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机械毕业论文大专

时间:2022-10-06 00:03:28 大专毕业论文 我要投稿

机械毕业论文大专

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  圆柱齿轮减速器优化设计

  【摘 要】目前,国内生产的各种类型的圆柱齿轮减速器普遍存在体积大、重量大、承载能力低、成本高和使用寿命短等问题,与国际先进产品相比还有较大差距。

  本文对其进行优化设计,选择最佳参数,最终达到提高圆柱齿轮减速器承载能力、减轻重量和降低成本的目的。

  【关键词】圆柱齿轮减速器;参数;承载能力;优化设计

  前言

  优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科,它将最优化原理与计算机应用于设计领域,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。

  因此,优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域,它已广泛应用于各工业部门。

  圆柱齿轮减速器是一种使用非常广泛的传动装置,由于国内生产的各种类型的圆柱齿轮减速器普遍存在体积大、重量大、承载能力低、成本高和使用寿命短等问题,可以利用现代设计理论对其进行优化设计。

  1、优化原则与数学模型

  减速器的优化设计一般是在给定功率P、齿数比u、输入转速n以及其它技术条件和要求下,找出一组使减速器的某项经济技术指标达到最优的设计参数。

  不同类型的减速器,选取的设计变量是不同的。

  对于展开式直齿圆柱齿轮减速器来说,设计变量可取齿轮齿数、模数、齿宽、螺旋角以及变位系数等。

  根据减速器的工作条件和设计要求不同,目标函数也不同。

  当减速器的中心距没有要求时,可取减速器的最大尺寸最小或取重量最轻作为目标函数。

  设m为减速器壳体内零件的总质量,l为最大尺寸,则目标函数的形式为

  减速器类型、结构形式不同,约束函数也不完全一样。

  但一般包括以下几方面的内容:

  (1)边界约束:如最小模数,不根切的最小齿数,螺旋角,变位系数,齿宽系数的上、下界等的限制。

  (2)性能约束:如接触强度、弯曲强度、总速比误差、过渡曲线不发生干涉重合度、齿顶厚等的限制。

  2、单极圆柱齿轮减速器的优化设计

  如图1所示:单极圆柱齿轮减速器的结构简图。

  已知齿数比为u,输入功率为P,主动齿轮转速为n1。

  求在满足零件的强度和刚度条件下,使减速器体积最小的各项设计参数。

  3、结束语

  本文对减速器进行优化设计,在保证齿轮传动强度要求,给定中心距要求,及结构强度等要求下,以减速器体积最小为目标函数来建立优化数学模型,能有效的减少原材料的应用以及发挥材料的最优性能。

  【参考文献】

  [1]张志涌.精通MATLA B5[M].3 版.北京:北京航空航天出版社,2000.

  [2]刘惟信.机械最优化设计[M].北京:清华大学出版社,2002.

  [3]Edward B,Magrab 等.MATLAB 原理与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

  [4]尚涛,石端伟.工程计算可视化与MATLAB 实现[M].武汉:武汉大学出版社,2002.

  一级圆柱齿轮减速器设计

  [摘 要]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。

  [关键词]圆柱齿轮;减速器;设计

  一、概述

  减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮―蜗杆传动所组成的独立部件,常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置;在少数场合下也用作增速的传动装置,这时就称为增速器。

  减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单,并可成批生产,故在现代机械中应用很广。

  减速器类型很多,按传动级数主要分为:单级、二级、多级;按传动件类型又可分为:齿轮、蜗杆、齿轮-蜗杆、蜗杆-齿轮等。

  二、一级圆柱齿轮减速器结构设计

  本设计主要为一级圆柱齿轮减速器的设计,轴的设计,滚动轴承的选择及验算,键的选择及强度校核,润滑油及润滑方式的选择,密封方式的选择以及联轴器型号的选择。

  箱体是减速器中较为复杂的一个零件,设计时应力求各零件之间配置恰当,并且满足强度,刚度,寿命,工艺、经济性等要求,以期得到工作性能良好,便于制造,重量轻,成本低廉的机器。

  箱体(盖)的材料:由于本课题所设计的减速器为普通型,故常用HT15-33灰铸铁制造。

  这是因为铸造的减速箱刚性好,易得到美观的外形,易切削,适应于成批生产箱体的设计计算。

  三、减速器优化设计数学模型

  (一)接触承载能力

  如图1所示。

  一对变位齿轮传动的接触承载能力可用只与啮合参数有关的接触承载能力系数φ表示,其函数形式为(图1):

  式中:a'―啮合中心距;u―齿数比;β―分度圆螺旋角;αt―端面压力角;α't―端面啮合角;Kv―动载系数;Kv=1+0.07vz1/100;v―齿轮圆周速度;z1―小齿轮齿数。

  由上式可知,齿轮的接触承载能力系数φ仅与u、 β、α't有关,当啮合中心距a'和模数m已定时,端面啮合角α't的表达式为:cosα't= z1+z2z1+z2+2yt cosα t 式中:yt―中心距分离系数,yt(a'-a)/m;a―标准中心距。

  (二)设计变量的确定

  将影响齿轮接触承载能力系数的独立参数列为设计变量,即: x=[x1x2x3x4]T=[u1βyt1yt2]T 式中:u1―高速级的齿数比;yt1,yt2―分别为高速级和低速级齿轮传动的中心距分离系数。

  (三)目标函数的确定

  该问题要求提高高速级和低速级齿轮传动的承载能力,同时要求两级传动达到等强度,所以这是一个具有三个指标的多目标函数问题。

  可以将高速级和低速级齿轮传动的承载能力系数转化为第一、二个分目标函数:

  四、MATLAB优化理论与程序设计

  非线性规划的一个重要理论是1951年Kuhn-Tucker最优条件(简称KT条件)的建立。

  与线性规划相比,非线性规划软件还不够完善. 但是已有大量求解非线性规划问题的软件。

  LANCELOT是由Conn、Gould和Toint研制的解大规模最优化问题的软件包, 适合求解无约束最优化、非线性最小二乘、边界约束最优化和一般约束最优化问题。

  这个软件的基本思想是利用增广Lagrange函数来处理约束条件, 在每步迭代中解一个边界约束优化子问题, 其所用的方法结合信赖域和投影梯度等技术.MINPACK是美国Argonne国家实验室研制的软件包,适合求解非线性方程组和非线性最小二乘问题, 所用的基本方法是阻尼最小二乘法。

  PROCNLP是SAS软件公司研制的SAS商业软件中OR模块的一个程序,这个程序适合求解无约束最优化、非线性最小二乘、线性约束最优化、二次规划和一般约束最优化问题.TENMIN是Schnabel等研制的解中小规模问题的张量方法软件.现在有成熟的解非线性最优化问题的软件有:Lingo,CONOPT(非线性规划),DOT(优化设计工具箱),Excel and Quattro Pro Solvers(线性,整数和非线性规划),FSQP(非线性规划和极小极大问题),GRG2(非线性规划), LBFGS(有限储存法),LINDO(线性、二次和混合整数规划),LSSOL(最小二乘和二次规划),MINOS(线性和非线性规划),NLPJOB(非线性多目标规划), OPTPACK(约束和无约束最优化),PETS(解非线性方程组和无约束问题的并行算法),QPOPT(线性和二次规划),SQOPT(大规模线性和凸二次规划),SNOPT(大规模线性、二次和非线性规划),SPRNLP(稀疏最小二乘,稀疏和稠密非线性规划),SYSFIT(非线性方程组的参数估计),TENSOLVE(非线性方程组和最小二乘), VE10(非线性最小二乘)等。

  五、利用MATLAB优化工具箱求解

  利用MATLAB优化工具箱来求解最优化问题,可以节省编制优化程序的时间。

  在用此工具箱解优化问题时,我们只需利用文件编辑器来编写目标函数及约束函数的M文件,然后调用相应的优化函数,系统即可自动运行求出最优解,对于无约束的优化问题只需在命令窗口中输入相应的目标函数及初值,直接调用相应函数即可。

  MATLAB工具箱还提供给我们各种形式的输出结果。

  如我们将options设置为1时,就可以以表格的形式输出优化结果,其中包含了迭代次数、各个迭代阶段的函数值等。

  利用option参数还可以实现选择主要算法、选择搜索方向算法、控制有限微分梯度计算中变量x扰动的水平等功能。

  结束语

  程序设计的原则和选择设计步骤与一级减速器的设计顺序相同,并对强度公式作了严格的比较,加以挑选,对多数参数进行了优化。

  优化设计的程序比较灵活,可根据需要进行变动设计变量,优化后可明显提高承载能力。

  此程序可根据实际情况变动设计变量,除用一级、还可用二级标准或非标准直齿、斜齿圆柱齿轮减速器的设计。

  参考文献

  [1] 孙恒.陈作模.机械原理.第五版.高等教育出版社.2012年.

  [2] 濮良贵.纪名刚.机械设计.第七版.高等教育出版社.2011年.

  [3] 辛一行.现代机械设备设计手册.机械工业出版社.2012年.

  [4] 吴宗泽.机械设计手册(上册).机械工业出版社.2009年.

  [5] 吴宗泽.机械设计手册(下册).机械工业出版社.2008年.

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