1、 四川大学大学生科研训练计划 结题论文论文名称：基于 EXCE 的机械设计计算程序研制开发 论文负责人： 周纯阳 所在学院： 制造科学与工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师 ： 张春蕾 四川大学教务处目 录第一章 绪论1第二章 基于 EXCEL的机械设计计算程序综述12.1 excel2003介绍12.2 Excel在机械设计计算中的优势22.3 机械设计计算的主要内容2第三章 EXCEL研究的主要方法23.1 EXCEL相关函数用法介绍33.2 excel在本设计中的一些技巧63.2.1精度计算63.2.2三角函数转换73.2.3条件判断7第四章 直齿圆柱齿轮计算程序设计84.
2、1 直齿圆柱齿轮计算步骤84.1.1. 齿面接触疲劳强度计算84.1.2. 齿根弯曲疲劳强度计算94.2 直齿圆柱齿轮计算的 excel设计9第五章 V带传动设计计算程序135.1 v带传动简述135.2 v带设计的计算基础 135.3 v带设计计算程序13第六章 蜗杆蜗轮设计计算156.1 蜗杆蜗轮传动简述166.2 蜗杆蜗轮的计算基础166.3 蜗杆蜗轮设计计算程序16第七章 其他设计计算程序197.1链轮设计计算程序197.1.1链轮传动简述197.1.2链接设计计算程序207.2.1轴简述217.2.2轴的设计计217.3 连接强度校核227.3.1连接强度简述227.3.2花键连接强
3、度校核程序22第八章 结语24- - 1 - -第一章 绪论Excel是办公室自动化中非常重要的一款软件，很多巨型国际企业都是依靠 Excel进行数据管理。它不仅仅能够方便的处理表格和进行图形分析，其更强大的功能体现在对数据的自动处理和计算。机械设计工程中有大量的计算公式和计算程序，目前在应用过程中通常是进行手动计算或者在一些辅助设计软件中进行辅助计算。存在着效率低，没有统一输出格式的缺陷。第二章 基于 EXCEL的机械设计计算程序综述2.1 excel2003介绍能提供输入数值、文字、公式等资料，迅速产生计算结果，并可产生各种统计、分析报表或统计图形等的计算操作软件，就可以称为电子表格。在
4、PC机上的 windows操作系统中比较出门的电子表格软件有excel，Lotus123、Quattro pro 等。Lotus 123 是早期最热门的电子表格软件，于 1983年发布，可以说是启动了 IBM PC的计算革命，它大幅改善了使用人工计算容易发生错误的问题，同时提升工作效率。Microsoft Excel是 Microsoft office的 组件之一，是由 Microsoft为Windows和 Apple Macintosh操作系统的电脑而编写和运行的一款试算表软件。直观的界面、出色的计算功能和图表工具，再加上成功的市场营销，使 Excel成为最流行 的微机数据处理软件。在 19
5、93年，作为 Microsoft Office的组件发布了 5.0版之后，Excel 就开始成为所适用操作平台上的电子制表软件的霸主。第一款适用于 Windows系统的 Excel也产生了（与 Windows 环境直接捆绑，在 Mac中的版本号为 2.0）。Lotus1-2-3 迟迟不能适用于 Windows系统，到了1988年，Excel 的销量 超过了 1-2-3，使得 Microsoft站在了 PC软件商的领先位置。这次的事件，促成了软件王国霸主的更替，Microsoft 巩固了它强有力的竞争 者地位，并从中找到了发展图形软件的方向。此后大约每两年，Microsoft就会推出新的版本来扩
6、大自身的优势，目前 Excel的最新版本为11，也被 称作 Microsofot Office Excel 2003。早期，由于和另一家公司出售的名为 Excel的软件同名，Excel 曾成为了商标法的目标，经过审 判，Microsoft 被要求在它的正式文件和法律文档中以Microsoft Excel来命名这个软件。但是，随着时间的过去，这个惯例也就逐渐消逝了。 Excel 虽然提供了大量的用户界面特性，但它仍然保留了第一款电- - 2 - -子制表软件 VisiCalc的特性：行、列组成单元格，数据、与数据相关的公式或者对其 他单元格的绝对引用保存在单元格中。Excel是第一款允许用户自定
7、义界面的电子制表软件（包括字体、文字属性和单元格格式）。它还引进 了“智能重算“的功能，当单元格数据变动时，只有与之相关的数据才会更新，而原先的制表软件只能重算全部数据或者等待下一个指令。同时，Excel 还有强 大的图形功能。 Excel 2003使您能够通过功能强大的工具将杂乱的数据组织成有用的信息，然后分析、交流和共享所得到的结果。它能帮助您在团队中工作的更为出色，并能保护和控 制对您工作的访问。另外，您还可以使用符合行业标准的扩展标记语言（XML） ，更方便地连接到业务程序。2.2 Excel在机械设计计算中的优势机械设计人员在机械设计过程中，需要进行大量的设计计算，有些计算由于计算结
8、果不满足要求还需反复进行。机械设计计算占用了工程技术人员的大量时间和精力。在计算机广泛应用的今天，我们可以利用计算机来完成大量的计算工作， 减轻工程技术人员的工作强度。我们可以用高级语言编写程序来完成这些设计计算工作。但是，这需要工程技术人员具备一定的编写程序的能力，否则无法用此方法解决机械设计计算问题。而且用高级语言编写的程序也存在一些不足之处: 计算结果不能用中文输出； 不懂高级语言的人，无法对计算结果的正确性进行审查； 不能把设计公式和设计计算说明书结合在一块打印输出。当需要时，还需要另外撰写。而使用 E x c e l 程序，简便、快捷的完成了机械设计计算，而且克服了上述存在的问题。2
9、.3 机械设计计算的主要内容本项目拟通过 excel电子表格强大的计算功能对常见的机械传动机构进行设计校核。其中包括齿轮传动设计、链传动设计、带传动设计、蜗杆涡轮设计、轴与轴承设计以及连接强度校核等。在各种传动设计中，将选取其最为普遍的传动形式进行设计，在齿轮传动中将选用直齿圆柱齿轮作为研究对象进行设计；在带传动设计中，选用 V带作为研究对象进行设计。第三章 EXCEL研究的主要方法- - 3 - -3.1 EXCEL 相关函数用法介绍(1).AND函数函数名称：AND主要功能：返回逻辑值，如果所有参数值均为逻辑“真(TRUE)“，则返回逻辑“真(TRUE)“，反之返回逻辑“假(FALSE)“
10、。使用格式：AND(logical1,logical2, .)参数说明：Logical1,Logical2,Logical3：表示待测试的条件值或表达式,最多这 30个.应用举例：在 C5单元格输入公式：=AND(A5=60,B5=60)，确认。如果 C5中返回 TRUE,说明 A5和 B5中的数值均大于等于 60,如果返回 FALSE,说明 A5和B5中的数值至少有一个小于 60。特别提醒：如果指定的逻辑条件参数中包含非逻辑值时,则函数返回错误值“#VALUE!“或“#NAME“。(2). CONCATENATE 函数函数名称：CONCATENATE主要功能：将多个字符文本或单元格中的数据连
11、接在一起,显示在一个单元格中。使用格式：CONCATENATE(Text1,Text)参数说明：Text1、Text2为需要连接的字符文本或引用的单元格。应用举例：在 C14单元格中输入公式：=CONCATENATE(A14,“,B14,“.com“)，确认后，即可将 A14单元格中字符、 B14单元格中的字符和.com 连接成一个整体，显示在 C14单元格中。特别提醒：如果参数不是引用的单元格，且为文本格式的，请给参数加上 英文状态下的双引号，如果将上述公式改为：=A14Value_if_true 表示当判断条件为逻辑“真(TRUE)“时的显示内容，如果忽略返回“TRUE“;Value_if
12、_false 表示当判 断条件为逻辑“假(FALSE)“时的显示内容，如果忽略返回“FALSE“。应用举例：在 C29单元格中输入公式：=IF(C26=18,“符合要求“,“不- - 4 - -符合要求“)，确信以后，如果 C26单元格中的数值大于或等于 18，则 C29单元格显示“符合要求“字样，反之显示“不 符合要求“字样。特别提醒：本文中类似“在 C29单元格中输入公式“中指定的单元格，读者在使用时，并不需要受其约束，此处只是配合本文所附的实例需要而给出的相应单元格，具体请大家参考所附的实例文件。(4). ACOS用途：返回以弧度表示的参数的反余弦值，范围是 0。语法：ACOS(numb
13、er)参数：number 是某一角度的余弦值，大小在-11 之间。实例：如果 A1=0.5，则公式“=ACOS(A1)“返回 1.047197551(即 /3 弧度，也就是 600);而公式 “=ACOS(-0.5)*180/PI()“返回 120。(5).ASIN用途：返回参数的反正弦值。语法：ASIN(number)参数：Number 为某一角度的正弦值，其大小介于-11 之间。实例：如果 A1=-0.5，则公式“=ASIN(A1)“返回-0.5236(-/6 弧度);而公式“=ASIN(A1)*180 /PI()“返回-300。(6).ATAN用途：返回参数的反正切值。返回的数值以弧度表
14、示，大小在-/2/2之间。语法：ATAN(number)参数：number 为某一角度的正切值。如果要用度表示返回的反正切值，需将结果乘以 180/PI()。实例：公式“=ATAN(1)“返回 0.785398(/4 弧度);=ATAN(1)*180/PI()返回450。(7).CEILING用途：将参数 Number沿绝对值增大的方向，返回一个最接近的整数或基数significance的最小倍数。语法：CEILING(number，significance)参数：number 为待返回的数值，Significance 为待返回的最小倍数。注意：无论 number的正负如何，都是按远离 0点的
15、方向返回结果。如果number是 Significance的倍数，则返回的数值是其自 身。实例：如果 A1=3.1416，则公式“=CEILING(A1,1)“返回的结果是4;=CEILING(-2.5,-2)返回的结果为 4。- - 5 - -(8).COS用途：返回某一角度的余弦值。语法：COS(number)参数：number 为需要求余弦值的一个角度，必须用弧度表示。如果 number的单位是度，可以乘以 PI()/180转换为弧度。实例：如果 A1=1，则公式“=COS(A1)“返回 0.540302;若 A2=60，则公式“=COS(A2*PI()/180)“返回 0.5。(9).
16、DEGREES用途：将弧度转换为度。语法：DEGREES(angle)参数：angle 是采用弧度单位的一个角度。实例：公式“=DEGREES(1)返回 57.29577951“，=DEGREES(PI()/3)返回 60。(10).PI用途：返回圆周率 ，精确到小数点后 14位。语法：PI()参数：不需要实例：公式“=PI()“返回 3.14159265358979。(11).POWER用途：返回给定数字的乘幂。语法：POWER(number，power)参数：其中 Number为底数，Power 为指数，均可以为任意实数。注意：可以用“运算符代替 POWER函数执行乘幂运算，例如公式“=5
17、2“与“=POWER(5,2)“等价。实例：如果 A1=25.37，则公式“=POWER(A1,7)“返回6764617901;=POWER(4,5/4)返回 5.656854。(12).RADIANS用途：将一个表示角度的数值或参数转换为弧度。语法：RADIANS(angle)参数：Angle 为需要转换成弧度的角度。实例：如果 A1=90，则公式“=RADIANS(A1)“返回 1.57,=RADIANS(360)返回6.28(均取两位小数)。(13).ROUND用途：按指定位数四舍五入某个数字。语法：ROUND(number，num_digits)- - 6 - -参数：Number 是
18、需要四舍五入的数字;Num_digits 为指定的位数，Number按此位数进行处理。注意：如果 num_digits大于 0，则四舍五入到指定的小数位;如果num_digits等于 0，则四舍五入到最接近的整数;如果 num_digits小于 0，则在小数点左侧按指定位数四舍五入。实例：如果 A1=65.25，则公式“=ROUND(A1,1)“返回 65.3;=ROUND(82.149,2)返回 82.15;=ROUND(21.5,-1)返回 20。(14).SIN用途：返回某一角度的正弦值。语法：SIN(number)参数：Number 是待求正弦值的一个角度(采用弧度单位)，如果它的单位
19、是度，则必须乘以 PI()/180转换为弧度。实例：如果 A1=60，则公式“=SIN(A1*PI()/180)“返回 0.866，即 60度角的正弦值。(15).TAN用途：返回某一角度的正切值。语法：TAN(number)参数：Number 为需要求正切的角度，以弧度表示。如果参数的单位是度，可以乘以 P1()/180转换为弧度。实例:如果 A1=60，则公式“=TAN(A1*PI()/180)“返回 1.732050808;TAN(1)返回 1.557407725。3.2excel在本设计中的一些技巧3.2.1 精度计算在 excel的程序设计中，通常会需要对计算精度进行控制，在整个设计
20、中可以对全局进行精度设置，并且在计算中进行调用，如图 3.1，图 3.2所示。- - 7 - -图 3.1 预设计算精度图 3.2 使用预设精度进行计算示例在图 3.1中设置的计算精度为 1，其意义为计算到小数点后一位。大带轮转速 n2的计算公式为式 3.1。D2=(1-)D 1n1/n2 （式 3.1）3.2.2 三角函数转换在计算公式中使用 excel函数 round，具体计算公式为式 3.2。M3 所代表的单元格即为图 3.1中计算精度的预设值。= ROUND(1-M5)*G7*O6/G9,M3) （式 3.2） Excel提供了三角函数的计算功能，但是 excel中 sin，cos，t
21、an 等函数的参数，均采用弧度计算，而反三角函数计算结果也采用弧度值。因此，通常需要在计算时对参数进行换算，角度换算到弧度，弧度换算到角度。具体的即通过函数嵌套的功能，使用 radians、degrees 函数进行嵌套使用，如图 3.3所示：图 3.3 radians、degrees 函数使用示例3.2.3 条件判断在直齿齿轮传动计算中，会需要用到条件判断，从而调用不同的字符显示不同的公式与结果。如图 3.4所示- - 8 - -图 3.4 条件判断示例通过输入不同的字符，excel 函数通过判断字符，来调用不同的显示字符和计算公式。从而达到条件判别计算的目的。其具体公式应用如图 3.5所示。
22、图 3.5 条件判断公式示意在条件判断过程中，通过隐藏部分 excel的部分行，使外观和谐。使用exact字符串比较函数，完全匹配字符之后调用相关字符，而不是使用 if函数简单判断。第四章 直齿圆柱齿轮计算程序设计4.1 直齿圆柱齿轮计算步骤直齿圆柱齿轮的计算可以分为齿面接触疲劳强度计算、齿根弯曲疲劳强度计算及验算等。4.1.1. 齿面接触疲劳强度计算在预定使用期限内，齿面不产生疲劳点蚀的强度条件为（式 4.1）：（式 4.1）HHEbF)1(2一对齿轮啮合时，恰可将齿廓啮合点的曲率半径 1和 2视为接触圆柱- - 9 - -体的半径。接触疲劳强度计算通常以节点为计算点。式 4.1中的 F为圆
23、柱体上的压力，用于齿轮应为法向力 Fn；b 为圆柱体接触长度，用于齿轮则为齿轮官渡 b，由于端面重合度 总是大于 1，故 b应代以接触线总长度 L。则齿面接触皮疲劳强度计算的校核公式和设计公式分别为式 4.2和式 4.3式 4.2HHEudKTZ21式 4.33 211 )(Ed此公式对于标准齿轮传动和变位齿轮传动均适用。式中“+”号用于外啮合， “-”号用于内啮合。许用应力 H应以两齿轮中小者代入计算。从校核公式和设计公式可以知道，齿轮传动的接触疲劳强度取决于齿轮的直径（或中心距） 。4.1.2. 齿根弯曲疲劳强度计算由于轮缘刚度很大，故轮齿可看作是宽度 b的悬臂梁。因此，齿根处为危险截面，
24、它可用 30切法线确定：作与轮齿对称中线成 30角并与齿根过渡曲线相切的切线，通过两切点平行于齿轮轴线的截面，即齿根危险截面。一般假设全部载荷作用于只有一对齿啮合时的齿顶进行分析，另用重合 度系数 Y 对齿根弯曲应力予以修正。沿啮合线方向作用于齿顶的方向力 Fn可分解为相互垂直的两个分力：Fncos F和 Fnsin F。前者使齿根产生弯曲应力 b和切应力 ，后者使齿根产生压缩应力 e。弯曲应力起主要作用，其余影响很小，为简化计算，在应力修正系数 YSa中考虑。轮齿长期工作之后，受侧拉先产生疲劳裂纹，因此齿根弯曲疲劳强度计算应以受拉侧为计算依据。则齿根的最大弯曲的强度公式为式 4.4，设计公式
25、为式 4.5式 4.4FSaFtSaFF YbmKbdT12式 4.5321YzmSaFd4.2 直齿圆柱齿轮计算的 excel设计（1）首先进入 Excel2003,单击“文件”菜单中的“另存为”命令,改“文件名”为“直齿圆柱齿轮计算”即建立了一个专用的空白电子表格。- - 10 - -（2）先选单元格 A1至 H1,单击“格式”“单元格”“对齐”,选“合并单元格”选项,然后在合并后的单元格中输入“直齿圆柱齿轮计算工具”,并调整字体的大小如图 4-1所示。图 4.1 单元表表头示例（3）在 A2,D2,H2上分别输入：计算项目，计算内容，计算结果。用来提示输入项目。（4）在 A3处输入“齿面
26、接触疲劳强度计算” ，并加粗，表示直齿圆柱齿轮计算的第一部分开始。（5）在 A4:H12处输入齿面接触疲劳强度初步计算的相关内容，如图 4.2所示。图 4.2 初步计算计算公式输入分别在 H5:H16处输入，其公式从上到下分别如表 4.1所示。T1= ROUND(9.55*106*K4/L5,K3) d= 图表!B18 Hlim1= 图表!B47 Hlim2= 图表!D47 H1= ROUND(0.9*H7,K3) H2= ROUND(0.9*H8,K3)Ad= 图表!$B$88d1=b= H6*H12表 4.1 初步计算相关公式其中 d1处需要自己输入，因此图 4.2中此处的背景色与其他地方
27、颜色不同。齿宽系数，接触疲劳极限及 Ad值，需要查表，为了减轻计算强度，将表图同样设置在 excel文件中。在 excel页面中新建图表页面，复制相关图表。在- - 11 - -excel计算主界面下做如下设置：计算内容一格中由“图 xx”， “由表 xx”得，做超级链接，链接到相关图表上。相关图表上做超级链接回到主计算界面。在图表处，提供数据填写表格，当查表、查图查得的数据填写后，主计算界面即可实时调用该数据。此方法利用了 excel的引用功能。式 4.6即为图表引用公式示例。 d=图表!B18 式 4.6在单元格中输入“=图表!B18”,“=”表示进行公式计算，“图表!B18”为“图表”工
28、作表的 B18单元格，此命令的意思是当前单元格的值引用为“图表”工作表的 B18单元格的值。（6）在 A15:H58处输入齿面接触疲劳强度计算的校核计算。如图 4.3所示：图 4.3 齿面接触疲劳强度校核计算在表格上可以使用其他颜色对计算内容做出提醒，例如对于应力循环次数的估计可以使用红色字体进行提醒。（7）A66:H65 为齿根疲劳强度校核计算，如图 4.4所示- - 12 - -图 4.4 齿根弯曲疲劳强度验算（8）在设计过程中需要对一些数据进行预设，如图 4.5所示：图 4.5 预设值这个表是在直齿圆柱齿轮计算表格外的一个表格，用于输入齿轮必备的一些参数，比如名义功率、小齿轮转速、大齿轮
29、转速、传动比、大小齿轮材料、大小齿轮硬度、啮合方式、工作时间等。大小齿轮转速及传动比，只需要三者填写其中两个。三个表格之间使用循环连接的方式来自动判断未填的参数和计算第三个参数。其只用函数如表 4.2所示：- - 13 - -小齿轮转速n1= 1000 =IF(J9=0,K10*K11,J9) 大齿轮转速n2= =IF(J10=0,K9/K11,J10) 传动比 i= 3 =IF(J11=0,K9/K10,J11) 表 4.2 参数的循环连接第五章 V带传动设计计算程序5.1v带传动简述带传动是在两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳元件传递运动和动力。带传动中应用最广是带传动，在同样的张紧力下，
30、带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。V 带可分类为普通 V带、窄 V带、宽 V带。普通 V带，其楔角为 40，相对高度（h/bp）约为 0.7，共有 Y、Z、A、B、C、D、E 七种型号。窄 V带的相对高度（h/bp）约为 0.9，共有 SPZ、SPA、SPB、SPC 四种型号。V带主要是利用楔形增压原理使得在相同的张紧力下能比平型带产生更大的摩擦力，在相同条件下，V 带传动所能传递的功率比平型带传动大。在传递相同功率时，V 带传动的结构尺寸更紧凑。 5.2v带设计的计算基础带传动总带呈环形，并以一定的拉力 F0套在一对带轮上，使带和带轮相互压紧。带传动不工作时，带两边的拉力相等，均为 F0；
31、工作时，由于带与轮面间的摩擦力使其一边拉力加大到 F1，称为紧边拉力，另一边减小到 F2，称为松边拉力。两者之差 F=F1-F2即为带的有效拉力，它等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总和。在一定条件下，摩擦力有一极限值，如果工作阻力超过了极限值，带就在轮面上打滑，传动不能正常工作。5.3v带设计计算程序- - 14 - -图 5.1 v带设计计算程序流程V带设计计算的流程如图 5.1所示。（1）首先需要确定 v带的计算功率，工况系数与额定功率的乘积即为 v带的计算功率。根据已知的小带轮转速及计算功率选择带型号。确定 v带大小带轮的基本直径。验算大带轮转速是否满足条件，若不满足条件则返回重新确定带轮直
32、径。Excel 计算表格如图 5.2所示。图 5.2 确定 v带型号及带轮直径在确定 v带型号和带轮直径的这部分 excel计算表格中，大带轮直径往往不是一个标准整数值，需要计算人员根据计算标准，选取一个合适整数值。大带轮转速计算后同 v带的大带轮转速设计比较。（2）其次确定中心距 a及带长 Ld，根据式 5.1确定中心距取值范围，并初取中心距。2(D1+D2)a0.55(D 1+D2)+h 式 5.1然后根据式 5.2计算带长,L=D m+2a+ 2/a 式 5.2- - 15 - -然后查表选取 V带的基准长度 Ld。本部分的 excel表格见图 5.3图 5.3 初取中心距及确定带长（3
33、）根据公式确定中心距并验算包角大小。根据式 5.3确定中心距，然后由式 5.4确定包角 1是否大于 120。a=(L-D m)+(2000-D m)2-8 2)/4 式 5.3 1=180-（D 2-D1)/a*60 式 5.4本部分 excel计算表如图 5.4所示。图 5.4 确定中心距及包角验算（4）计算 v带根数及计算张紧力。查相关表格确定单根 v带所能传递的功率 P0,包角系数 k ，长度系数 KL，单根 v带传送的功率增量 P。v 带根数计算公式如式 5.5所示。v 带根数的计算结果必须要小于 10-14，否则重新确定 v带小轮直径。张紧力计算公式为式 5.6。之后根据张紧力计算结
34、果可计算轴上载荷如式 5.7。Z=Pc/(P+P 0)*k *KL) 式 5.5F0=500Pc=(2.5-k )/k )/vz+qv2 式 5.6FQ=2zF0sin( 1/2) 式 5.7本部分 excel如图 5.5所示。图 5.5 带根数计算第六章 蜗杆蜗轮设计计算- - 16 - -6.1蜗杆蜗轮传动简述蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为 90。这种传动由于具有结构紧凑、传动比大、传动平稳以 及在一定的条件下具有可靠的自锁性等优点，它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械及其它机器或设备中。蜗杆蜗轮传动是由交错轴斜齿圆
35、柱齿轮传动演变而来的。小齿轮的每个轮齿可在分度圆柱面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮称 为蜗轮。为了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样齿廓间为线接 触，可传递较大的动力。蜗杆传动是啮合传动，它在中间平面中，蜗轮与蜗杆的啮合，相当于斜齿轮与直齿条相啮合。因此，在受力分析、失效形式及强度计算等方面，它与齿轮传动有许多相似之处。就蜗杆而言，又与螺杆有相似之处，蜗杆齿为连续不断的螺旋齿轮，故传动平稳、噪声低，并可在一定条件下实现自锁。但由于在啮合处存在相当大的滑动，因而其失效形式主要是胶合、
36、磨损与点蚀，且传动效率较低。所以在材料与参数选择、设计准则及热平衡计算等方面又独具特色。由于效率较低，故不适合于大功率和长期连续工作的场合。6.2 蜗杆蜗轮的计算基础蜗杆以右旋蜗杆为主动件，并沿顺时针的方向旋转时，蜗杆螺旋面上的受力情况。设 Fn为 集中作用于节点 P 处的法向载荷，它作用于法向截面 Pabc 内。Fn可 分解为三个互相垂直的分力，即圆周力 Ft、径向力 Fr和轴向力 Fa。 显然，在蜗杆与蜗轮间，载荷 Ft1 与 Fa2、F r1与 Fr2和 Fa1 与 Ft2 对大小相等、方向相反的力。蜗杆传动的强度计算主要为齿面接触疲劳强度计算和轮齿弯曲疲劳强度计算。对于闭式传动，传动尺
37、寸主要取决于齿面的接触疲劳强度以防止齿面的点蚀和胶合，但须校核轮齿的弯曲疲劳强度。对于开式传动，传动尺寸主要取决于轮齿的弯曲疲劳强度，毋须进行齿面接触疲劳强度计算。6.3 蜗杆蜗轮设计计算程序蜗杆传计算大概可以分为初选d1/a 值、中心距计算、传动基本尺寸、齿面接触疲劳强度计算、轮齿弯曲疲劳强度验算、蜗杆轴挠度验算、温度计算、润滑油粘度和润滑方法等 8 个步骤。- - 17 - -（1） 初选d 1/a值查表选择当量摩擦系数，然后选取d 1/a，本部分的 excel 如图所示：图 6.1 初选d 1/a值（2） 中心距计算由蜗杆输入功率及转速根据式 6.1 计算蜗轮转矩 T2，后查表可得动载系
38、数KA，同时可有蜗轮转速 n2，如式 6.2 求的转速系数 Zn。T2=T1i1=9.55106P1i1/n1 式 6.1Zn=(n2/8+1)-1/8 式 6.2查表可得弹性系数、接触系数、接触疲劳极限，根据工作时间由式 6.3可得寿命系数，根据整个系统需要自定接触疲劳最小安全系数，根据上述查的参数，由式 6.4可计算出蜗杆传动中心距。Zh=6(2500/L h) 式 6.3a=3K AT2(ZEZ SHmin/(ZnZB Hlim)2 式 6.4本部分 excel如图 6.2所示。图 6.2 中心距计算（3） 传动基本尺寸由变位系数 查表可得蜗杆头数 Z1，从而由传动比与蜗杆头数乘积可得蜗
39、轮齿数 Z2，模数一般为中心距与蜗轮齿数的 1.4到 1.7倍，查表取标准值。蜗杆的分度圆直径为d 1/a与中心距之积，查表取标准值。模数与蜗轮齿数相乘可得蜗轮分度圆直径。蜗杆导程角可由式 6.4 求得。由其他参数根据式 6.5 可求的蜗轮宽度。tan=z 1m/d1 式 6.4b2=2m(0.5+ (d1/m+1) 式 6.5蜗杆圆周速度、相对滑动速度均可由式 6.6、式 6.7分别求得：- - 18 - -v1=d 1n1/(60x1000) 式 6.6vs=v1/cos 式 6.7本部分 excel见图 6.3图 6.3 传动基本尺寸（4） 齿面接触疲劳强度验算及轮齿疲劳强度验算由转速系
40、数、寿命系数、接触疲劳极限、接触疲劳最小安全系数可得求得许用接触应力，如式 6.8。从而根据式 6.9可求的最大接触应力。 H=ZnZh Hlim/SHmin 式 6.8 H=ZEZ (KAT2/a3) 式 6.9查表可得齿根弯曲疲劳极限，根据系统实际自定弯曲疲劳最小安全系数，由式 6.10可求的许用弯曲疲劳应力，根据蜗轮基本参数及式 6.11可求的轮齿最大弯曲应力。 F= Flim/SFlim 式 6.10 F=2KAT2/mb2d2 式 6.11本部分 excel如图 6.4所示：图 6.4 齿面接触疲劳强度验算及轮齿弯曲疲劳强度验算（5） 蜗杆轴挠度验算首先根据力学公式求得蜗杆轴惯性矩，
41、如式 6.12，同时可求的允许蜗杆挠度，由材料力学公式可求得蜗杆轴挠度，如式 6.13。I=d 41/64 式 6.12- - 19 - -=F t2l3 tan 2t+tan 2(+ v)/(48EI) 式 6.13本部分 excel如图 6.5所示图 6.5 蜗杆轴挠度计算（6） 温度计算、润滑油粘度和润滑方法自定搅油效率及轴承效率，根据式 6.14可得传动啮合效率，三种效率相乘可求的总效率。对散热面积进行估算，由式 6.15可求得箱体工作温度，从而确定润滑方式和通风条件。 1=tan/tan(+ v) 式 6.14t1=1000P1(1-)/ wA+t0 式 6.15本部分 excel如
42、图 6.6所示：图 6.6温度计算、润滑油粘度和润滑方法第七章 其他设计计算程序7.1链轮设计计算程序7.1.1 链轮传动简述链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，以链作中间挠性件，靠链与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。在链传动中，按链条结构的不同主要有滚子链传动和齿形链传动两种类型：滚子链的结构由内链板、外链板、销轴、套筒和滚子组成。链传动工作时，套筒上的滚子沿链轮齿廓滚动，可以减轻链和链轮轮齿的磨 损。把一根以上的单列链并列、用长销轴联接起来的链称为多排链。链的排数愈多，承载能力愈高，但链的制造与安装精度要求也愈高，且愈难使 各排链受力均匀，将大大降低多排链的使
43、用寿命，故排数不宜超过 4 排。当传动功率较大时，可采用两根或两根以上的双排链或三排链。为了形成- - 20 - -链节首尾相接的环形链条，要用接头加以连接。当链节数为偶数时采用连接链节，其形状与链节相同，接头处用钢丝锁销或 弹簧卡片等止锁件将销轴与连接链板固定；当链节数为奇数时，则必须加一个过渡链节。过渡链节的链板在工作时受有附加弯矩，故应尽量避免采用奇数链节。链条相邻两销轴中心的距 离称为链节距，用 p 表示，它是链传动的主要参数。滚子链已标准化，分为A、B 两种系列。A 系列用于重载、高速或重要传动；B 系列用于一般传动。齿形链传动是利用特定 齿形的链板与链轮相啮合来实现传动的。它是由彼
44、此用铰链联接起来的齿形链板组成，链板两工作侧面间的夹角为 60，相邻链节的链板左右错开排列，并用销轴、轴瓦或滚柱将链板联接起来。按铰链结构不同，分为圆销铰链式、轴瓦铰链式和滚柱铰链式三种，滚子链相比，齿形链具有工作平稳、噪声较小、允许链速较高、承受冲击载荷能力较好和轮齿受力较均匀等优点；但结构复杂、装拆困难、价格较高、重量较大并且 对安装和维护的要求也较高。7.1.2 链接设计计算程序本计算程序可分为选择链轮尺寸、选取链节距、确定实际中心距、计算作用在轴上载荷及定润滑方式等五部分。（1） 根据设计要求自定小链轮齿数，由设计要求可以计算出大小链轮转速及传动比。从而可计算出大链轮齿数。本部分 ex
45、cel如图 7.1所示：图 7.1 选择链轮齿数（2） 选取链节距及中心距首先可根据设计要求假设中心距为链节距的若干倍，则由式 7.1可求得链节数 LP。查表可查得工况系数 KA，小链轮齿数系数 kz，多排链排数系数 kp，由此三个参数根据式 7.2可求得传动功率的最小值。根据传动功率，小带轮转速查表可得链节距。根据式 7.3计算可得中心距初值，圆整可得中心距。LP=(Z1+Z2)/2+2a/P+(Z2-Z1)/2) 2*P/a 式 7.1P0K AP/(kzkp) 式 7.2a=p/4(Lp-（z 1+z2)/2)+(L p-(z1+z2)/2)2-8(z2-z1)/z) 2) 式 7.3本部分 excel如图 7.2所示：- - 21 - -图 7.2 取链节距和确定中心距（3） 计算作用在轴上的载荷及定润滑方式由式 7.4、7.5、7.6 分别计算可得链传动链速，链的有效拉力及轴上载荷。根据链速及链节距可查表查得链传动润滑方式。v=n1z1p/(60*1000) 式 7.4F1=1000P/v 式 7.5FQ=1.2KAF1 式 7.67.2 轴与轴承计算程序7.2.1 轴简述轴是组成机器的重要零
