在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置的各零件時(shí)，要適當(dāng)考慮運(yùn)行中所有可能施加的載荷。這些載荷不僅包括通過(guò)齒輪傳動(dòng)作用在零件上的轉(zhuǎn)矩載荷，還要考慮外載荷，即懸臂載荷、外加的推力載荷、動(dòng)載荷（例如來(lái)自懸臂小齒輪）等。這些組件的設(shè)計(jì)，還要能承受可能超過(guò)運(yùn)行載荷的任何裝配作用力。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到運(yùn)行載荷出現(xiàn)在最壞可能的荷組合，包括200%的瞬時(shí)尖峰起動(dòng)載荷。
零件的計(jì)算應(yīng)該在本指導(dǎo)性技術(shù)文件所規(guī)定的限定范圍內(nèi)。在用戶要求或技術(shù)規(guī)范規(guī)定了不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，例如較高的軸承壽命，這要用協(xié)議來(lái)取得一致。
另一種根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的零件計(jì)算方法是允許的。齒輪的制造商應(yīng)指出并以文件形式表明所作的全部變動(dòng)。
齒輪箱的功率還可包括許用懸臂載荷值，此值通常被指作用在從箱體或外殼零件的表面至一個(gè)軸徑的距離處，由這些懸臂載荷所引起的相關(guān)零部件中的應(yīng)力也必須在本指導(dǎo)性技術(shù)文件要求的范圍內(nèi)。
根據(jù)本指導(dǎo)性技術(shù)文件的目的，在確定零件的載荷能力時(shí)，其計(jì)算與4.5.1和規(guī)定的齒輪箱功率密切相關(guān)。
齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)將齒輪、軸與軸承的綜合裝配封閉起來(lái)，并保證必要的剛度，使齒輪能夠正常的嚙合。該箱體在規(guī)定的內(nèi)部和外部載荷作用的條件下應(yīng)保持齒輪齒向的一致性。
對(duì)于低速與中心距大于460mm的箱體，為達(dá)到使齒輪傳動(dòng)裝置找平的目的，至少應(yīng)有兩個(gè)基準(zhǔn)面加工成與安裝面平行。
閉式齒輪傳動(dòng)裝置的基本計(jì)算公式應(yīng)依照GB/T19406-2003。每一齒輪的計(jì)算系數(shù)的計(jì)算方法有可能被修改，齒輪設(shè)計(jì)者必須指明使用GB/T19406-2003時(shí)的所有變動(dòng)。
接觸強(qiáng)度是兩曲面或齒面間赫茲接觸（壓）應(yīng)力來(lái)測(cè)一的。是與同樣的輪齒載荷成正比。在輪齒表面與在齒根上引起的應(yīng)力性質(zhì)的不同反映在同樣材料與載荷強(qiáng)度上，接觸應(yīng)力極限和彎曲應(yīng)力極限有相應(yīng)的區(qū)別。
“齒輪失效”術(shù)語(yǔ)是其主觀上的概念，也是很多意見(jiàn)不一致的來(lái)源。一個(gè)觀察者的“失效”可以是另一個(gè)觀察者的“磨合”。較完整的敘述見(jiàn)GB/T3481。
軸承制造商所用的壽命計(jì)算方法是建立在導(dǎo)致碎裂的次表層疲勞損傷上的。其他型式的軸承損傷的存在應(yīng)包括而不是限于因潤(rùn)滑劑污染所產(chǎn)生的擦傷引起的表面碎裂、保持架的交效、塑性變形，由于極度的瞬時(shí)過(guò)載導(dǎo)致的剝落，以及由于瞬時(shí)失去油膜而引起的嚴(yán)重擦傷或膠合。
軸的設(shè)計(jì)應(yīng)足夠承受得起內(nèi)部載荷（齒輪嚙合產(chǎn)生的）與外部載荷。軸的強(qiáng)度與剛性兩者是很重要的。足夠的軸強(qiáng)度將避免疲勞或塑性變形，而足夠的剛性將保持齒輪與軸承的軸向?qū)χ行浴?/DIV>
5.5.2軸的應(yīng)力計(jì)算
軸的名義應(yīng)力按以下公式計(jì)算。公式（6）與公式（7）可應(yīng)用于薄壁軸的設(shè)計(jì)，這里比值dshi/dshe＜0.9是不允許的。
式中：σs——軸的計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
T——軸的轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）；
dshe——軸的外徑，單位為毫米（mm）；
dshi——軸的內(nèi)徑，單位為毫米（mm）；
σb——軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
M——彎曲扭矩，單位為牛米（N·m）。
對(duì)實(shí)心軸，公式（6）與公式（7）簡(jiǎn)化為：
5.5.3許用應(yīng)力
由彎曲與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的計(jì)算應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)從公式（10）～公式（15）所確定的許用應(yīng)力值，這些公式是DIN743的簡(jiǎn)化形式并受到以下的限制。
（1）公式（10）～公式（15）適用于以下范圍的軸徑：
在此范圍以外的軸徑，按下列條件選用：
25mm≤dshe≤150mm
在此范圍以外的軸徑，按下列條件選用：
如dshe≤25，取dshe=25mm；
如150≤dshe≤500，取dshe=150mm。
（2）公式（14）和公式（15）僅應(yīng)用于：
dshe0.36×σB＞2600N/mm2。
（3）基于以下條件導(dǎo)出許用應(yīng)力的計(jì)算公式：
a）利用軸的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，應(yīng)使用效應(yīng)力集中系數(shù)保持在每一公式所列的量大值以下；
b)交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（0到最大）和交變彎曲應(yīng)力；
c)公式（11）與公式（13）僅應(yīng)用于幾乎沒(méi)有應(yīng)力集中效果的軸的斷面
d)采用選用系數(shù)Ksf來(lái)考慮變載荷的影響；
e)對(duì)于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不超過(guò)10000時(shí)，瞬時(shí)過(guò)載不超過(guò)200%Pmc；
f)材料的要求見(jiàn)5.4.3條中的規(guī)定。
對(duì)于調(diào)質(zhì)材料：
若0.09×(σB)0.4＜βr≤0.113×(σB)0.4
σsa=[2.22-0.35×log(dshe)]×σB0.6…………………………（10）
若βr≤0.09×(σB)0.4
σsa=[2.61-0.35×log(dshe)]×σB0.6…………………………（11）
若0.10×σB0.6＜βσ≤0.175×σB0.6
σba=[1.88-0.30×log(dshe)]×σB0.63…………………………（12）
若βσ≤0.10×(σB)0.4
σba=[2.40-0.31×log(dshe)]×σB0。66…………………………（13）
對(duì)于滲碳與表面硬化材料：
若βσ≤0.113×(σB)0.4
σsa=[1.43-0.36×log(dshe)]×σB0.68…………………………（14）
若βσ≤0.175×(σB)0.4
σba=[6.02-1.58×log(dshe)]×σB0.57…………………………（15）
上述式中：
σB——材料的抗拉強(qiáng)度，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
σsa——許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
σba——許用彎曲應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
βr——扭轉(zhuǎn)缺口系數(shù)；
βσ——彎曲缺口系數(shù)。
在此范圍以外的應(yīng)用，須要求更詳細(xì)的分析。
5.5.4材料的要求
對(duì)于調(diào)質(zhì)材料，規(guī)定許用應(yīng)力的基礎(chǔ)是臨界應(yīng)力截面處的最小表面硬度。臨界截面1/4半徑處深度的最小硬度應(yīng)該是此表面的最小硬度的75%。
對(duì)于表面硬化材料，規(guī)定許用應(yīng)務(wù)的基礎(chǔ)是在臨界應(yīng)力截面內(nèi)，在表面下三倍有效硬化層深度的距離上的最小心部硬度。
對(duì)于調(diào)質(zhì)與表面硬化材料兩者來(lái)說(shuō)，用GB/T8539-2000中附錄C中的轉(zhuǎn)換表格可將硬度轉(zhuǎn)化為抗拉強(qiáng)度。
軸的材料應(yīng)符合GB/T8539-2000的ML等級(jí)的要求。硬度高于241BHN（255HV）的材料應(yīng)經(jīng)磁粉檢測(cè)，在臨界應(yīng)力表面不允許有長(zhǎng)于1mm的顯示。
在臨界應(yīng)力表面，磨削過(guò)的表面不應(yīng)發(fā)生磨削回火。
給定半徑上的硬度可以通過(guò)在同樣合金，有代表性的試驗(yàn)棒試樣的相同半徑上的硬度測(cè)量來(lái)確定。該合金是與產(chǎn)品軸一起經(jīng)過(guò)熱處理的，在熱處理時(shí)試樣應(yīng)與軸具有相同的直徑，見(jiàn)GB/T8539-2000的6.3條。
合理的合金等級(jí)的選擇應(yīng)根據(jù)臨界截面上預(yù)定的淬火速率，臨界截面大小以及Jomin淬透來(lái)決定。詳見(jiàn)GB/T8539-2000附錄B。
當(dāng)被制造商的經(jīng)驗(yàn)證實(shí)時(shí)，可用統(tǒng)計(jì)的或其他可檢驗(yàn)的過(guò)程控制方法替代詳細(xì)的質(zhì)量要求。詳見(jiàn)GB/T8539-2000的第0章和第4章及5.1和6.1。
5.5.5變形
為保證輪齒以及軸承的良好接觸，不管應(yīng)力水平如何，必須分析軸的變形。
5.6鍵
5.6.1應(yīng)用范圍
本計(jì)算方法可以下范圍內(nèi)應(yīng)用于鍵的連接（見(jiàn)圖1）：
bk/dsh≤0.36
(hk-tk)/tk≤0.81
(hk-tk)/bk≤0.45
鍵數(shù)，i≤2
此外，還必須滿足下列要求：
a)ltr≤1.3dsh(更長(zhǎng)長(zhǎng)度對(duì)配合強(qiáng)度的提高不會(huì)有明顯效果)
b)不改變轉(zhuǎn)矩的方向。
假如a)和b)不滿足時(shí)，應(yīng)用一種更精確的方法，例如DIN6892：1995，方法B。
5.6.2許用轉(zhuǎn)矩
許用轉(zhuǎn)矩Ta取由公式（16）或公式（17）計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩中較小值。
式中：
σsc0.9Remin………………………………（18）
ιps=0.379Re………………………………（19）
Tc——基于許用壓應(yīng)力的許用轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）；
Ts——基于鍵和許用剪切應(yīng)力的許用轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）；
σsc——許用壓應(yīng)力，單位赤牛每平方毫米（N/mm2）；
ιps——鍵內(nèi)的許用剪切應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
dsh——軸徑，單位為毫米（mm）；
Tn——被子驅(qū)動(dòng)機(jī)械的名義轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）；
Ta——基于Tc與Ts中較小者的許用轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）；
Re——鍵材料的抗拉強(qiáng)度，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
bk——鍵寬，單位為毫米（mm）；
hk——鍵高，單位為毫米（mm）；
tk——軸的鍵槽深度，單位為毫米（mm）；
ltr——鍵的支承長(zhǎng)度，單位為毫米（mm）；
i——鍵數(shù)；
φ——載荷的分配系數(shù)。
對(duì)于1個(gè)鍵時(shí)，φ-1；對(duì)于2個(gè)鍵時(shí)，φ=0.75。
5.6.3最大轉(zhuǎn)矩
瞬時(shí)尖峰轉(zhuǎn)矩超過(guò)用公式（16）或公式（17）計(jì)算得到的許用值時(shí)，在一限定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)運(yùn)行可以允許。其最大轉(zhuǎn)矩值Tmax由下式確定：
Tmax=（fLTa）+0.8TR…………………………（20）
式中：
Tmax——最大轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）；
fL——載荷尖峰頻率系數(shù)（見(jiàn)表2）；
TR——由于過(guò)盈配合引起的傳遞轉(zhuǎn)矩，單位為牛米（N·m）。
如果采用過(guò)盈配合，除非實(shí)際值已知外，按照公差范圍所許可的最少過(guò)盈配合來(lái)計(jì)算TR。
式中：
AR——配合的載荷，單位為牛（N）。
表2載荷尖峰頻率系數(shù)
|
轉(zhuǎn)矩尖峰循環(huán)次數(shù) |
載荷尖峰頻率系數(shù) |
|
韌性材料 |
脆性材料 |
|
≤103 |
1.50 |
1.30 |
|
＞103～104 |
1.40 |
1.15 |
|
＞104～105 |
1.25 |
1.00 |
|
＞105～106 |
1.15 |
1.00 |
|
＞106 |
1.00 |
1.00 |
AR=πPHdsheLμ………………………………（22）
式中：
PH——軸與轂公共配合面上的壓應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
L——輪轂的長(zhǎng)度，單位為毫米（mm）；
μ——磨擦因數(shù)。
式中：
I——實(shí)際或最小可能的過(guò)盈配合，單位為毫米（mm）；
ρs——軸材料的泊松比；
ρH——轂材料的泊松比；
Es——軸材料的彈性模數(shù)，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
EH——轂材料的彈性模數(shù)，單位為牛每平方毫米（N/mm2）。
式中：
dbe——輪轂的外徑，單位為毫米（mm）；
dhi——輪轂的內(nèi)徑，單位為毫米（mm）。
5.7螺紋緊固件
5.7.1設(shè)計(jì)依據(jù)
螺紋緊固件的用途是將兩個(gè)或更多的連接件緊固在一起。緊固件應(yīng)有足夠的抗拉強(qiáng)度和數(shù)量，以承受最大的內(nèi)部與外部設(shè)計(jì)載荷和避免因緊固件的拉伸導(dǎo)致用夾緊力緊固的各連接件之間的位移。緊固件也可能經(jīng)受剪切載荷，這種情誤解要求作進(jìn)一步分析，但不在本指導(dǎo)性技術(shù)文件范圍以內(nèi)。以下計(jì)算緊固件應(yīng)力的簡(jiǎn)化方法是根據(jù)VDI2230-1的標(biāo)準(zhǔn)。
5.7.2緊固件的預(yù)緊載荷
預(yù)緊載荷 是為保持夾緊力耐施加工于緊固件的最初的載荷。應(yīng)用于閉式齒輪傳動(dòng)裝置的緊固件，推薦的預(yù)緊載荷的拉應(yīng)力σM為緊固件0.2%殘余量的屈服強(qiáng)度σρ0.2的70%（見(jiàn)表3）。
σM=0.7σρ0.2…………………………（26）
表3緊固件預(yù)緊載荷的拉應(yīng)力
|
ISO特性等級(jí)a |
緊固件的最大名義直徑
dmax/mm |
0.2%殘余量的屈服強(qiáng)度a
σρ0.2/( N/mm2) |
預(yù)緊載荷拉應(yīng)力
σm/( N/mm2) |
|
8.8 |
29 |
640 |
448 |
|
9.8 |
16 |
720 |
504 |
|
10.9 |
39 |
940 |
658 |
|
12.9 |
39 |
1100 |
770 |
|
a按照ISO898-1的特性等級(jí)。 |
70%的數(shù)值是用于因扭矩磨擦因數(shù)的變化、為獲得緊固后的裝配精度，以及允許緊固件的重復(fù)使用，而提供的一種防止過(guò)應(yīng)力保證的適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)的數(shù)值。
拉力預(yù)載荷施加在緊固件的拉伸區(qū)，并可由下式計(jì)算：
FM=AsσM………………………………（27）
As=0.785(Df-0.938Pf)2…………………………（28）
式中：
As——緊固件的應(yīng)力橫截面，單位為平方毫米（mm2）；
Df——緊固件的名義直徑，單位為毫米（mm）；
Pf——緊固件的螺紋節(jié)距，單位為毫米（mm）。
一般用對(duì)緊固件施加扭矩來(lái)獲得緊固件的預(yù)緊載荷、或用其他的方法，例如液壓拉伸與加熱的方式。使緊固件產(chǎn)生預(yù)緊載荷的緊固扭矩�？捎墒接�(jì)算：
MA=KtcFMDf…………………………（29）
式中：
MA——上緊扭矩，單位為牛米（N·m）；
Ktc——扭矩系數(shù)，一般取總的磨擦因數(shù)為0.12，Ktc=0.16×10-3；
FM——拉力預(yù)緊載荷，單位為牛（N）。
5.7.3緊固件的許用應(yīng)力
許用拉抻應(yīng)力σfa:
σfa=0.35σMKJ……………………（30）
式中：
σM——預(yù)緊載荷的拉伸應(yīng)力；
KJ——連接的剛度系數(shù)，見(jiàn)表4。
表4連接的剛度系數(shù)
|
連接的剛度系數(shù) |
連接的材料 |
|
鋼 |
鑄鐵 |
|
KJ |
1.14 |
1.26 |
許用拉伸應(yīng)力是基于以下條件（在此范圍以外的應(yīng)用場(chǎng)合要求詳細(xì)的分析）：
（1）金屬對(duì)金屬連接；
（2）拉伸預(yù)緊載荷為0.7(σρ0.2)，見(jiàn)表3；
（3）基于在連接的開(kāi)口外40%的緊固件應(yīng)力，在200%條件下規(guī)定的安全系數(shù)為1.25；
（4）lg≥4Df（見(jiàn)圖2）。
5.7.4緊固件的拉伸應(yīng)力
所施加的位伸載荷應(yīng)建立在齒輪傳動(dòng)裝置機(jī)械功率產(chǎn)生的力的基礎(chǔ)之上�？紤]到在可能的最壞方向上起作用的這些力應(yīng)包括所有內(nèi)部與外部施加的載荷，即是臂載荷、止推載荷等，但不應(yīng)包括拉抻預(yù)緊載荷。施加的拉伸載荷是考慮在緊固件的拉抻區(qū)起作用的。緊固件的拉伸應(yīng)力可由下式計(jì)算：
式中：
σf——計(jì)算的拉伸應(yīng)力，單位為牛每平方毫米（N/mm2）；
FA——施加的拉伸載荷，單位為牛（N）。
5.7.5緊固件的鎖緊裝置
大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，箱體與箱蓋上的緊固件不要求鎖緊裝置。安裝在軸上的緊固件出于安全原因應(yīng)該鎖緊。曲型的鎖緊方法包括：
（1）鎖緊墊圈（各種型式的）；
（2）在螺紋咬合區(qū)的嵌入件；
（3）自鎖型式；
（4）鎖緊組件；
（5）鎖緊突形薄片；
（6）鎖緊金屬絲。
5.8其他零件
關(guān)于其他應(yīng)該考慮的零件可見(jiàn)附件B。
