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Raword/media/image2.gif1.6~3.2um..
常用精度等级的齿轮的加工方法及其应用范围
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，HBSword/media/image2.gif350,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：σHword/media/image2.gif［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:
word/media/image5.gif
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： word/media/image6.gif
齿面接触疲劳强度的校核式：word/media/image8.gif
齿面接触疲劳强度的设计式：word/media/image9.gif
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
表2
2)
3) 12、淡水在自来水厂中除了沉淀和过滤之外，还要加入药物进行灭菌处理，这样才能符合我们使用的标准。T1=9.55*106*P1/n1=9.55*106*15/1500=9.55*104N.m
4) 接触疲劳许用应力[σH]= σHlim*Zn/SH
第二单元 物质的变化按齿面硬度中间值，如图查得σHlim1=600MPa, σHllim2=550MPa
2、如果我们想要设计一个合理、清洁的垃圾填埋场，我们首先应考虑要解决的问题有哪些呢？ 按一年工作300天计算，应力循环次数
7、食盐、白糖、碱面、味精的颗粒都是有规则几何外形的固体，人们把这样的固体物质叫做晶体。自然界中的大部分固体物质都是晶体或由晶体组成。 N1=60njlh=60*100*1*10*300*8=1.44*109
N2=N1/i=3.6*108
由下图得接触疲劳强度寿命系数YN1=1,N2=1.06
(N1>N2.N0=109)
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
表3
查下表4得ZE=189.8word/media/image11.gif
齿轮材料弹性系数：ZE (word/media/image11.gif)
表4
将以上参数代入式
将以上参数代入式
word/media/image9.gif
=word/media/image13.gif
=64
取 d1=64mm
(5) 计算圆周速度
V=n1word/media/image14.gifd1/60*1000=1000*3.14*64/（60*1000）=3.35m/s.
因V<6m/s,故去8级精度合适。
4.5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
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=Ψdd1=1.09*60=65.4mm 取b2=70mm b1=75mm
4.6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 。
表6
YFa1=2.80 Ysa1=1.55 YFS1=Y Fa1*Y sa1=4.35
YFa2 =2.22 Ysa2 =1.77 YFs2 = Y Fa2 *Y sa2 =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=240Mpa σFlim2=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： word/media/image16.gif
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*YFS word/media/image2.gif 240［σF］
或 σF=2KT1/Ψd Z12 m3*YFSword/media/image2.gif220［σF］
则： σF1=2KT1/bmd1*YFS1= 2*1.3*9.55*104/(70*3*60)*4.35=85.7MPa <［σF1］
σF2=2KT1/bmd1*YFS2=σF1*YFS2/YFS1=80.8Mpa <［σF2］
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/369ee6d4fe00bed5b9f3f90f76c66137ef064f42.html
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