锥齿轮的设计

（2）传动方案

本次设计的山地割草机的传动部分主要是长轴带动锥齿轮转动，锥齿轮带动另一锥齿轮转动并且改变方向，最后传到到割刀转动，将苜蓿的根部草割断。传动部分的设计主要是对齿轮的设计

齿轮传动的类型

齿轮传动就装置形式分：

1）开式、半开式传动在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。它工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。

2）闭式传动 而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密的箱体(机匣)的，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。它与开式或半开式的相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场合。

本次设计的推移式割草机割草总成部分尺寸比较小，传动齿轮尺寸和质量比较小，转速比较高，且没有防护罩，如果选用开式容易损坏其寿命，因此齿轮传动选用闭式传动。

齿轮的设计准则

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。

齿轮传动的失效形式不大可能同时发生，但却是互相影响的。例如齿面的点蚀会加剧齿面的磨损，而严重的磨损又会导致轮齿折断。在一定条件下，由于上述第一、二种失效形式是主要的，因此设计齿轮传动时，应根据实际工作条件分析其可能发生的主要失效形式，以确定相应的设计准则。

齿轮传动的强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式进行的。对一般齿轮传动，目前广泛采用的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度两种计算方法足以确定其承载能力。

1）、闭式齿轮传动

软齿面（HB≤350）闭式齿轮传动：一般失效形式是点面点蚀，故通常先按接触疲劳强度设计几何尺寸，然后用弯曲疲劳强度验算其承载能力。

硬齿面（HB≥350）闭式齿轮传动：一般失效形式是齿根折断，故通常先按齿根弯曲疲劳强度设计几何尺寸，然后用齿面接触疲劳强度验算其承载能力。2）、开式齿轮传动

属材料是一项十分重要的工作。为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据工作条件和材料的特点来选取。

对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。

常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素对于开式齿轮传动一般以齿根折断和齿面磨损而失效。但目前尚无完善的磨损计算方法，故仅以齿根弯曲疲劳强度设计几何尺寸或验算其承载能力，并在设计计算时用适当加大模数（增大10%或15%）的办法来考虑磨损因素的影响。

由于本次设计的手推割草机的齿轮传动属闭式传动且属于高速传动的硬齿面，因此需按齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

齿轮的材料选择及其热处理

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结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢。开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁。低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材。高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料。受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。

钢制齿轮的热处理方法主要有以下几种：

1)表面淬火 常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。由于齿心部末淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。

2)渗碳淬火 常用于低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿心部仍保持较高的韧性，轮齿的执弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。

3)渗氮 渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700～900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铬、铜、铅等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAlA。

4)调质 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。

5)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采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。

一般要求的齿轮传动可采用软齿面齿轮。为了减小胶合的可能性，并使配对的大小齿轮寿命相当，通常使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面硬度高出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。对于高速、重载或重要的齿轮传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。

综上所述，选择小齿轮大齿轮材料分别为40Cr、45，调质处理，强度极限分别为850Mpa，700Mpa，屈服极限分别为670Mpa、500Mpa，齿芯部硬度为280HBS。

齿轮精度的选择

各类机器所用齿轮传动的精度等级范围列于下表中，按载荷及速度推荐的齿轮传动精度等级如下图所示。

各类机器所用齿轮传动的精度等级范围：

机器类型 精度等级范围 机器类型 精度等级范围

汽轮机 3~6 拖拉机 6~8

金属切削机床 3~8 通用减速器 6~8

航空发动机 4~8 锻压机床 6~9

轻型汽车 5~8

起重机 7~10

载重汽车 7~9 农用机器 8~11

注：主传动齿轮或重要的齿轮传动，精度等级偏上限选择；辅助传动齿轮或一般齿轮传动，精度等级居中或偏下限选取。

锥齿轮设计步骤

选定齿轮类型。精度等级。材料及齿数、

选用标准直齿锥齿轮齿轮传动，压力角取20°。

齿轮精度取8级，材料选择：

小齿轮40cr（调质）齿面硬度280HBS σb=850 σs=670

大齿轮45钢（调质）齿面硬度280HBS σb=700 σs=500

选小齿轮齿数z1=16,大齿轮齿数z2=21,u=1.31

1. 按齿面接触疲劳强度设计

（1） 试算小齿轮分度圆直径，即

d1t=√4𝐾𝐻𝑡∅𝑅 (1−0.5∅𝑅)2𝑢∙(𝑍𝐻𝑍𝐸𝜎𝐻)23

1） 确定公式中的各项参数值

○1试选KHt=1.3

○2计算小齿轮传递的扭矩。

T1=9.55×106×10/6500N∙mm ○3选取齿宽系数ΦR=0.3

○4由图查得区域系数ZH=2.5

○5由表查得材料的弹性影响系数ZE=189.8Mpa

○6计算接触疲劳许用应力[σH]

由图查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为σHlim1=600Mpa,

σHlim2=550Mpa

由式计算应力循环次数

N1=60n1JlH=60×6500×1×(1×8×1000×15)=4.147×109

N2=N1/u=4.147×109/1.31=3.166×109

由图查取接触疲劳寿命系数KHN1= 0.9 KHN2=0.92

取失效概率为1%，安全系数S=1，由式得

[σH]1=𝐾𝐻𝑁1𝜎𝐻𝑙𝑖𝑚1𝑆=0.9×6001=540MPa

[σH]2=𝐾𝐻𝑁2𝜎𝐻𝑙𝑖𝑚2𝑆=0.92×5501=506MPa

取[σH]1[σH]2中较小者为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即

[σH]1=[σH]2=506MPa

2）试算小齿轮分度圆直径

𝑑1𝑡≥√4𝐾𝐻𝑡∅𝑅 (1−0.5∅𝑅)2𝑢∙(𝑍𝐻𝑍𝐸𝜎𝐻)23=√4×1.3×0.2130×1040.3×(1—0.5×0.3)2×1.31×(2.5×189.8506)23=32.50mm

（2） 调整小齿轮分度圆直径

1) 计算实际载荷系数前的数据准备。

① 圆周速度v。

dm1=(1-0.5ФR)=32.5×(1−0.5×0.3)=27.625mm

vm=𝛱𝑑𝑚1𝑛160×1000=𝜋×27.625×650060×10009.397m/s

② 当量齿轮的齿宽系数Фd。

b=ФRd1t√𝑢2+1/2=0.3×32.5√1.312+1/2=8.025mm ∅𝑑=8.02527.625=0.290

2) 计算实际载荷系数KH

① 由表查得使用系数KA=1.

② 根据vm=9.397m/s,8级精度，由图查得动载系数KV=1.25。

③ 直齿锥齿轮精度较低，尺间载荷分配系数KHα=1.

④ 由表用插值法查的8精度、小齿轮悬臂时，得齿向载荷分布系数KHβ=1.0

KH=KAKVKHαKHβ=1.25×1.25×1×1=1.5625

3)

由式可得按实际载荷系数算得的分度圆直径为

d1=d1t√𝐾𝐻𝐾𝐻𝑡=32.5√1.56251.33=34.536mm

及相应的齿轮模数，m=d1/z1=34.536/16=2.1585mm

3. 按齿根弯曲疲劳强度设计

（1） 由式试算模数

mt≥√4𝐾𝐻𝑡∅𝑅 (1−0.5∅𝑅)2𝑢∙(𝑌𝐹𝑎𝑌𝑠𝑎[𝜎𝐹])23

1）确定公式中的各项参数

①试选KFt=1.3

②计算𝑌𝐹𝑎𝑌𝑠𝑎[𝜎𝐹]

由分锥角sinδ1 /sinδ2=1.31 δ1+δ2=120°

解得δ1=33.4647 δ2=86.5353

可得当量齿数zV1=z1/cosδ1=19.180

zV2=z2/cosδ2=347.49

由图查得齿形系数YFa1=2.88 YFa2=2.10

由图查得应力修正系数Ysa1=1.58 Ysa2=1.90

由图查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为𝜎𝐹𝑙𝑖𝑚1=500Mpa

σFim2=380Mpa