二级减速器优化设计论文最终版.doc

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毕业设计（论文）正文

题目

减速器优化设计与制造-设计

专业

机械设计制造及其自动化

班级

汽车服务0811班

姓名

代军军

学号

08130033

指导教师

职称

刘海生

副教授

2012年5月16日

减速器优化设计与制造-设计

摘要：

传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案，虽然也能获得满足给定条件的设计方案，实践证明，按照传统设计方法作出的设计方案，大部分都有改进的余地，不是最佳方案。

本文将对二级斜齿圆柱齿轮减速器进行优化设计。

考虑到以中心距最小为目标，在此采用了惩罚函数法。

通过设计变量的选取、目标函数和约束条件的确定，建立了斜齿圆柱齿轮减速器设计的数学模型。

编写了优化设计程序，通过在计算机上运行和计算，得出优化设计各参数的大小。

结果表明，采用优化设计方法后，在满足强度要求的前提下，减速器的尺寸大大降低了，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量。

关键词：

斜齿轮；减速器；优化设计；惩罚函数法；中心距

Reducertooptimizethedesignandmanufacturing-design

Abstract：

Traditionally,inordertogetsatisfieddesigndataofreducer,youmustcutandtryagainandagain.Althoughthisdesigncansatisfyconditionsgiven.Provedbythepractice,accordingtothetraditionaldesignmethodtothedesign,mostofthemhaveroomforimprovement,itisnotoptimal.

Inthisarticlewewilltwo-gradehelicalcylindricalgearredactorconductoptimaldesign.Takingaccounttheminimumdistanceofcenterintothegoal,penaltyfunctionusedinthismethod.Inthispaper,bythewayofselectingdesignvariable,settingupgoalfunctionandrestrictioncondition,themathematicalmodelofcylindricalgearreducerisestablished.Thepreparationoftheoptimaldesignprogram,runbythecomputerandcalculatingtheoptimaldesignparameters.Theresultsshowthattheoptimaldesignmethods,strengthrequirementsaremetunderthepremiseofthesizereducergreatlyreduced,reducingthetimberandthecost,improvethedesignefficiencyandquality.

Keywords:

HelicalCylindricalGearRedactor；optimaldesign；penaltyfunction；Centerdistance；ConventionalDesign

目录

1绪论 1

2概述 2

2.1机械优化设计与减速器设计现状 2

2.2课题的主要任务 3

3二级斜齿圆柱齿轮减速器的优化设计 4

3.1原始数据及优化目标 4

3.1.1原始数据 4

3.1.2优化目标 4

3.2减速器优化方案的确定 4

3.3减速器的数学模型 5

3.3.1确定变量 5

3.3.2建立目标函数 5

3.3.3建立约束函数 6

3.3.4标准数学模型 7

3.4算法的选取与建立 9

3.5matlab语言程序编辑 9

3.5.1Matlab简介 10

3.5.2matlab编程 10

3.5.3优化结果处理 13

4轴的设计计算 15

4.1高速轴的设计 15

4.1.1求输入轴上的功率P1，转速n1，转矩T1 15

4.1.2求作用在齿轮上的力 15

4.1．3初步确定轴的最小直径 15

4.2中间轴的设计 17

4.2.1计算作用在齿轮上的力 17

4.2.2初步估算轴的直径 18

4.2.3轴的结构设计 18

4.3低速轴的设计 20

4.3.1求输出轴上的功率,转速，转矩 20

4.3.2求作用在齿轮上的力 20

4.3.3初步确定轴的最小直径 20

4.3.4轴的结构设计 21

5轴校核 23

5.1高速轴的校核 23

5.2中间轴的校核 27

5.3输出轴的校核 29

6键和联轴器的选择 32

6.1键的设计和计算 32

6.1.1高速轴上键的设计 32

6.1.2中间轴上键的设计 32

6.2联轴器的选择 34

6.2.1类型选择 34

6.2.2载荷计算 34

7电动机的选择 36

7.1电动机类型和结构形式 36

7.2电动机容量 36

8箱体结构及附件的设计 37

8.1箱体结构的设计 37

8.2附件设计 37

8.3润滑密封设计 39

结论 40

【参考文献】 41

致谢 42

湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸

1绪论

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。

60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点。

但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于40kw。

由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。

90年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。

新型的"内平动齿轮减速器"与国内外已有的齿轮减速器相比较，有如下特点：

（1）传动比范围大，自I=10起，最大可达几千。

若制作成大传动比的减速器，则更显示出本减速器的优点。

（2）传递功率范围大：

并可与电动机联成一体制造。

（3）结构简单、体积小、重量轻。

比现有的齿轮减速器减少1/3左右。

（4）机械效率高。

啮合效率大于95%，整机效率在85%以上，且减速器的效率将不随传动比的增大而降低，这是别的许多减速器所不及的。

（5）本减速器采用的传动是二级斜齿圆柱齿轮传动。

随着社会以及工业技术的不断发展，当前数控加工机床不断普及、数控加工技术日益成熟，现有标准减速器也可以充分利用CAD/CAM软件进行几何造型建模，利用上述数控设备加工，这对现有标准减速器生产质量和效率的提高，有很大的现实意义。

2概述

2.1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斜齿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。

2.2课题的主要任务

（1）两人合作完成减速器的设计计算，优化程序；

（2）绘制装配图，零件图；

（3）确定可行的优化设计方法，编写计算机程序；

（4）完成8000字以上的设计说明书；

（5）确定出目标函数，各种约束条件。

3二级斜齿圆柱齿轮减速器的优化设计

3.1原始数据及优化目标

3.1.1原始数据：

高速轴输入功率P1=44kW，高速轴转速n1=1440r/min，用电动机驱动，长期工作，载荷有中等冲击，总传动比i=20，高速级和低速级齿轮的齿宽系数分别为和，高速级和低速级上小齿轮比大齿轮分别宽和，高速级与低速级的齿轮传动误差分别为和，大齿轮用20Cr渗碳淬火，齿面硬度为59HRC，小齿轮用20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度为59HRC，材料密度为。

3.1.2优化目标：

设计二级斜齿圆柱齿轮减速器，要求在满足强度、刚度和寿命等条件下，使体积小。

3.2减速器优化方案的确定

优化方法可以选用多目标优化方法，也可以采用单目标优化方法,多目标优化方法的特点是，在约束条件下，各个目标函数不是被同等的采用，而是按不同的优先层次先后的进行优化。

由于这类问题要同时考虑多个指标，而且有时会碰到多个定性指标，且有时难于判断说哪个决策好。

这就造成多目标函数优化问题的特殊性。

多目标优化设计问题要求各分量目标都达到最优，如能获得