复合形法式减速器优化设计说明书.docx

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1、361 前言21.1. 1机械优化设计与减速器设计现状22351.1 复合形法减速器优化设计的意义1.1.2 优化设计的步骤LL3减速器优化设计的分析1.1.4 减速器的研究意义与发展前景61.2 国内外发展状况71.2.K国内减速器技术发展简况71.2.2、国内减速器技术发展简况8L 3论文的主要内容92齿轮啮合参数优化设计的数学模型的建立2.1 设计变量的确定92.2 目标函数的确定102.3 约束条件的建立113优化设计方法-复合形法调优123.1 复合形法介绍123.2 复合形法计算步骤13143.4 优化结果164减速器的常规设计164.1减速器的结构与性能介绍164. 2.带传动零

2、件的设计计算174. 3齿轮的设计计算及结构说明184. 4.联轴器的选择214. 5,轴的设计及校核214. 5.1,从动轴结构设计214. 5.2.主动轴的设计224. 5. 3.危险截面的强度校核234. 6.键的选择及校核254. 7.轴承的选择及校核254. 8.减速器润滑方式、密封形式254. 8. 1.密封264. 8.2.润滑265优化结果分析26266减速器3D简略设计过程(UG)266.1.减速器机盖设计6. 2减速器机座设计286.3轴的设计286. 3.1传动轴的设计286. 3.2齿轮轴的设计296.4 齿轮的设计3032336.5减速器的装配（其它零部件说明省略）6

3、.5 轴承的设计（以大轴承为例）7总结348参考文献359致谢361 前言1.1 复合形法减速器优化设计的意义1.1. 1机械优化设计与减速器设计现状机械优化设计是在电子计算机广泛应用的基础上发展起来的一门先进技术。它是根据最优化原理和方法，利用电子计算机为计算工具，寻求最优化设计参数的一种现代设计方法。实践证明，优化设计是保证产品具有优良的性能、减轻重量或体积、降低成本的一种有效设计方法。机械优化设计的过程是首先将工程实际问题转化为优化设计的数学模型，然后根据数学模型的特征，选择适当的优化设计计算方法及其程序，通过计算机求得最优解。概括起来，最优化设计工作包括两部分内容：（1） 将设计问题的

4、物理模型转变为数学模型。建立数学模型时要选取设计变量，列出目标函数，给出约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式。（2） 采用适当的最优化方法，求解数学模型。可归结为在给定的条件（例如约束条件）下求目标函数的极值或最优值问题。减速器作为一种传动装置广泛用于各种机械产品和装备中，因此，提高其承载能力，延长使用寿命，减小其体积和质量等，都是很有意义的，而目前在二级传动齿轮减速器的设计方面，许多企业和研究所都是应用手工设计计算的方法，设计过程琐碎而且在好多方面都是通过先估计出参数然后再校核计算的过程。这对于设计者来说是枯燥无味的，进行的是重复性工作，基本没有创造性；对于

5、企业来说增加了产品的成本且不易控制产品质量。这些对提高生产力，提高经济效益都是不利的。现代最优化技术的发展为解决这些问题提供了有效途径。目前，最优化方法在齿轮传动中的应用已深入到设计和研究等许多方面。例如，关于对齿面接触强度最佳齿廓的设计；关于形成最佳油膜或其它条件下齿轮几何参数的最优化设计；关于齿轮体最优结构尺寸的选择；关于齿轮传动装置传动参数的最优化设计；在满足强度要求等约束条件下单位功率质量或体积最小的变速器的最优化设计；以总中心距最小和以转动惯量最小作为目标的多级齿轮传动系统的最优化设计；齿轮副及其传动系统的动态性能的最优化设计（动载荷和噪音最小化的研究，惯性质量的最优化分配及弹性参数

6、的最优选择）等。即包括了对齿轮及其传动系统的结构尺寸和质量，齿轮几何参数和齿廓形状，传动参数等运动学问题，振动、噪音等动力学问题的最优化。本次毕业设计就是针对二级圆柱齿轮减速器的体积进行优化设计，其意义在于利用已学的基础理论和专业知识，熟悉工程设计的一般过程，同时把先进的设计方法、理念应用于设计中，为新技术时代的到来打下基础。1.1.2优化设计的步骤齿轮传动的优化设计，作为优化方法在工程设计问题中的一种实际应用，如撇开其待定的工程特点不谈，它的实施步骤并无特定之处。其步骤归纳起来如下：（1）建立数学模型用数学语言来描述设计任务，包括确定设计变量，建立目标函数和确定约束条件。（2）选择优化算法对

7、于一定的数学模型，选用何种优化算法来求得其最优解，对提高计算效率，甚至对保证计算成功有着相当大的关系。选择的依据通常是：是连续问题还是离散问题？是有约束问题还是无约束问题？问题的规模多大？所要达到的计算精度如何？目标函数的导数是否容易计算？目标函数和数学形态如何？是否有现成的程序可以引用？尽可能使优化计算过程可靠地完成，这一点是选择算法时应着重予以考虑的。本文按要求采用复合形法。（3）绘出计算的流程图对已经建立的数学模型和选定的优化算法，必须把它们编制成程序，才能够交由计算机完成计算。在编制程序前，应当把包括计算目标函数值、反映约束条件和执行优化算法在内的整个计算过程，整理排列为一些逻辑关系，

8、清楚流程流向合理的以方框表示的流程图，以充分反映整个计算过程中各部分计算的先后顺序及相互关系。这些流程图不仅便于我们检查整个计算过程是否组织的正确方便，而且可作为编制程序的依据。（4）编制程序编写准备输入计算机的源程序。选择哪一种计算机语言来编制程序应当根据计算机的软件配置和对现成程序可引用的程度来决定，并且也要考虑到数学模型的计算特点和编程人员对语言的掌握情况。再编制程序以前，对整个程序的结构安排、输入输出方式、乃至标示符的命名等问题，都应当有充分的考虑。一个好的计算程序，不仅表现为计算速度快，占用存储少等内在质量，而且在外观上具有条理清晰、结构简单、易于阅读等优点，使得程序易被检查和修改。

9、程序编成后，应在计算机上反复调试。待程序调试通过后，可选择一些典型的算例验算多次，以证明程序中的各条计算路径都是畅通无误的。（5）上机计算待完成的设计任务向我们提供了设计条件，把这些设计条件整理排列成输入数据，并输入到计算机中以后，计算机将完成优化设计任务。设计者阅读计算机的输出报告后，将直接过得去减速器齿轮传动设计的设计方案，并且获悉此项设计所达到的主要性能目标。对此，可做一些必要的分析复核工作。（6）进行方案评估和决策优化设计流程图如图l-3o图1-2优化设计流程图1.1. 3减速器优化设计的分析完整设计一台减速器是一个较为复杂的过程，需要完成齿轮传动设计轴的结构设计轴承选型设计以及箱体结

10、构设计。一台三级传动的减速器，其需要确定的各种参数不下数百个。假如我们不加分析地企图把这整个设计任务转化为一个进行优化设计的数学模型，以便一举确定数百个参数的优化值，那么这种做法几乎一开始就会遭到难以克服的困难。这是因为，尽管不难定出我们的优化目标，也能够定出这数百个设计变量，然而我们即使运用了机械设计科学现有的全部知识，也无法理清这些设计变量与目标之间究竟存在着什么函数关系，以及这些设计变量之间必须遵循什么约束条件。也就是说，我们无法把目标演绎成为一个可算的函数。事实上这种做法是可以避免的，也是完全不必要的。虽然作为一个整体，减速器的齿轮、轴、轴承和箱体之间有着密切的关系，但是这些部分之间齿

11、轮却存在着地位的主次后设计顺序的先后。减速器的功能是由齿轮传动来体现的，轴和轴承对齿轮仅起支撑和定位作用，箱体又起了支撑全部传动件和作为密封容器的作用。不难理解，只要优化设计的目标是减速器承载能力最大或体积最小等，那么，成为优化设计主要对象的只会是齿轮传动部分。这部分设计的紧凑、高效了，其他零件也可相应的设计的轻小些，对整个减速器所定下的设计目标也就实现了。其间所需要注意事项仅仅是：齿轮传动部分的设计结果应当在空间关系上能够容纳有相应承载能力的轴和轴承的存在。依据这样的理解和分析，我们根据一般减速器的设计步骤，把单级圆柱齿轮减速器的优化问题也分解成为齿轮传动的优化设计和其他零件各自的设计。这样

12、，就在不影响设计效果的前提下，把一个大问题简化为几个独立的较小的问题。具体说，整个单级圆柱齿轮减速器优化设计的过程按其设计顺序分解为下述几个过程。(1)齿轮传动的优化设计根据要求在齿轮传动装置的总体尺寸和轴、轴承等的结构布置方案已定的情况下，可以通过对齿轮啮合参数的最优化设计，达到提高其承载能力并考虑级间等强度条件，所以本文先建立了该设计的数学模型和目标函数，之后就可以着手已要求的优化算法一一复合形法来求解齿轮传动的优化设计问题。(2)轴的结构设计齿轮传动设计完成以后，每一根轴将受到的外载荷就可以确定，轴的跨距和各轴段的长度也可定出，这时轴的设计问题已成为确定各轴段的直径、必要的键连接以及其他

13、一些细节的问题。根据现代关于轴的应力和变形的设计计算方法，解决这个问题当然以校核计算的方式最为合适。也就是说，可以按照轴的受载情况，根据经验先绘出轴的结构草图，然后验算其强度和刚度是否足够。如果强度和刚度足够，且其裕度适当，那么轴的结构就完成了；否则，就需要对轴的初步设计做一些改动，并重新验算其强度和刚度。(3)轴承的选型根据已经知道的载荷，考虑受力情况变形限制工作环境和其他一些因素，可初步选定减速器滚动轴承的类型和尺寸，然后就应当进行滚动轴承的寿命和静载安全系数的计算。这也是一项校核计算，如果校核未获通过，就应当考虑变更轴承的类型或加大轴承的尺寸，甚至选用性能更好轴承。从以上的叙述中可以得出

14、以下结论：减速器优化设计的关键是其中齿轮传动的优化设计。在首先完成齿轮传动的优化设计之后，可按传统方法确定轴的结构和轴承型号，再在计算机辅助之下对轴的强度、刚度、轴承的寿命、静载安全系数进行校核。1.1 . 4减速器的研究意义与发展前景随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的需求是多样化的，这就决定了未来的生产方式趋向多品种、小批量。在各行各业中十分广泛地使用着齿轮减速器，它是一种不可缺少的机械传动装置.它是机械设备的重要组成部分和核心部件。目前，国内各类通用减速器的标准系列已达数百个，基本可满足各行业对通用减速器的需求。国内减速器行业重点骨干企业的产品品种、规格及参数覆盖范围近几年都

15、在不断扩展，产品质量已达到国外先进工业国家同类产品水平，承担起为国民经济各行业提供传动装置配套的重任，部分产品还出口至欧美及东南亚地区，推动了中国装配制造业发展。圆柱齿轮减速器是一种使用非常广泛的机械传动装置。减速器是用于原动机与工作机之间的独立的传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。在现代机械中应用极为广泛，具有品种多、批量小、更新换代快的特点。目前生产的各种类型的减速器还存在着体积大、重量重、承载能力低、成本高和使用寿命短等问题，与国外先进产品相比还有较大的差距。对减速器进行优化设计，选择最佳参数是提高承载能力、减轻重量和降低成本等各项指标的一种重要途径。目的：通过设计熟悉机器的具体操作，增强感性认识和社会适应能力，进一步巩固、深化已学过的理论知识，提高综合运用所学知识发现问题、解决问题的能力。学习机械设计的