石大远程在线考试《机械设计考试题》尾号279.docx
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石大远程在线考试《机械设计考试题》尾号279
中国石油大学(北京)远程教育学院
期末考试
《机械设计课程设计》
一、题型
课程设计,包含问答题、改错分析题型及设计计算题,问答题共2题,每题
10分,共20分;改错题1题,共30分;设计计算题1题,共50分。
二、题目
(3)学号末尾数为2、7、9或字母的课程设计题目
1、齿轮传动的特点及使用范围有哪些?
(10分)
答:
1、瞬间传动比恒定,工作稳定,传动准确可靠,可传递空间任意两轴
之间的运动和动力。
2、适用的功率和速度范围广,功率从近于零的微小值到数
万千瓦,圆周速度从很低到300m/s。
3、传动效率高,η=92%-98%。
4、工
作可靠,使用寿命长。
5、外廓尺寸小,结构紧凑。
齿轮传动的主要缺点是:
制
造和安装精度要求较高,需专门设备制造,成本较高,不宜用于较远距离两轴之
间的传动。
2、箱体,机构架设计的一般要求有哪些?
(10分)
答:
1)可靠性:
在使用期内必须安全可靠,其结构应与所承受的外力相协调,
能满足强度、刚度、振动稳定性、疲劳强度、热变形等方面的要求。
2)实用性:
箱体、机架是机器重要的组成部分其精度、表面粗糙度、尺寸和形位公差等技术
指标必须确保机器的使用性能和使用寿命。
3)工艺性;结构应容易铸造或焊接,
减少和防止铸造或焊接缺陷,便于加工装配和调试。
焊接结构应便于实现机械化、
自动化焊接。
4)经济性:
要尽量减轻结构重量降低材料成本,减少能源消耗、
加工工时和制造成本。
根据箱体、机架的不同用途,设计中对以上各项既要有所
偏重,又要统筹兼顾,要重视其外观造型设计。
3、改错分析题(30分)
下图为一齿轮减速器部分装配图,试指出结构不合理及错误所在(不考虑圆
角和铸造斜度以及不计重复错误),并用文字说明原因。
例如:
精加工面过长且
拆装轴承不便。
(本题至少10处错误,每指出一处错误得3分)
答:
1.安装轮毂的第一段轴应制有定位轴肩;2.键槽过长安装上的
键与轴承端盖干涉(相碰);3.轴承端盖的加工面与非加工面没有
区分开;4.在轴与轴承端盖孔之间缺少密封圈;5.在轴与轴承端盖
孔之间应留有间隙;6.在轴承端盖与箱体轴承孔端面缺少调整垫片;
7.在轴与齿轮孔间缺少周向定位的键联接;8.套筒顶不住齿轮(过定
位)9.套筒过高,轴承无法拆卸;10.轴承安装反了;11.轴过长且
与轴承端盖相碰。
4、计算题(50分)
试设计一单级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动。
已知,用电机驱动,传递
功率10KW,小齿轮转速n=1000r/min,传动比i=4,单向运转,载荷平稳。
使用
寿命10年。
提示:
材料、精度等级选取,齿数计算,齿面接触疲劳强度校核,齿根弯曲
疲劳校核。
无需结构设计。
答:
1选择齿轮精度等级。
输送机是一般工作机械,考虑次对齿轮的传递的功率不大,
速度不高,故大小齿轮都选用8级精度。
要求齿轮面粗糙度Ra1.6~3.2um..
常用精度等级的齿轮的加工方法及其应用范围
齿轮的精度等级
6级(高7级(较高精8级(普通)9级(低精度)
精度)度)
加工方法用范成法用范成法在用范成法插用范成法或
在精密机床上精密机床上精插或滚仿形法粗滚或型
精磨或精制或精滚,对淬火齿铣
轮需要磨齿或研
齿等
齿面粗糙度0.80~1.601.60~3.23.2~6.36.3
Ra/um
用途用于分度用于高、中速一般机械中轻载传动的
机构或高速重重载齿轮,如机的齿轮,不属于分不重要齿轮或低
载的齿轮,如床,内燃机中的较度系统的机床齿速传动对精度要
机床,精密仪重要齿轮,标准系轮,飞机拖拉机中求低的齿轮
器,汽车,船列减速器的齿轮不重要的齿轮。
舶,飞机中的
重要齿
周速圆直
151053
度柱齿
齿斜
2517103.5
V(m
轮齿
/s)
圆直
9632.5
锥齿
表1
2选材与热处理。
1)材料:
制造齿轮的材料主要是各种钢材,其次是铸铁,还有其它非金属
材料;齿轮材料选用的基本原则:
齿轮材料必须满足工作条件的要求,如强度、
寿命、可靠性、经济性等;
a)钢材分锻钢和铸钢,只有尺寸较大(d>400~600mm,)结构形状复杂的齿
轮宜用铸钢,一般都用锻钢制造齿轮。
软齿面齿轮经调制或正火处理后切齿,常
用45,40Gr等,因此齿面硬度不高,易制造,成本低,故应用广,常用于对尺
寸和重量无严格限制的场合。
为了使大小齿轮的寿命接近,应是小齿轮的齿面硬
度比大齿轮的高出30~50HBS。
对于高速重载或重要的齿轮转动,可使用硬度齿
面组合,齿面硬度可大致相同。
许多钢材经适当的热处理或表面处理,可以成为
常用的齿轮材料;
b)铸铁,由于铸铁的抗耐冲击性能都比较差,因此主要用于制造低速不
重复的开式传动,功率不大的齿轮,常用材料有HT250,HT300等,常作为低速、
轻载、不太重要场合的齿轮材料;。
c)非金属材料,对高速轻载而又要求低噪音的齿轮的齿轮传动,也可用非
金属材料,加夹布胶木、尼龙等。
常用的齿轮材料,热处理方法、硬度、
应用举例见表6—4,适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。
2)热处理:
应考虑齿轮尺寸大小,毛坯成型方法及热处理和制造工艺;钢
制软齿面齿轮,其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。
a)表面淬火
一般用于中碳钢和中碳合金钢,如45、40Cr等,表面淬火后轮齿变形小,
不可磨齿,硬度可达52~56HRC,面硬芯软,能承受一定冲击载荷。
a)渗碳淬火
渗碳钢为含碳量0.15~0.25%的低碳钢和地碳合金钢,如20、20C等。
齿
面硬度达到56~62HRC,齿面接触强度高,耐磨性好,齿芯韧性高,常用于受冲
击载荷的重要传动。
通常渗碳淬火或要磨齿。
b)调质
调质一般用于中碳钢和中碳合金钢,如45、45C、35SiMn等。
调质处理后齿
面硬度为:
220~260HBS。
因为硬度不高,故可在热处理后精切齿形,且在使用
中易于跑合。
c)正火
正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。
机械强度要求不
高的齿轮可用中碳钢正火处理。
大直径的齿轮可用铸钢正火处理。
d)渗氮
渗氮是一种化学处理。
渗氮后齿面硬度可达60~62HBC。
氮化处理温度低,
轮齿变形小,适用于难以磨齿的场合,如内齿轮。
特点及应用:
调质、正火处理后的硬度低,HBS350,属于软齿面,工艺简
单,用于一般传动。
当大小齿轮都是软齿面时。
因小轮齿很薄,弯曲强度低,故
在选材和热处理时,小轮比大轮硬度高20~50HBS。
表面淬火、渗碳淬火、渗氮
处理后齿面硬度高,属硬齿面。
其承载能力高,但一般需要磨齿。
常用于结构紧
凑的场合。
所以为制造方便,才用软吃面,大小齿轮均用45钢,小齿轮调制处理,吃
面硬度:
229~286HBS大,齿轮正火处理,吃面硬度:
169~217HBS。
3确定设计公式及校核公式
按齿面接触疲劳强度设计:
防止齿面点蚀的强度条件为:
节点处的计算接触应力应该小于齿轮材
料的许用接触应力。
即:
σH[σH]
齿面最大的计算接触应力,可采用基本公式──赫兹应力计算公式,
即:
F
ca
11
()
12
H
1
(
E
1
2
1
1
E
1
2
2
)L
在节点啮合时,接触应力较大,故以节点为接触应力计算点。
节点处的综合曲率
半径为:
d
1
sin
2
u
u
1
KFu1
t
齿面接触疲劳强度的校核式:
HZZ[]
EHH
bdu
1
齿面接触疲劳强度的设计式:
2KTu1ZZ
1HE2
d1()
3
u[]
dH
上述式中:
u─齿数比,u=z2/z1;ZE─弹性影响系数;ZH─区域系数;
4计算过程
1)载荷系数,按表2取K=1.3,
载荷系数K
原动机工作机的载荷特性
均匀、轻微冲击中等冲击大冲击
电动机1~1.21.2~1.61.6~1.8
多缸内燃机1.2~1.61.6~1.81.9~2.1
单缸内燃机1.6~1.81.8~2.02.2~2.4
表2
2)T1=9.55*10
6*P1/n1=9.55*106*15/1500=9.55*104N.m
3)接触疲劳许用应力[σH]=σHlim*Zn/SH
按齿面硬度中间值,如图查得σHlim1=600MPa,σHllim2=550MPa
按一年工作300天计算,应力循环次数
9N1=60njlh=60*100*1*10*300*8=1.44*10
8N2=N1/i=3.6*10
由下图得接触疲劳强度寿命系数YN1=1,N2=1.06
(N1>N2.N0=10
9)
按一般可靠性要求,取SH=1,则
[σH1]=σ?
Hlim1*ZN1/SH=600*1/1=600MPa.
[σH2]=σHlim2*ZN2/SH=550*1.06/1=583MPa.
取[?
H]=583MPa
(4)计算小齿轮分度圆直径,查下表3,按齿轮相对轴承对称布置取
Ψd=1.09,ZH=2.5,
齿宽系数Ψd=b/d1
齿相对轴承位置齿面硬度
350HBS>350HBS
对称布置0.8~1.40.4~0.9
非对称布置0.6~1.20.3~0.6
悬臂布置0.3~0.40.2~0.25
表3
查下表4得ZE=189.8
2
N/mm
齿轮材料弹性系数:
ZE(
2
N/mm)
大齿轮材小齿
料
钢铸钢铸铁球墨铸铁轮材料
钢189.8188.9165.4181.4
铸钢188.9188.0161.4180.5
表4
将以上参数代入式
将以上参数代入式
2KTu1ZZ
1HE2
d1()
3
u[]dH
=
324.309*104*0.772*1.25
=64
取d1=64mm
(5)计算圆周速度
V=n1d1/60*1000=1000*3.14*64/(60*1000)=3.35m/s.
因V<6m/s,故去8级精度合适。
8.确定主要参数。
1)齿数Z对于软尺面的闭式传动,在满足弯曲疲劳的条件下,宜采用较多
齿数,一般取Z1=20~40.对于硬齿面的闭式传动,首先应具有足够大的模数既保
证齿根弯曲强度为减小传动尺寸,宜取较小齿数但要避免发生根切,一般取
Z1=17~20。
故取Z1=20,Z2=Z1i=20*4=80
2)模数m.模数影响齿轮的抗弯曲强度,一般在满足齿轮弯曲疲劳强度条件下,宜
取较小模数,以增大齿数,减小切齿量。
故m=d1/z1=64/20=3.2mm在下表5查的
m=3mm
⋯1.522.534568101216
第一系列
2025324050
⋯1.752.252.75(3.25)3.5(3.75)4.5
第二系列
5.5(6.5)79(11)141822283645
表5
3)分度圆直径d1=Z1m=20*3=60mm
d2=Z2m=80*3=240mm
中心距a=(d1+d2)/2=((60+240)/2=150mm
4)齿宽系数Ψd.齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d1之比.
增大齿宽系数,可将小齿轮传动装置的径向尺寸,降低齿轮的圆周速度。
常将小
齿轮齿宽加大5~10mm,但涉及计算是按大齿轮齿宽计算。
b2=Ψ
dd1=1.09*60=65.4mm取b2=70mmb1=75mm
9.校核弯曲疲劳强度。
1)齿形系数YFS,查下表6得:
根据z1、z2得YFS.
表准处齿轮的齿形系数YFa及应力修正系数Ysa。
Z171819202122232425
YFa2.972.912.852.802.762.722.692.652.62
Ysa1.521.531.541.551.561.571.5751.581.59
Z262728293035404550
YFa2.602.572.552.532.522.452.402.352.32
Ysa1.5951.601.611.621.6251.651.671.681.70
Z60708090100150200∞
YFa2.282.242.222.202.182.122.122.06
Ysa1.731.751.771.781.791.831865.1.97
表6
YFa1=2.80Ysa1=1.55YFS1=YFa1*Ysa1=4.35
YFa2=2.22Ysa2=1.77YFs2=YFa2*Ysa2=4.1
2)弯曲疲劳许用应力:
[σF]=σFlim/SF*YN
按齿面硬度中间值查图6-18得:
σFlim1=240MpaσFlim2=220MPa.
由图6-20得弯曲疲劳强度寿命系数:
YN1=1(N0=3*106,N1>N0)
YN2=1(N0=3*106,N2>N0)
按一般的可靠性要求,取弯曲疲劳安全系数SF=1,则
[σF1]=σFlim1/SF1*YN1=240/1*1=240MPa
[σF2]=σFlim2/SF2*YN2=220/1*1=220MPa
3)校核计算
中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示
根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力:
F0
KFtYFa
bm
YFa为齿形系数,是仅与齿形有关而与模数m无关的系数,其值可根据齿数
查表1获得。
计入齿根应力校正系数Ysa后,强度条件式为:
σF=2KT1/bmd1*YFS240[σF]
或σF=2KT1/ΨdZ1FS220[σF]2m3*Y
则:
σF1=2KT1/bmd1*YFS1=2*1.3*9.55*10
4/(70*3*60)*4.35=85.7MPa<[σF1]
F1]
σF2=2KT1/bmd1*YFS2=σF1*YFS2/YFS1=80.8Mpa<[σF2]
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