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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
小型農(nóng)田作業(yè)機(jī)變速箱設(shè)計(jì)
DESIGN OF SMALL FARMLAND OPERATION MACHINE GEARBOX
學(xué)生姓名： 李巧云
學(xué) 號(hào)： 200940654118
年級(jí)專業(yè)及班級(jí)： 2009級(jí)汽車服務(wù)工程(1)班
指導(dǎo)老師及職稱： 李軍政 講師
學(xué) 院： 工學(xué)院
湖南·長沙
提交日期：2013 年 5 月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘 要……………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞……………………………………………………………………………………1
1 前言……………………………………………………………………………………2
1.1 變速器的功用………………………………………………………………………3
1.2 變速器的基本結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………3
1.3 變速器的設(shè)計(jì)目的及設(shè)計(jì)要求……………………………………………………3
2 變速器結(jié)構(gòu)方案分析…………………………………………………………………4
2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析………………………………………………………………………4
2.2 齒輪形式分析………………………………………………………………………4
2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分析………………………………………………………………………5
2.4 安全裝置分析………………………………………………………………………5
3 變速器主要參數(shù)的選擇………………………………………………………………5
3.1 檔數(shù)…………………………………………………………………………………6
3.2 傳動(dòng)比………………………………………………………………………………6
3.3 齒輪主要參數(shù)的選擇………………………………………………………………6
3.3.1 齒數(shù)………………………………………………………………………………6
3.3.2 模數(shù)………………………………………………………………………………6
3.3.3 壓力角和齒寬……………………………………………………………………7
3.3.4 齒高、齒頂高系數(shù)和徑向間隙系數(shù)……………………………………………7
4 軸的設(shè)計(jì)及校核………………………………………………………………………7
4.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………………………7
4.2 第一軸和半軸的校核………………………………………………………………8
4.2.1 強(qiáng)度校核…………………………………………………………………………8
4.2.2 剛度校核…………………………………………………………………………10
4.3 其它軸的校核………………………………………………………………………11
5 齒輪的設(shè)計(jì)及校核……………………………………………………………………12
5.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………12
5.1.1 1-2 檔齒輪和中央傳動(dòng)大齒輪…………………………………………………12
5.1.2 從動(dòng)軸齒輪………………………………………………………………………12
5.1.3 倒檔齒輪…………………………………………………………………………13
5.2 齒輪的校核…………………………………………………………………………13
5.2.1 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核…………………………………………………………13
5.2.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核…………………………………………………………14
6 軸承的選擇及壽命校核………………………………………………………………15
6.1 軸承的選擇…………………………………………………………………………15
6.2 軸承的壽命校核……………………………………………………………………15
7 鍵的選擇及強(qiáng)度校核…………………………………………………………………16
7.1 鍵的選擇……………………………………………………………………………16
7.2 強(qiáng)度校核……………………………………………………………………………16
8 結(jié)論……………………………………………………………………………………17
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………17
致 謝…………………………………………………………………………………18
小型農(nóng)田作業(yè)機(jī)變速箱設(shè)計(jì)
學(xué) 生：李巧云
指導(dǎo)老師：李軍政
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128)
摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)對(duì)于科學(xué)技術(shù)的要求也隨之提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械化已經(jīng)越來越普遍，而變速器在農(nóng)業(yè)機(jī)械中起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于農(nóng)田作業(yè)機(jī)，必須保證的是可以前進(jìn)，后退以及左右轉(zhuǎn)向，因此相應(yīng)的對(duì)于其核心部件變速箱的設(shè)計(jì)就要求滿足有前進(jìn)擋，倒擋，空擋以及左右轉(zhuǎn)向裝置。本文將根據(jù)以上思路進(jìn)行小型農(nóng)田作業(yè)機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)以及各重要參數(shù)的詳細(xì)分析，力求通過此次設(shè)計(jì)進(jìn)一步熟悉機(jī)械設(shè)計(jì)原理，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)以及汽車構(gòu)造等課程，熟悉運(yùn)用Auto CAD繪圖軟件繪制零件圖和總裝配圖。
關(guān)鍵詞：變速器；齒輪；軸承；牙嵌式轉(zhuǎn)向離合器
Design of Small Farmland Operation Machine Gearbox
Student：Li qiaoyun
Tutor： Li junzheng
(College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract：With the continuous development of science and technology, increases to the requirement of science and technology of agriculture, agricultural mechanization has been more and more common, and the transmission plays an important role in agricultural machinery. For farmland rig, must make the pledge that we can move forward, backward and turn left, so the corresponding to its core parts of gearbox design is required to meet forward gears, reverse, neutral,as well as the left and right steering device. Small farms in this article, we will according to the above ideas for rig gearbox design and detailed analysis of the important parameters, makes every effort through this design to further be familiar with mechanical design principle, mechanical design basis and courses such as automobile engine be familiar with the use of Auto CAD drawing software rendering part drawing and total assembly drawings.
Key words：?transmission; gear; bearing; tooth type steering clutch
1 前言
從20世紀(jì)中葉以后，農(nóng)業(yè)科技取得一系列重大突破，這些新技術(shù)應(yīng)用都離不開農(nóng)業(yè)機(jī)械，如選種、育種，應(yīng)用種子加工成套機(jī)械，化肥、農(nóng)藥施用依靠機(jī)械，先進(jìn)的播種機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開溝、播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等多工序一次完成，不僅出苗整齊而且省種、省肥，聯(lián)合收獲機(jī)裝有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)地形、作物產(chǎn)量自動(dòng)調(diào)節(jié)割茬高度和行駛速度，保證收獲的質(zhì)量、效率，并減少了損失。
農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有以下一些重要特性：
農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)對(duì)象為生物及其生長的環(huán)境，如種子、作物、土壤、肥料、農(nóng)藥等，由于它們種類繁多、形狀負(fù)責(zé)、物理機(jī)械性質(zhì)多變并且軟弱易傷，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械必須有良好的工作性能，滿足各項(xiàng)作業(yè)的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，保證農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)豐收。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用作業(yè)時(shí)間短。因此既要求農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作性能可靠、生產(chǎn)效率高，又要求能夠一機(jī)多用，實(shí)現(xiàn)綜合利用以降低成本。
田間作業(yè)移動(dòng)式農(nóng)業(yè)機(jī)械受到地形、地表的制約，支承機(jī)器移動(dòng)的松軟地面致使行走車輪易于打滑與下陷。因此，既要求農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)工作部件的自動(dòng)控制，又要求減輕機(jī)器重量以節(jié)約金屬，同時(shí)降低運(yùn)行過程中油料的耗費(fèi)，從而降低成本與使用費(fèi)用[1]。
農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)有以下一些重要特性：
對(duì)推進(jìn)農(nóng)田機(jī)械化提供了新的舞臺(tái)和機(jī)遇隨著黨和國家對(duì)農(nóng)業(yè)和重視, 把農(nóng)業(yè)放在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的首位, 政策上對(duì)農(nóng)業(yè)傾斜,對(duì)農(nóng)業(yè)的投人大幅度增加。這就給發(fā)展農(nóng)機(jī)化事業(yè)帶來了契機(jī)就我省而言, 省委、省政府提出農(nóng)業(yè)大省向農(nóng)業(yè)強(qiáng)省、經(jīng)濟(jì)富省的跨越, 確保本世紀(jì)末全省農(nóng)村達(dá)到小康水平, 必須經(jīng)歷從農(nóng)業(yè)機(jī)械化一農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化一農(nóng)村現(xiàn)代化這樣一個(gè)過程。近幾年及“ 九五”期間中央和地方加大農(nóng)業(yè)的投人, 各種專項(xiàng)資金均對(duì)農(nóng)機(jī)安排了一定的比例。這就給我省農(nóng)機(jī)化事業(yè)的發(fā)展提供了新的舞臺(tái)和機(jī)遇。農(nóng)田作業(yè)機(jī)具的發(fā)展重點(diǎn)和方向從我省主要農(nóng)作物的播種面積、種植結(jié)構(gòu)、栽培工藝、增產(chǎn)措施、機(jī)械化生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)、廣大農(nóng)民的渴望來考慮, 農(nóng)田作業(yè)機(jī)具在“ 九五” 期間應(yīng)發(fā)展的重點(diǎn)是水稻生產(chǎn)的旱育秧設(shè)備, 拋秧機(jī), 插秧機(jī), 擺秧機(jī), 履帶自走、立式或臥式割臺(tái)、半喂人聯(lián)合收割機(jī), 小型割曬打捆機(jī), 移動(dòng)式帶清選脫粒機(jī)。小麥生產(chǎn)的精少量播種機(jī), 施肥播種機(jī), 旋耕播種機(jī), 大中型背負(fù)式和自走式全喂人聯(lián)合收割機(jī)。玉米精量播種機(jī), 單行或雙行聯(lián)合收割機(jī), 秸桿、根茬粉碎還田機(jī)。
棉花、油菜生產(chǎn)的營養(yǎng)缽育苗及移栽機(jī), 拔棉柴機(jī)、油菜切脫機(jī)。耕整地機(jī)械。隨著動(dòng)力機(jī)械的發(fā)展,千瓦的拖拉機(jī)逐年呈上升趨勢(shì),耕整地機(jī)械、除小拖的單樺犁、雙樺犁進(jìn)一步提高質(zhì)量外, 要發(fā)展先進(jìn)的多樺犁、深松犁、驅(qū)動(dòng)圓盤犁、旋耕機(jī)。田間管理機(jī)械。主要發(fā)展高性能、低消耗、操作安全方便的植保機(jī)械。一次性投資少、移動(dòng)方便的噴灌機(jī)提高化肥利用率, 用來追施化肥的中耕施肥機(jī)。
1.1 變速器的功用
變速器是作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系中重要的部件，它的功用有主要如下三點(diǎn)：
1）改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利（功率較高而油耗率較低）的工況下工作；
2）在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使機(jī)械能倒退行駛；
3）利用空擋中斷動(dòng)力傳動(dòng)，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠啟動(dòng)、怠速，并便于變速器換擋或進(jìn)行動(dòng)力輸出。
變速器是由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成，需要時(shí)，還可以加裝動(dòng)力輸出器。在分類上有兩種方式：按傳動(dòng)比變化方式和按操縱方式的不同來分[2]。
1.2 變速器的基本結(jié)構(gòu)
變速器的由殼體、傳動(dòng)部分和操縱部分組成。
1)殼體：殼體是基礎(chǔ)件，用以安裝支承變速器全部零件及存放潤滑油。其上有安裝軸承的精確鏜孔。變速器承受變載荷，所以殼體應(yīng)有足夠的剛度，內(nèi)壁有加強(qiáng)，形狀復(fù)雜，多為鑄件(材料為灰鑄鐵，常用HT200)。
為便于安裝，傳動(dòng)部分和操縱部分常做成剖分式，箱蓋與殼體用螺栓聯(lián)接并可靠定位。殼體上有加油、放油口，油面檢查尺口，還應(yīng)考慮散熱。
2)傳動(dòng)部分：是指齒輪、軸、軸承等傳動(dòng)件。軸的幾何尺寸通過強(qiáng)度、剛度計(jì)算確定。因主要決定于剛度，而碳鋼與合金鋼彈性模量近乎相等，所以一般用碳鋼(常用45鋼)。只有齒輪與軸制成一體或軸載荷嚴(yán)重才用合金鋼。軸與齒輪多為花鍵聯(lián)接(對(duì)中性好，能可靠傳遞動(dòng)力，擠壓應(yīng)力小等)。軸的花鍵部分和放軸承處經(jīng)表面淬火處理。軸多用滾動(dòng)軸承支承，潤滑簡(jiǎn)單，效率高、徑向間隙小，軸向定位應(yīng)可靠。潤滑方式多用飛濺(υ>25m/s，只要粘度適宜可甩到壁上)。
3)操縱部分：主要零件位于變速器蓋內(nèi)。
1.3 變速器的設(shè)計(jì)目的及設(shè)計(jì)要求
本次變速器的設(shè)計(jì)目的主要是設(shè)計(jì)一個(gè)適用于小型農(nóng)田作業(yè)機(jī)的變速箱，需要實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)的多級(jí)變速，使作業(yè)機(jī)能夠前進(jìn)，倒退以及左右轉(zhuǎn)向。
本次設(shè)計(jì)對(duì)變速器的基本要求如下：
1）保證作業(yè)機(jī)有必要的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性；
2）設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪的傳輸；
3）操縱輕便，換擋迅速、省力、方便，工作可靠；
4）結(jié)構(gòu)緊湊，盡量做到質(zhì)量輕、體積小、制造成本低、拆裝容易、維修方便。
2 變速器結(jié)構(gòu)方案分析
2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析
作業(yè)機(jī)的工作條件惡劣，應(yīng)充分考慮提高傳動(dòng)裝置的效率，以減少能耗、降低運(yùn)行費(fèi)用。這時(shí)應(yīng)選用傳動(dòng)效率高的機(jī)構(gòu)，如齒輪傳動(dòng)。
變速箱主要由軸和大小不同的成對(duì)齒輪組成，主動(dòng)輪和花鍵聯(lián)接，可軸向滑動(dòng)，從動(dòng)輪則固定安裝在從動(dòng)軸上。
當(dāng)主動(dòng)雙聯(lián)齒輪處于兩個(gè)從動(dòng)齒輪中間位置時(shí)，主動(dòng)軸的動(dòng)力不能傳給從動(dòng)軸，動(dòng)力切斷,變速器呈空擋；當(dāng)主動(dòng)齒輪向左右不同的方向滑動(dòng)獲得較大或者較小的傳動(dòng)比，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反，作業(yè)機(jī)則前進(jìn)行駛；當(dāng)在主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪之間再增加一個(gè)中間齒輪時(shí)，主動(dòng)齒輪和最后從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)方向相同，則作業(yè)機(jī)實(shí)現(xiàn)倒退行駛。傳動(dòng)路線如圖1所示。
圖1 傳動(dòng)路線圖
Fig1 Transmission circuit diagram
倒檔軸是單獨(dú)的一根軸，1-2檔齒輪上的1檔齒輪和中央傳動(dòng)齒輪上的大齒輪進(jìn)行常嚙合。當(dāng)1、2檔處于空擋位置時(shí)，倒檔齒輪如與中央傳動(dòng)齒輪嚙合，一軸的動(dòng)力就通過倒檔軸傳遞給二軸，即形成倒檔。
2.2 齒輪形式分析
齒輪是機(jī)械中的最重要的傳動(dòng)零件，形式很多，應(yīng)用廣泛，齒輪的作用是將主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳送到從動(dòng)軸上，以完成傳遞功率、變速及換向等功能。
齒輪的分類有幾種方法：
1）按其外形可分為圓柱齒輪、錐齒輪、齒條等；
2）按齒線形狀可分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪等；
3）按照工作條件，齒輪傳動(dòng)可分為開式和閉式。
開式齒輪傳動(dòng)是指齒輪傳動(dòng)時(shí)，齒輪暴露在外面，因而容易落入灰塵、雜質(zhì)，不能保證良好的潤滑，所以開式齒輪的齒面容易磨損；閉式齒輪傳動(dòng)的齒輪封閉在剛性的箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑和工作條件。顯然，變速箱的齒輪傳動(dòng)屬于閉式齒輪傳動(dòng)。結(jié)合本次的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)均采用直齒圓柱齒輪。為了避免變速箱過大且傳動(dòng)不穩(wěn)定，本次設(shè)計(jì)的變速箱采用小齒數(shù)、高變位的齒輪。
2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分析
為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，在變速箱上安裝一撥叉用連在扶手上的撥桿來拉動(dòng)撥叉使其轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)齒輪移動(dòng)，從而分離齒輪斷開動(dòng)力傳動(dòng)，并通過左右兩個(gè)轉(zhuǎn)向離合器共同完成作業(yè)機(jī)的轉(zhuǎn)向。具體轉(zhuǎn)向過程在后面闡述。
2.4 安全裝置分析
自動(dòng)脫擋是變速器的主要故障之一。為解決此問題，除工藝上采取措施以外，目前在結(jié)構(gòu)上采取的有效措施有以下幾種方案：
1）將兩結(jié)合齒的嚙合位置錯(cuò)開，這樣在嚙合時(shí)，使結(jié)合齒端部超過被結(jié)合齒約1~3mm。使用中兩齒接觸部分受到擠壓同時(shí)磨損，并且在結(jié)合齒端部形成凸肩，可以用來阻止結(jié)合齒自動(dòng)脫擋。
2）將嚙合套齒座上的前齒圈的齒厚切薄（切下0.3~0.6mm），這樣，換擋后嚙合套的后端面便被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動(dòng)脫擋。
3）將接合齒的工作面加工成斜齒面，形成倒錐角（一般傾斜20~30），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫擋的軸向力，這種方案采用較多[2]。
3 變速器主要參數(shù)的選擇
本設(shè)計(jì)中可能用到的數(shù)據(jù)如下：
發(fā)動(dòng)機(jī)功率：
p=2.25 KW
轉(zhuǎn)速：
n=2600 r/min
工作輪直徑：
D=650mm
各擋工作速度：
3.1 擋數(shù)
為了降低油耗，目前，農(nóng)田作業(yè)機(jī)一般用3~6個(gè)擋位的變速器。本設(shè)計(jì)采用3擋手動(dòng)變速器，兩個(gè)前進(jìn)檔一個(gè)倒檔，并設(shè)置空擋。
3.2 傳動(dòng)比
（1）
由已知的條件計(jì)算出各擋轉(zhuǎn)速：
設(shè)計(jì)減速器的傳動(dòng)比為=1.97，則通過減速器的減速之后的各擋傳動(dòng)比
（2）
故各擋傳動(dòng)比分別為：
一檔
二檔
三檔
3.3 齒輪主要參數(shù)的選擇
3.3.1 齒數(shù)
在滿足傳動(dòng)比的條件下，應(yīng)盡量使變速箱小巧輕便，因此在有相互嚙合關(guān)系的兩個(gè)齒輪中應(yīng)把小齒輪的齒數(shù)盡量取小。但是，對(duì)于20°和=1的正常齒制標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪，當(dāng)用齒條刀具加工時(shí)，其最小齒數(shù)；若允許有根切，正常齒制標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪的最小齒數(shù)可取14。此處,為減小變速箱尺寸，1-2檔齒輪的最小齒數(shù)取，為了減少根切和加強(qiáng)齒輪傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度，變位系數(shù)盡量大。
3.3.2 模數(shù)
齒輪模數(shù)是一個(gè)重要的參數(shù)，并且影響它的選取因素又很多，如齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、噪聲、工藝要求等。應(yīng)該指出，選取齒輪模數(shù)時(shí)一般要遵循的原則是：
在滿足傳動(dòng)比的條件下，齒輪應(yīng)盡量小以減輕重量，但傳動(dòng)速度大的或者重要的傳動(dòng)齒輪需要選用較大模數(shù)，并且所選模數(shù)值應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB1357-1987的規(guī)定，見表1。
表1變速器常用的齒輪模數(shù)（摘自GB1357-1987）（mm）
Table1 The transmission?gear?modulus?(from?the?GB1357-1987) (mm)
第一系列 1.00 1.25 1.5 — 2.00 — 2.50 — 3.00 — — — 4.00
第二系列 — — — 1.75 — 2.25 — 2.75 — (3.25) 3.50 (3.75) —
3.3.3 壓力角和齒寬
本次設(shè)計(jì)均采用國家規(guī)定的壓力角標(biāo)準(zhǔn)值即20°。
在選擇齒寬時(shí)，應(yīng)注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)的受力均勻程度等均有影響。通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來選定齒寬，對(duì)直齒：，為齒寬系數(shù)，取4.5~8.0。本設(shè)計(jì)取齒寬系數(shù)為7.0。
3.3.4 齒高、齒頂高系數(shù)和徑向間隙系數(shù)
（3）
（4）
（5）
式中：
——為齒高；
——為齒頂高；
——為齒根高；
——為齒頂高系數(shù)；
——為徑向間隙系數(shù)。
國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正常齒，其齒頂高系數(shù)和徑向間隙系數(shù)分別為=1，=0.25[5]。
4 軸的設(shè)計(jì)及校核
4.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸的設(shè)計(jì)要求：
1）軸應(yīng)便于加工，軸上零件要易于拆裝；
2）軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置；
3）各零件要牢固而可靠地相對(duì)固定；
4）改善受力狀況，減小應(yīng)力集中。
本設(shè)計(jì)中取帶輪傳動(dòng)效率，齒輪傳動(dòng)效率。擬選軸的材料為40Cr。
初步計(jì)算軸的最小直徑
一軸（輸入軸）：
（6）
半軸：
（7）
現(xiàn)暫定各軸最小直徑分別為：
第一軸；
半軸。
4.2 第一軸和半軸的校核
4.2.1 強(qiáng)度校核
第一軸傳遞的功率：
（8）
（9）
作用在1-R檔齒輪上的圓周力，可以看出越小，齒輪所承受的圓周力就越大，因此選擇小齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核。受力示意圖如下圖2所示。
圖2一軸受力圖
Fig2 Stress of the first axis
分析可知，受力深溝球軸承的變速箱，箱體里面的軸基本上不承受軸向力，故在此忽略不計(jì)。在垂直面上，箱體對(duì)軸的支承反力
作用在皮帶輪上的外力，其中
（10）
故
力在兩軸支承點(diǎn)所產(chǎn)生的反力
F力產(chǎn)生的彎矩
分析可知，a-a截面屬于危險(xiǎn)截面，所以計(jì)算a-a截面的彎矩
考慮到最不利的情況，把與直接相加
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（按大齒輪計(jì)算）
（11）
危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩，a-a面最危險(xiǎn)
（12）
因?yàn)檩S的材料選用的是40Cr，調(diào)質(zhì)處理，查表可知，許用彎曲應(yīng)力
，則危險(xiǎn)截面處軸的最小直徑:
（13）
剛好符合要求，故第一軸從強(qiáng)度說是安全的。
半軸傳遞的功率：
（14）
由傳動(dòng)比可算出半軸在一檔時(shí)的轉(zhuǎn)速：
由于半軸由兩根半軸組成，故每根半軸只傳遞0.9kw的功率，則
作用在半軸齒輪上的圓周力：
式中：
——為軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
——為軸的抗扭截面系數(shù)，；
——為軸傳遞的功率，；
——為軸的轉(zhuǎn)速，；
——為軸材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，見表3；
——為與軸的材料有關(guān)的常數(shù)，見表2[3]。
表2軸常用材料的值和值
Table2 Commonly used shaftvalue andvalue
指 標(biāo) Q235,20 35 45 40Cr，35SiMn
/ 12～20 20～30 30～40 40～52
160～135 135～118 118～107 107～98
前面已計(jì)算出半軸的最小軸徑，故半軸從強(qiáng)度上說是安全的。
4.2.2 剛度校核
對(duì)于第一軸，因?yàn)樗惺芷л喓妄X輪的扭矩的作用，假設(shè)軸的扭轉(zhuǎn)角度不得超過1°為安全，根據(jù)公式[1]:
（15）
式中：
——為軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
——為軸瘦轉(zhuǎn)矩作用的長度，；
——為材料的切變模量，；
——為軸徑，；
——為軸截面的極慣性矩。
已知，，則可求得第一軸最小軸徑
<13mm
按照上述方法同樣可以得出半軸的最小軸徑
所以，從剛度上來說，半軸（圖3）和第一軸（圖4）也是安全的。
圖3 半軸
Fig3 half axis
圖4 第一軸
Fig4 primary shaft
4.3 其它軸的校核
由于轉(zhuǎn)向軸和倒檔軸屬于變速箱的中間傳動(dòng)軸，雖然既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩，但彎矩對(duì)其作用很小，在此可忽略不計(jì)。故可把它們看作只傳遞扭矩不承受彎矩的傳動(dòng)軸。對(duì)于只傳遞轉(zhuǎn)矩的圓截面軸，其強(qiáng)度條件為
（16）
式中：
——為軸的切應(yīng)力，；
——為軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
——為軸的抗扭截面系數(shù)，，對(duì)于圓截面軸；
——為軸傳遞的功率，；
——為軸的轉(zhuǎn)速，；
——為軸徑，；
——為軸材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。
對(duì)于倒檔軸
故
所以，倒檔軸安全。
按照上述方法同樣可得出轉(zhuǎn)向軸的切應(yīng)力。雖然此處的大于許用切應(yīng)力，但由于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向齒輪剛好處于1-2檔齒輪與半軸齒輪的中心線上，所以1-2檔齒對(duì)轉(zhuǎn)向軸的作用力與半軸齒對(duì)轉(zhuǎn)向軸的作用力可以抵消，因此，轉(zhuǎn)向軸也是安全的。
5 齒輪的設(shè)計(jì)及校核
5.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1.1 1-2檔齒輪和中央傳動(dòng)齒輪
如前所述，1-2檔小齒輪的齒數(shù)取，變位系數(shù)取。一檔大齒輪的齒數(shù)取，則一軸到二軸的傳動(dòng)比。由于一檔的傳動(dòng)比，所以可以確定從二軸到從動(dòng)軸的傳動(dòng)比。
5.1.2 從動(dòng)軸齒輪
前面的計(jì)算已確定從中央傳動(dòng)齒輪到從動(dòng)軸齒輪的傳動(dòng)比，為了匹配中央傳動(dòng)齒輪的齒頂圓直徑，盡量使從動(dòng)軸齒輪的齒頂圓直徑與之相近。從動(dòng)軸齒輪模數(shù)，中央傳動(dòng)齒輪的齒頂圓直徑。因此，初步確定從動(dòng)軸齒輪的齒數(shù)。從而，跟從動(dòng)軸齒輪有嚙合關(guān)系的轉(zhuǎn)向齒輪齒數(shù)也可初步確定，相應(yīng)地從動(dòng)軸齒輪的齒數(shù)修正為。
5.1.3 倒檔齒輪
倒檔齒輪是一個(gè)中間過渡齒輪，其齒數(shù)的多少不影響總傳動(dòng)比，因此暫取。由于倒檔齒輪是和一檔齒輪嚙合，所以取模數(shù)。
各擋齒輪主要參數(shù)如下表3所示。
表3各擋齒輪主要參數(shù)表
Table3 Each block gear main parameter table
齒 輪 齒數(shù)（） 模數(shù)（） 變位系數(shù) （）
17 2.5 0.85
12 2.5 0.85
77 2.5 0
82 2.5 0
10 3 0.896
69 3 0
15 2.5 0.34
5.2 齒輪的校核
5.2.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
根據(jù)齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算公式
（17）
式中：
——法向力；
——曲率半徑；
——傳動(dòng)比；
——綜合彈性模量。
對(duì)于半軸齒輪
一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的齒面接觸強(qiáng)度按下面公式計(jì)算
（18）
其中：
載荷系數(shù)，傳動(dòng)比，，，
故，可求得
按照上述方法，同樣可以計(jì)算出：
1-檔齒輪的接觸強(qiáng)度：
中央傳動(dòng)齒輪的接觸強(qiáng)度：
倒檔齒輪的接觸強(qiáng)度：
轉(zhuǎn)向齒輪是一個(gè)只有10個(gè)齒的高變位齒輪，為了方便校核，此處按正常齒進(jìn)行強(qiáng)度校核。齒寬按照外齒計(jì)算。由于轉(zhuǎn)向齒有兩個(gè)，而且從一軸傳遞過來的動(dòng)力在轉(zhuǎn)向軸除了分給兩個(gè)轉(zhuǎn)向齒輪外還有一個(gè)中央傳動(dòng)齒輪，所以轉(zhuǎn)矩取三分之一計(jì)算，即。則轉(zhuǎn)向齒輪的接觸強(qiáng)度 。
顯然，各齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度均符合要求。
5.2.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算公式
（19）
式中：
——為模數(shù)，；
——為齒形系數(shù)，；
——為應(yīng)力修正系數(shù)。
對(duì)于半軸齒輪，查表得，1.75，
代入數(shù)值計(jì)算得：
按照上述方法可依次算出：
1-2檔齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：
倒檔齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：
中央傳動(dòng)齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：
轉(zhuǎn)向齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：
因此，各擋齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度也符合要求。
6 軸承的選擇及壽命校核
6.1 軸承的選擇
軸承是一種支承旋轉(zhuǎn)軸的組件。根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)不同，分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，由于它具有摩擦力小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率消耗小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在機(jī)器、儀表等多種產(chǎn)品中。
滾動(dòng)軸承依靠其主要元件間的滾動(dòng)接觸來支承軸的，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦為滾動(dòng)摩擦。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小、易啟動(dòng)、效率高、潤滑和維護(hù)簡(jiǎn)便、易于互換、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、軸承組合結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、軸向結(jié)構(gòu)緊湊、不需用有色金屬、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而其缺點(diǎn)主要是抗沖擊能力較差、高速重載下壽命較低且振動(dòng)及噪音較大、徑向尺寸比滑動(dòng)軸承大[3]。
由于以上特點(diǎn)，因此滾動(dòng)軸承廣泛地用于中速、中載和一般工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器中。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的變速箱的特點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)軸承。由于半軸和其他軸的受力情況不一樣，故半軸選用推力球軸承，其他軸選用深溝球軸承。
6.2 軸承的壽命校核
軸承壽命計(jì)算公式
（20）
式中：
——為轉(zhuǎn)速，；
——為基本額定動(dòng)載荷，；
——為當(dāng)量動(dòng)載荷，，；
——為壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承[4]。
對(duì)半軸處的軸承進(jìn)行壽命校核
查表得
因?yàn)橐粰n時(shí)的載荷最大，故按一檔時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行壽命計(jì)算，得
以上是只轉(zhuǎn)向工作時(shí)半軸軸承的工作壽命。當(dāng)按照直線行駛時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行壽命計(jì)算時(shí)
按照上述方法，同樣可計(jì)算出：一軸處軸承的使用壽命
轉(zhuǎn)向軸處軸承的使用壽命
由于農(nóng)田作業(yè)機(jī)是季節(jié)性的工作，所以軸承的使用壽命均符合要求。
7 鍵的選擇及強(qiáng)度校核
7.1 鍵的選擇
鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，主要用于實(shí)現(xiàn)軸和軸上零件之間的軸向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵聯(lián)接的主要類型有平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。平鍵聯(lián)接的特點(diǎn)是靠側(cè)面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩，鍵的兩側(cè)面的工作面，鍵的上表面和轂槽底面間留有間隙。平鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)中良好、拆裝方便、加工容易。根據(jù)用途的不同，平鍵分為普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵。故本設(shè)計(jì)中的鍵聯(lián)接選用平鍵聯(lián)接，安裝在半軸。平鍵聯(lián)接中普通平鍵用于靜聯(lián)接。而半軸處的鍵聯(lián)接屬于靜聯(lián)接，故用普通平鍵聯(lián)接。
7.2 強(qiáng)度校核
平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，其主要失效形式時(shí)工作面唄壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。靜聯(lián)接按照下面的公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：
（21）
將代入上式，得
齒面經(jīng)過了熱處理，查表可取
顯然，半軸的普通平鍵符合要求。
8 結(jié)論
通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，感覺自己的專業(yè)水平有了很大程度的提高，雖然設(shè)計(jì)過程坎坷而艱辛，但收獲的喜悅讓一切的沒有白費(fèi)。本次設(shè)計(jì)的變速箱可以滿足不同工況的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)和維修，價(jià)格低廉。在設(shè)計(jì)中采用了兩擋（兩個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔）手動(dòng)變速器，通過較大的變速器傳動(dòng)比變化范圍，可以滿足農(nóng)田作業(yè)機(jī)在不同的工況下的要求。牙嵌式轉(zhuǎn)向離合器的使用使作業(yè)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。縱觀本次設(shè)計(jì)，基本上達(dá)到了老師的要求。
這次的設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一次綜合性檢驗(yàn)，在運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)我也鞏固和學(xué)習(xí)了更多的知識(shí)，同時(shí)也使我對(duì)自己、對(duì)未來更加充滿了信心。也讓我更好的了解了本專業(yè)的特色對(duì)即將進(jìn)入工作崗位有了更多的信心和自信。
完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，心情也頓時(shí)開朗了許多，感覺自己的設(shè)計(jì)是一件偉大的發(fā)明，雖然設(shè)計(jì)中依然存在瑕疵，但我相信，通過不斷的修改，不斷的發(fā)揮創(chuàng)造力，使其中的問題迎刃而解，自己在本次設(shè)計(jì)過程中的提高是有目共睹的。同時(shí)在這次的設(shè)計(jì)中也讓我學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)精神，光靠一個(gè)人來完成確實(shí)很難，如果有好的伙伴和好的導(dǎo)師哪就是成功的一半，四年一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的時(shí)候，也讓我想起去年的課程設(shè)計(jì)，感覺比課程設(shè)計(jì)難了很多，并且要求的比較高，在畫圖的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)了其中的不同，但不論結(jié)果如何，我都對(duì)我自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)感到滿意，非常的滿意。
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致 謝
本設(shè)計(jì)是在李軍政老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。
經(jīng)過兩個(gè)多月的奮戰(zhàn)，終于把畢業(yè)設(shè)計(jì)全部完成了。這兩個(gè)月為畢業(yè)設(shè)計(jì)真的付出了很多，所以雖然我的畢業(yè)生設(shè)計(jì)還有很多不足之處，但對(duì)我來說卻如掌上明珠般珍貴。這次的設(shè)計(jì)對(duì)我來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，更是一次難得的溫故知新的機(jī)會(huì)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)初期，由于設(shè)計(jì)思路的問題而走了很多彎路，做了很多的無用功，內(nèi)心也非常焦慮，多虧有李老師的細(xì)心指導(dǎo)，才最終確定了正確的設(shè)計(jì)思路，一步步排疑解難進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不但鞏固了我以前所學(xué)的知識(shí)如材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、汽車構(gòu)造、機(jī)械制圖等，并且讓我接觸到了很多新的課程，如農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)、汽車拖拉機(jī)學(xué)等。雖然在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到很多困難，但在做的過程中我真正掌握和領(lǐng)會(huì)了各項(xiàng)知識(shí)。面對(duì)問題仔細(xì)分析，查閱各方文件資料，也得到老師和同學(xué)的幫助。在這次設(shè)計(jì)過程中，指導(dǎo)老師李軍政一直都關(guān)注著我進(jìn)展，給了我很多建議和幫助，同時(shí)他對(duì)我的設(shè)計(jì)的認(rèn)可也倍增了我的自信心，使我在之后的設(shè)計(jì)中越來越順利。在此，我對(duì)李老師表示真心的感謝。
最后也非常感謝工學(xué)院各位老師的指導(dǎo)和幫助，同時(shí)也感謝關(guān)心和幫助過我的同學(xué)們，讓我大學(xué)四年獲益匪淺。在畢業(yè)之際，再次感謝工學(xué)院的各位老師和領(lǐng)導(dǎo)，感謝所有為我們的學(xué)習(xí)和進(jìn)步提供過無私幫助的人，讓我從一個(gè)迷茫的大一新生成長成一個(gè)對(duì)未來充滿信心的畢業(yè)生。未來還有很長的路要走，雖然即將離開學(xué)校，但是“活到老，學(xué)到老”的精神我會(huì)依然銘記在心，在未來的道路上繼續(xù)努力提升自己，奮勇前行，成就自我。
19