圆柱齿轮减速器的优化设计概要.docx

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圆柱齿轮减速器的优化设计概要

本科毕业论文（设计）

题

目圆柱齿轮减速器的优化设计

学

院工程技术学院

专

业机械设计制造及其自动化

年

级2010级

学

号

姓

名

指

导教师

成

绩

2014年5月15日

摘要1…

Abstract2..

0文献综述3..

0.1圆柱齿轮减速器的主要优缺点3

0.2研究意义及未来前景4.

1■引言5..

1.1优化设计概述5.

1.2优化设计的过程7.

1.3优化设计的应用7.

2.MATLAB与优化设计.8..

2.1MATLAB软件概述8.

2.2MATLAB的优化设计过程9.

2.2.1设计变量选择9.

2.2.2目标函数与约束的确定1.0

2.2.3数学模型确立10

2.3fmincon函数10

3.两级圆柱齿轮减速器优化设计方案1.1

3.1齿轮传动应满足的基本要求1.1

3.1.1齿轮传动的失效形式12

3.1.2齿轮传动的设计准则12

3.1.3齿轮传动的精度12

3.2两级圆柱齿轮传动的设计理论1.3

3.3优化设计实例和数学模型16

3.4多元函数的有约束优化问题18

3.4.1使用fmincon需建立的函数文件1.8

3.4.2优化结果分析和处理23

4■结论24

参考文献25

致谢26

圆柱齿轮减速器的优化设计

熊小强

西南大学工程技术学院，重庆400715

摘要：

圆柱齿轮减速器是原动机和工作机之间独立的闭式传统机械传动装置，能够

降低转速和增大转矩，是一种被广泛应用在工矿企业及运输、建筑等部门的机械传

动装置。

减速器中圆柱齿轮承载能力计算涉及齿轮的设计、制造工艺、材料和检验

等各方面的因素，是一个十分复杂的问题，在减速器设计中齿轮参数的计算繁琐，且手工计算容易出错，在机械传动设计的工作量中占用了较大比重。

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。

因此，需要引入现代设计

方法有效地改进传统设计中的不足，对减速器进行简化设计计算。

本文以减小体积、

减轻重量、提高效率从而降低成本作为优化设计的目标，建立了圆柱齿轮减速器的

优化设计的数学模型。

在基于MATLAB优化设计中的fmincon函数的优化条件下，实现了圆柱齿轮减速器的优化设计。

用MATLAB优化设计中的fmincon函数进行

优化设计后，使减速器的结构更紧凑，体积减小，重量减轻从而降低了生产成本。

关键字：

圆柱齿轮减速器；减低成本；fmincon函数；优化设计

OptimalDesignofCylindricalGearReducer

XIONGXiaoqiang

CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715

Abstract:

Cylindricalgearreduceristheclosedtraditionalmechanicaltransmissiondevicethatisindependentbetweentheprimemoverandtheworkingmachine,whichcanreducespeedandincreasetorque.Thiskindofmechanicaltransmissiondeviceiswidelyusedinthedepartmentsofindustrialandminingenterprise,transportation,constructionandotherworkingfields.CalculationsofcarryingcapacityofCylindricalgearreducerinvolvedindesign,manufacturingprocesses,materialsandexaminationisaverycomplexissue.Inordertoreducethecostandimprovethedesignandefficiencyofreducer;weneedtooptimizethedesignofcylindricalgearreducer,andthenselectthebestparameterstoimprovethebearingcapacityandtoreduceweightandlowercostsandotherindicators.Therefore,introductionofmoderndesignmethodsisneededtosimplifythedesigncalculations.Inthispaper,reducethesize,weightandimproveefficiencytoreducecostsastheoptimizationdesigngoal,establishedamathematicalmodeltooptimizethedesignofcylindricalgearreducer.UndertheoptimumconditionstooptimizethedesignbasedonMATLABfminconfunctiontoachievetheoptimaldesignofcylindricalgearreducer.OptimizeddesignwithMATLABfminconfunctiontooptimizethedesign,thestructureismorecompactsoreducer,thevolumedecreases,weightreducingproductioncosts.

Keywords:

Cylindricalgearreducer;Reducecosts;Fminconfunction;Optimaldesign

0文献综述

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4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。

0.1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%,也有很大的经济意义。

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-1

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31。

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4L

0.2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、机械人性化设计和可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5L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家的合作和交流，软硬件技术共同提升，以期达到机械设计一加工一体化的目标。

1•引言

当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。

减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。

近十几年来，由于近代计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度，加工效率大大提高，从而推动了机械传动产品的多样化，整机配套的模块化，标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致，美观化。

针对减速器存在的问题，本课题采用优化设计的方法，力求使减速器的体积达到最小，建立数学模型，并通过MATLAB语言编辑后，得到一组优化数据，到达预期目标，使减速器的体积比传统的经验设计结果减小10%~20%。

随着市场由传统的相对稳定转向动态