并设计好齿轮传动系统对于提高变速箱和整个机器的性能具有非常重要的意义。本设计正是基于提高变速箱和机床性能而制定的，对齿轮传动结构和性能给与探讨、设计、研究。第二章齿轮传动2.1齿轮传动的特点齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。齿轮传动的主要优点有：传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。主要缺点是：制造精度要求高，制造费用大，精度低时振动和噪声大，不宜用于轴间距离较大的传动。齿轮传动可做成开式、半开式和闭式齿轮传动。开式齿轮传动：齿轮完全外露，易落入灰砂和杂物，不能保证良好的润滑，轮齿易磨损，多用于低速、不重要的场合。半开式齿轮传动：装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分的浸入油池中，比开式传动润滑好些，但仍不能严密防止灰砂及杂物的侵入。闭式齿轮传动：齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度，应用广泛。机械系统对齿轮传动的功能要求主要有：(1) 能传递两个平行轴或相交轴或交错轴间的回转运动和转矩；(2) 保证传动比恒定不变；(3) 能传递足够大的动力，工作可靠；(4) 保证较高的运动精度；(5) 能达到预定的工作寿命。只要齿轮设计合理，制造质量高，达到规定的制造精度，就能达到预期的功能要求2.2齿轮传动的失效形式 齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。 (一)轮齿折断 轮齿折断通常有两种情况：一种是由于多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是由于突然产生严重过载或冲击载荷作用引起的过载折断。尤其是脆性材料(铸铁、淬火钢等)制成的齿轮更容易发生轮齿折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力的一侧。 增大齿根过渡圆角半径、改善材料的力学性能、降低表面粗糙度以减小应力集中，以及对齿根处进行强化处理(如喷丸、滚挤压)等，均可提高轮齿的抗折断能力。 (二)齿面点蚀 轮齿工作时，齿面啮合处在交变接触应力的多次反复作用下，在靠近节线的齿面上会产生若干小裂纹。随着裂纹的扩展，将导致小块金属剥落，这种现象称为齿面点蚀。齿面点蚀的继续扩展会影响传动的平稳性，并产生振动和噪声，导致齿轮不能正常工作。 点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式。开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齿面的抗点蚀能力。 (三)齿面磨损 轮齿啮合时，由于相对滑动，特别是外界硬质微粒进入啮合工作面之间时，会导致轮齿表面磨损。齿面逐渐磨损后，将失去正确的齿形，严重时导致轮齿过薄而折断，齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。 为了减少磨损，重要的齿轮传动应采用闭式传动，并注意润滑。 (四)齿面胶合 在高速重载的齿轮传动中，齿面间的压力大，温升高，润滑效果差，当瞬时温度过高时，将使两齿面局部熔融、金属相互粘连，当两齿面作相对运动时，粘住的地方被撕破，从而在齿面上沿着滑动方向形成带状或大面积的伤痕，低速重载的传动不易形成油膜，摩擦发热虽不大，但也可能因重载而出现冷胶合。 采用黏度较大或抗胶合性能好的润滑油，降低表面粗糙度以形成良好的润滑条件；提高齿面硬度等均可增强齿面的抗胶合能力。 (五)齿面塑性变形 硬度较低的软齿面齿轮，在低速重载时，由于齿面压力过大，在摩擦力作用下，齿面金属产生塑性流动而失去原来的齿形。 提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油，均有助于防止或减轻齿面塑性变形。综上所述，在选择齿轮材料时。必须了解我国工业发展形式，结合我国资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。2.3齿轮传动的设计2.3.1、设计准则 齿轮传动在具体的工作条件下，必须有足够的工作能力，以保证齿轮在整个工作过程中 不致失效。因此，必须针对齿轮轮齿的失效形式，建立相应的设计准则。但在工程上，不可能对所有的失效形式进行有效的设计计算。例如，对磨损，由于影响磨损的因素很多，而且很复杂，对磨损的本质和规律目前还在研究之中。因此，对磨损还没有比较成熟的计算方法。对于抗胶合能力计算，由于一些测试因素比较困难，计算方法也比较繁杂，因此在工程上还没有普遍采用。目前，工程实际应用的计算方法是：齿根的弯曲疲劳强度计算和齿面的接触疲劳强度计算。由理论分析和实践证明，对于闭式齿轮传动，当一对齿或其中的一个齿轮为软齿面（HB350）时，通常轮齿的齿面接触疲劳强度较低，故应先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后再校核轮齿的弯曲疲劳强度。当一对齿轮均为硬齿面（HB>350）时，通常轮齿的弯曲疲劳强度较低，故应先按轮齿弯曲疲劳强度进行设计，然后再校核齿面接触疲劳强度。当一对齿轮的材料均为铸铁时，则只需计算轮齿的弯曲疲劳强度。对于开式齿轮传动，通常只按轮齿弯曲疲劳强度的设计公式计算模数，然后可根据具体情况，把求得的模数加大1020%，以考虑磨损的影响2.3.2、设计过程和方法1、齿轮传动的设计过程如下：(1)选择齿轮材料、热处理方式、 精度等级(2)初选齿数、齿宽系数、螺旋角(3)根据强度条件初步计算出齿轮的分度圆直径或模数(4)计算出齿轮的主要几何尺寸(5)设计齿轮结构，并绘制出零件工作图应注意的是，有些参量往往不是经一次选择，就能满足设计要求的，计算过程中，须不断修改或重选，进行多次反复计算，才能得到最佳结果。2.4齿轮结构设计齿轮结构设计主要确定齿轮的轮缘、轮毂及腹板（轮辐）的结构形式和尺寸大小。结构设计通常要考虑齿轮的几何尺寸、材料、使用要求、工艺性及经济性等因素，确定适合的结构型式，再按设计手册荐用的经验数据确定结构尺寸。齿轮结构形式有以下四种：1. 齿轮轴当齿轮的齿根圆到键槽底面的距离e很小，如圆柱齿轮e2.5mn，圆锥齿轮的小端e1.6m，为了保证轮毂键槽足够的强度，应将齿轮与轴作成一体，形成齿轮轴。2. 实心齿轮当齿顶圆直径da200mm或高速传动且要求低噪声时，可采用实心结构。实心齿轮和齿轮轴可以用热轧型材或锻造毛坯加工。3. 辐板式齿轮对于齿顶圆直径da500mm时，可采用辐板式结构，以减轻重量、节约材料。通常多选用锻造毛坯，也可用铸造毛坯及焊接结构。有时为了节省材料或解决工艺问题等，而采用组合装配式结构，如过盈组合和螺栓联结组合。4. 轮辐式齿轮对于齿轮直径 时，采用轮辐式结构。受锻造设备的限制，轮辐式齿轮多为铸造齿轮。轮辐剖面形状可以采用椭圆形（轻载）、十字形（中载）、及工字形（重载）等。2.5齿轮传动设计步骤齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。2.5.1齿轮传动设计参数的合理选择   (1) 压力角的选择     由机械原理可知，增大压力角，齿轮的齿厚及节点处的齿廓曲率半径亦皆随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度及接触强度。我国对一般用途的齿轮传动规定的压力角为=20o。为增强航空有齿轮传动的弯曲强度及接触强度，我国航空齿轮传动标准还规定了=25o的标准压力角。但增大压力角并不一定都对传动有利。对重合度接近2的高速齿轮传动，推荐采用齿顶高系数为11.2，压力角为16 o18 o的齿轮，这样做可增加齿轮的柔性，降低噪声和动载荷。    (2) 小齿轮齿数Z1的选择 若保持齿轮传动的中心距不变，增加齿数，除能增大重合度、改善传动的平稳性外，还可减小模数，降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。另外，降低齿高还能减小滑动速度，减少磨损及减小胶合的可能性。但模数小了，齿厚随之减薄，则要降低齿轮的弯曲强度。不过在一定的齿数范围内，尤其是当承载能力主要取决于齿面接触强度时，以齿数多一些为好。 闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小一些为好，小齿轮的齿数可取为z1=2040。开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使齿轮不致过小，故小齿轮不亦选用过多的齿数，一般可取z1=1720。  为使齿轮免于根切，对于=20o的标准支持圆柱齿轮，应取z117。Z2=u·z1。     (3)齿宽系数fd的选择 由齿轮的强度公式可知，轮齿越宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数应取得适合。圆柱齿轮齿宽系数的荐用值列于下表。对于标准圆柱齿轮减速器，齿宽系数取为 所以对于外捏合齿轮传动fa的值规定为0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。运用设计计算公式时，对于标准减速器，可先选定再用上式计算出相应的fd值 表1：   圆柱齿轮的齿宽系数fd装置状况 两支撑相对小齿轮作对称布置 两支撑相对小齿轮作不对称布置 小齿轮作悬臂布置 fd0.91.4（1.21.9） 0.71.15（1.11.65） 0.40.6 注：大、小齿轮皆为硬齿面时fd应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为     软齿面时fd可取表中偏上限的数值； 2)括号内的数值用于人自齿轮，此时b为人字齿轮的总宽度； 3)金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，fd可小到0.2； 4)非金属齿轮可取fd0.51.2。 齿轮传动的许用应力 齿轮的许用应力按下式计算 (4)疲劳安全系数S     对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取S=SH=1。但是，如果一旦发生断齿，就会引起严重的事故，因此在进行齿根弯曲疲劳强度的计算时取S=SF=1.251.5.  2.5.2齿轮材料、热处理方式和精度等级的合理选择(1)满足材料的机械性能     材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。     例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。     另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860油淬，540-620回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880油淬，240280回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。(2) 满足材料的工艺性能     材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。     例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。(3) 材料的经济性要求     所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：     从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。     从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940渗碳，850淬火，180-200回火后机械性能的抗拉强度1177Mpa、屈服强度834Mpa、延伸率10、断面收缩率45，冲击韧性980kJm2，硬度为58-62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。