机械优化设计作业-48-圆柱齿轮减速器的优化设计

《机械优化设计》

课程作业

（2014至2015学年度第2学期）

随着现代工业的不断发展和扩大，对工业机械的需求量也再迅速的增加，同时对机械设备的可靠性，维修性，安全性，经济性也提出而来更高的要求。作为主要的传动装置，圆柱齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。而当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。因此我们可以借助计算机辅助软件对其参数进行优化设计。

1．圆柱齿轮减速器的主要优缺点

1）效率高在常用的机械传动装置中，以圆柱齿轮传动的效率最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1%，也有很大经济意义。2）结构紧凑在同样的使用条件下，圆柱齿轮减速器所需的尺寸一般较小。

3）工作可靠、寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的圆柱齿轮减速器，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。

4）传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。圆柱齿轮传动获得广泛应用，也就是由于有这一特点。

但是圆柱齿轮减速器的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。

圆柱齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。当前国内的减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。

二级齿轮减速器在工程机械中应用非常广泛，其性能好坏直接影响机械产品的技术性能。传统的减速器设计通常是先根据经验选取适当的参数，通过手工计算进行反复的试凑，确定参数后，再进行强度校核，设计中大多比较保守，设计出的减速器较为笨重。随着科学技术和国民经济的发展，对齿轮减速器的需求量越来越大，且对质量提出了更高的要求，若仍采用传统的单一产品设计方法是远不能满足市场多样化的需求，不能适应激烈的市场竞争，也很难提高产品的综合技术经济效益及保证产品质量。优化设计则是通过设计变量的选取，以及目标函数和约束条件的确定，建立数学模型，通过计算机运算求得满足条件的最优解。随着技术的进步，硬齿面减速器发展迅速，由于硬齿面减速器的设计计算、材料选用、加工工艺和热处理等要求都非常高，因此减速器的优化设计就显得非常重要。在齿轮减速器中应用优化设计方法，对于进一步提高齿轮的承载能力、延长齿轮的使用寿命，以及减小传动部件的体积和重量，具有显著的效果

2．研究意义及未来前景

本课题的研究意义在于改变传统的齿轮减速器设计方式，提高企业的经济效益及其在市场上的竞争力。齿轮减速器以其效率高，工作耐久，维护方便，而得到广泛应用。但传统的齿轮减速器设计是面向某一具体产品，从零件设计入手，逐步完成整机设计，除少量标准件外，几乎是全新的，生产上及技术上的继承性很差，且新产品设计周期长，工艺装备及生产准备工作量大，生产线也需作较大的调整。随着科学技术和国民经济的发展，对齿轮减速器的需求量越来越大，且对质量提出了更高的要求，若仍采用传统的单一产品设计方法是远不能满足市场多样化的需求，不能适应激烈的市场竞争，也很难提高产品的综合技术经济效益及保证产品质量。

机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益，随着技术更新和产品竞争的加剧，优化设计的发展前景非常的广阔。当今的优化正逐步的发展到多学科优化设计，充分利用了先进计算机技术和科学的最新成果。虚拟设计技术是发展的必然，仿真技术也将更加趋于协同

化和系统化。尚处于理论探索阶段的结构拓扑优化四、智能算法优化设计、结构动态性能优化设计、绿色优化、可靠性稳健设计、基于仿生学、遗传学算法的优化设计、机械人性化设计和持续性创新优化等都是未来机械优化设计的发展方向。但我们仍需关注的是，在优化技术水平得到了提高的同时，国内机械加工或工艺水平、加工手段和制造技术也应配套提升才行，否则整体机械水平将仍然停滞不前。这不仅要加工技术的引进，更重要的是加工设备的性能提升，尤其是数控机床的加工水平。加强与国际技术发达国。

西南大学本科生毕业论文（设计）

3.1优化设计概述

优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新科学，它将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。采用这种新的设计方法，人们可以从众多的设计方案中寻找出最佳的设计方案，从而大大提高设计的效率和质量。优化设计是在电子计算机技术广泛应用的基础上而发展起来的一种现代计方法。它是以电子计算机为计算工具，利用最优化原理和方法寻求最优设计参数的一门先进设计技术。优化设计能为工程及产品设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完善的或最适宜的设计方案，因而采用这种设计方法能大大提高其设计质量和设计效率。

所谓优化设计，就是借助最优化数值计算方法和电子计算机技术，求取工程问题的最优设计方案。进行优化设计时，首先必须将实际工程问题进行数学描述，形成一组数学表达式组成的优化设计数学模型；然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最佳的设计参数。这组设计参数就是优化设计等的最优解。优化设计是现代工程设计理论和方法的发展。优化设计的目的是将数学规划理论和计算机技术应用于工程及产品设计中，从大量的可行设计方案中寻找最佳方案，进而获得显著的技术和经济效益。传统的机械设计方法只是被动的重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。作为一项设计，不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的的理想方案。由于传统的方法设计效率低，而且齿轮减速器不是最优的设计方案，往往存在着体积大、质量大、承载能力低、成本高和使用寿命短等问题。为了降低减速器的成本，提高设计和工作效率，需要对圆柱齿轮减速器进行优化设计，选择其最佳参数提高承载能力，减轻重量和降低成本等各项指标。

产品设计是影响产品性能、质量、成本和企业经济效益的一项重要工作，产品能否满足用户要求，很大程度上取决于产品设计工作。一项机械产品的设计，一般需要经过调查分析、方案拟定、技术设计、零件工作图绘制等环节。传统的设计方法通常在调查分析的基础上，参照同类产品通过估计、经验类比或试验分析来确定初始设计方案。然后根据初始设计及方案的设计参数进行强度、刚度、稳定性等性能分析计算，检查各性能是否满足设计求整个传统设计过程就是人工试定性分析比较的过程，主要的工作就是性能的重复分析，至于每次参数的修改，仅凭借经验或直观判断，并不是根据某种理论精确计算出来的。实践证明，按照传统设计方法做出的设计方案，大部分都有改进提高的余地，而不是最佳设计方案。

3.2 优化设计的过程

（1）设计课题分析。首先确定设计目标，它可以是单项指标，也可以是多项设计指标的组合。从技术经济观点出发，就机械设计而言，机器的运动学和动力学性能、体积与质量、效率、成本、可靠性等，都可以作为设计所追求的目标。然后分析设计应满足的要求，主要包括：某些参数的取值范围，某种设计性能或指标按设计规范推导出的技术性能，还有工艺条件对设计参数的限制等。

（2）建立数学模型。将实际设计问题用数学方程的形式予以全面、准确地描述，其中包括：确定设计变量，即哪些设计参数参与优化；构造目标函数，即评价设计方案优劣的设计指标；