《機電一體化畢業(yè)設計（論文）-齒輪減速器的優(yōu)化設計.docx》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機電一體化畢業(yè)設計（論文）-齒輪減速器的優(yōu)化設計.docx（48頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文）三門峽職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）封面編號：SMXP-7.5.1-P60-R002 日期： 2012 年 4 月 15 日三門峽職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文） 題 目 齒輪減速器的優(yōu)化設計 指導教師 系部 機電工程 專 業(yè) 機電一體化 姓 名 學號 2012年4月15日保存期限：三年 保存部門：專業(yè)教研室摘 要 齒輪傳動是現(xiàn)代機械中應用最廣的一種傳動形式。它的主要優(yōu)點是： 瞬時傳動比恒定、工作平穩(wěn)、傳動準確可靠可傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力； 適用的功率和速度范圍廣； 傳動效率高，=0.92-0.98； 工作可靠、使用壽命長； 外輪廓尺寸小、結

2、構緊湊。由齒輪、軸、軸承及箱體組成的齒輪減速器,用于原動機和工作機或執(zhí)行機構之間,起匹配轉速和傳遞轉矩的作用,在現(xiàn)代機械中應用極為廣泛。國內的減速器多以齒輪傳動、蝸桿傳動為主，但普遍存在著功率與重量比小，或者傳動比大而機械效率過低的問題。另外，材料品質和工藝水平上還有許多弱點，特別是大型的減速器問題更突出，使用壽命不長。國外的減速器，以德國、丹麥和日本處于領先地位，特別在材料和制造工藝方面占據優(yōu)勢，減速器工作可靠性好，使用壽命長。但其傳動形式仍以定軸齒輪傳動為主，體積和重量問題，也未解決好。當今的減速器是向著大功率、大傳動比、小體積、高機械效率以及使用壽命長的方向發(fā)展。減速器與電動機的連體結構

3、，也是大力開拓的形式，并已生產多種結構形式和多種功率型號的產品。近十幾年來,由于近代計算機技術與數控技術的發(fā)展，使得機械加工精度，加工效率大大提高，從而推動了機械傳動產品的多樣化，整機配套的模塊化，標準化，以及造型設計藝術化，使產品更加精致，美觀化。針對減速器存在的問題，本課題采用優(yōu)化設計的方法，力求使減速器的體積達到最小，建立數學模型，并通過matlab語言編輯后，得到一組優(yōu)化數據，到達預期目標，使減速器的體積比傳統(tǒng)的經驗設計結果減小20%-30%。并對輸出軸做了機械加工工藝分析。 關鍵字：減速器 優(yōu)化設計 齒輪 機械傳動IVAbstractWheel gears spreading to

4、move is a the most wide kind of the application spreads to move a form in the modern machine.Its main advantage BE:The spreads to move to settle, work than in a moment steady, spread to move accurate credibility, can deliver space arbitrarily sport and the motive of the of two stalks;Power and speed

5、 scope applies are wide; spreads to move an efficiency high, =0.92-0.98; work is dependable, service life long; Outline size outside the is small, structure tightly packed.The wheel gear constituted tofrom wheel gear, stalk, bearings and box body decelerates a machine, useding for prime mover and wo

6、rk machine or performance organization of, have already matched to turn soon and deliver a function of turning , the application is extremely extensive in the modern machine. Local deceleration machine much with the wheel gear spread to move, the pole spread to move for lord, but widespread exist po

7、wer and weight ratio small, or spread to move ratio big but the machine efficiency lead a low problem.There are also many weaknesses on material quality and craft level moreover, the especially large deceleration machines problem is more outstanding, the service life isnt long.The deceleration machi

8、ne of abroad, with Germany, Denmark and Japan be placed in to lead a position, occupying advantage in the material and the manufacturing craft specially, decelerating the machine work credibility like, service life long.But it spreads to move a form to still take settling stalk wheel gear to spread

9、to move as lord, physical volume and weight problem, dont also resolve like The direction which decelerates a machine to is the facing big power and spread to move ratio, small physical volume, high machine efficiency and service life to grow greatly nowadays develops.Decelerating the connecting of

10、machine and electric motor body structure is also the form which expands strongly, and have already produced various structure forms and various products of power model numbers.Be close to ten several in the last yearses, control a technical development because of the modern calculator technique and

11、 the number, make the machine process accuracy, process an efficiency to raise consumedly, pushed a machine to spread the diversification of movable property article thus, the mold piece of the whole machine kit turns, standardizing, and shape design the art turn, making product more fine, the beaut

12、y turns. For the reducer problem, the issue of optimal design approach in effort to minimize the size reducer, made the mathematical model, and edited by matlab language, get a set of optimal data to reach the target, so that the volume reducer experience than the traditional design results was redu

13、ced by 20%-30%. And the output shaft of the machining process of doing .Key words：Reduction gear、 Optimal design、gear 、mechanical drive 目錄摘 要IIAbstractIII緒論31 優(yōu)化設計31.1原始數據及優(yōu)化目標31.2優(yōu)化方案的選擇31.3數學模型的建立31.4算法的選取與建立31.5 matlab語言程序編輯32 軸承和傳動軸的設計32.1.軸的結構設計32.2 軸的強度校核33 鍵、聯(lián)軸器和電動機的選擇計算33.1 鍵的選擇計算33.2 聯(lián)軸器設計3

14、3.3 電動機的選擇34 箱體結構及其附件的設計34.1 箱體結構的設計34.2 附件設計34.3 潤滑密封設計35 減速箱輸出軸的工藝性分析35.1 輸出軸整體工藝分析35.2 選擇毛坯、確定毛坯尺寸、設計毛坯圖35.3 選擇減速箱輸出軸的加工方法，制定工藝路線35.4 機床設備的選用35.5 工序加工余量的確定，工序尺寸及公差的計算35.6 機械加工工藝過程卡片錯誤！未定義書簽。參考文獻37緒論齒輪減速器在各行各業(yè)中十分廣泛地使用著，是一種不可缺少的機械傳動裝置。當前減速器普遍存在著體積大、重量大，或者傳動比大而機械效率過低的問國外的減速器，以德國、丹麥和日本處于領先地位，特別在材料和制造

15、工藝方面占據優(yōu)勢，減速器工作可靠性好，使用壽命長。60年代開始生產的少齒差傳動、擺線針輪傳動、諧波傳動等減速器具有傳動比大，體積小、機械效率高等優(yōu)點。但受其傳動的理論的限制，不能傳遞過大的功率，功率一般都要小于40kw。由于在傳動的理論上、工藝水平和材料品質方面沒有突破，因此，沒能從根本上解決傳遞功率大、傳動比大、體積小、重量輕、機械效率高等這些基本要求。90年代初期，國內出現(xiàn)的三環(huán)（齒輪）減速器，是一種外平動齒輪傳動的減速器，它可實現(xiàn)較大的傳動比，傳遞載荷的能力也大。新型的內平動齒輪減速器與國內外已有的齒輪減速器相比較，有如下特點：（1）傳動比范圍大，自I=10起，最大可達幾千。若制作成大傳

16、動比的減速器，則更顯示出本減速器的優(yōu)點。（2）傳遞功率范圍大：并可與電動機聯(lián)成一體制造。（3）結構簡單、體積小、重量輕。比現(xiàn)有的齒輪減速器減少1/3左右。（4）機械效率高。嚙合效率大于95%，整機效率在85%以上，且減速器的效率將不隨傳動比的增大而降低，這是別的許多減速器所不及的。（5）本減速器采用的傳動是二級斜齒圓柱齒輪傳動。 通過對減速器輸出軸的機械加工工藝過程的設計,編制零件的機械加工工藝規(guī)程,是一項實踐性很強的工作,需要熟練掌握工藝規(guī)程制定的原則,內容和步驟.在課程設計的過程中體會到:首先要做好工藝編制前的前期準備工作;要熟悉零件的結構特點,技術要求,所用材料,生產批量,該零件的作用和

17、具體的生產條件,這些方面直接決定了零件的加工工藝規(guī)程.隨著社會以及工業(yè)技術的不斷發(fā)展，當前數控加工機床不斷普及、數控加工技術日益成熟，現(xiàn)有標準減速器也可以充分利用CAD/CAM軟件進行幾何造型建模，利用上述數控設備加工，這對現(xiàn)有標準減速器生產質量和效率的提高，有很大的現(xiàn)實意義。1 優(yōu)化設計1.1 原始數據及優(yōu)化目標1、原始數據：高速軸輸入功率P1=44kW，高速軸轉速n1=1440r/min，用電動機驅動，長期工作，載荷有中等沖擊，總傳動比i=20，高速級和低速級齒輪的齒寬系數分別為和，高速級和低速級上小齒輪比大齒輪分別寬和，高速級與低速級的齒輪傳動誤差分別為和，大齒輪用20Cr滲碳淬火，齒面

18、硬度為59HRC，小齒輪用20CrMnTi滲碳淬火，齒面硬度為59HRC，材料密度為。2、優(yōu)化目標：設計二級斜齒圓柱齒輪減速器，要求在滿足強度、剛度和壽命等條件下，使體積小。1.2優(yōu)化方案的選擇 優(yōu)化方法可以選用多目標優(yōu)化方法，也可以采用單目標優(yōu)化方法,多目標優(yōu)化方法的特點是，在約束條件下，各個目標函數不是被同等的采用，而是按不同的優(yōu)先層次先后的進行優(yōu)化。由于這類問題要同時考慮多個指標，而且有時會碰到多個定性指標，且有時難于判斷說哪個決策好。這就造成多目標函數優(yōu)化問題的特殊性。多目標優(yōu)化設計問題要求各分量目標都達到最優(yōu)，如能獲得這樣的結果，當然是十分理想的。但是一般比較困難，尤其是各個目標的優(yōu)

19、化互相矛盾時更是如此，例如本課題的體積小和轉動慣量大的要求互相矛盾。所以解決多目標優(yōu)化設計問題也是一個復雜的問題，比起單目標優(yōu)化設計問題來，在理論上和計算方法上都還不夠完善，也不夠系統(tǒng)，多目標優(yōu)化問題與單目標優(yōu)化問題還有一個本質的不同點：多目標優(yōu)化是一個向量函數的優(yōu)化，即函數值大小的比較，而向量函數值大小的比較，要比標量值大小的比較復雜。在單目標優(yōu)化問題中，任何兩個解都可以比較其優(yōu)劣，因此是完全有序的?？墒菍τ诙嗄繕藘?yōu)化問題，任何兩個解不一定都可以比出其優(yōu)劣，因此只能是半有序的。單目標優(yōu)化方法可以選擇設計目標中的最重要因素作為優(yōu)化目標而達到最優(yōu),基于此，本課題采用單目標優(yōu)化方法。按照優(yōu)化目標要

20、求，取體積最小作為最終優(yōu)化目標，它可以歸結為使減速器的總中心矩a為最小。1.3數學模型的建立1 變量的選取 一個設計方案可以用一組基本參數的數值來表示.這些基本參數可以是構件長度,截面尺寸,某些點的坐標值等幾何量,也可以是重量,慣性矩力等物理量,還可以是應力,變形,固有頻率,效率等代表工作性能的導出量。但是，對一個具體的優(yōu)化設計問題，并不是要求對所有的基本參都用優(yōu)化方法進行調整。例如，對某個機械結構進行優(yōu)化設計，一些工藝，結構布置等方面的參數，或者某些工作性能的參數，可以根據已有的經驗預先取為定值。這樣，對這個設計方案來說，它們就成為設計常數。而除此之外的基本參數，則需要在優(yōu)化設計過程中不斷進

21、行修改，調整，一直處于變化的狀態(tài)，這些基本參數稱為設計變量，又叫做優(yōu)化參數。 二級斜齒圓柱齒輪減速器由兩對斜齒圓柱齒輪傳動共四個齒輪組成，它們的齒數分別為相應的齒數比分別為,和,兩組傳動齒輪的法向模數分別設為Mn1和Mn2；齒輪的螺旋叫角為。這里都是設計參數，但由于設計時已給定總傳動比i，且有所以從而四個齒輪的齒數只要能確定兩個即可，定兩個小齒輪的齒數Z1和Z3位設計變量，因此這個優(yōu)化設計問題的獨立設計變量為:六個。2 目標函數 在所有的可行設計中，有些設計比另一些要“好些”，如果確實是這樣，則“較好”的設計比“較差”的設計必定具備某些更好的性質。倘若這種性質可以表示為設計變量的一個可計算函數

22、，則我們可以考慮優(yōu)化這個函數，以得到更好的設計。這個用來使設計得以優(yōu)化的函數稱作目標函數。用它可以評價設計方案的好壞，所以它又被稱作評價函數，計作f(x),用以強調它對設計變量的依賴性。 上面提到，本課題的優(yōu)化目標選為體積最小，并歸結為使減速器的總中心距a最小，寫成 (1-1) 3 約束函數 設計空間是所有設計方案的集合，但這些設計方案有些是工程上所不能接受的。如果一個設計滿足所有對它提出的要求，就稱為可行設計，反之則稱為不可行設計。一個可行設計必須滿足某些設計限制條件，這些限制條件稱為約束條件。在工程問題中，根據約束的性質可以把它們區(qū)分成性能約束和側面約束兩大類，針對性能要求而提出的限制條件

23、稱作性能約束，不針對性能要求，只是對設計變量的取值范圍加以限制的約束稱作側面約束，也稱作邊界約束。 本課題保證總中心距a為最小時應滿足的條件是本優(yōu)化設計問題的約束條件，性能約束有：齒面的接觸強度和齒根的彎曲強度以及中間軸上的大齒輪不與低速軸發(fā)生干涉。 (1) 齒面接觸強度計算給出 (1-2)和 (1-3)式中-需用接觸應力；高速軸的轉矩；中間軸的轉矩；載荷系數； -尺寬系數。（2）齒根彎曲強度計算給出 高速級小大齒輪的齒根彎曲強度條件為 (1-4) (1-5) 低速級小大齒輪的齒根彎曲強度條件為 (1-6) (1-7)式中 ，分別是齒輪的許用彎曲應力；分別是齒輪的齒形系數。（3）根據不干涉條件

24、 (1-8)邊界約束條件有： （1）不跟切條件 (1-9) (1-10) （2） 動力傳動模數 (1-11) (1-12)(3) 圓柱齒輪傳動比 (1-13)4 標準數學模型 將以上物理模型轉化為標準數學模型 (1) 設計變量 (1-14) (2)目標函數 (1-15)(3)約束函數 st （高速級齒輪接觸強度條件） (1-16)（低速級齒輪接觸強度條件） (1-17)（高速級小齒輪彎曲強度條件） (1-18)（高速級大齒輪彎曲強度條件(1-19) （低速級小齒輪彎曲強度條件）(1-20) （低速級大齒輪彎曲強度條件）(1-21)（大齒輪與軸不干涉條件） (1-22)（高速級齒輪副模數的下限）

25、 (1-23)（高速級齒輪副模數的上限） (1-24)（低速級齒輪副模數的下限） (1-25)（低速級齒輪副模數的上限） (1-26)（高速級小齒輪齒數的下限） (1-27)（高速級小齒輪齒數的上限） (1-28)（低速級小齒輪齒數的下限） (1-29)（低速級小齒輪齒數的上限） (1-30)（高速級傳動比的下限） (1-31)（高速級傳動比的上限） (1-32)（齒輪副螺旋角的下限） (1-33)（齒輪副螺旋角的上限） (1-34)1.4算法的選取與建立 由目標函數和約束函數的形式知選擇外點懲罰函數進行計算較為合理。懲罰函數法是一種使用很廣泛，很有效的間接算法。它的基本原理是將約束優(yōu)化問題中

26、的不等式和等式約束函數經過加權轉化后，和原目標函數結合成新的目標函數-懲罰函數，求解該新目標函數的無約束極小值，以期得到原問題的約束最優(yōu)解。為此，按一定的法則改變加權因子的值，構成一系列的無約束優(yōu)化問題，求得一系列的無約束最優(yōu)解，并不斷地逼近原約束優(yōu)化問題的最優(yōu)解。外點懲罰函數法簡稱外點法，新目標函數定義在可行域之外，序列迭代點從可行域之外逐漸逼近約束邊界上的最優(yōu)點。外點法可以用來求解含不等式和等式約束的優(yōu)化問題。算法方框圖如圖1： 圖11.5 matlab語言程序編輯1 Matlab 簡介 在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快

27、捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。美國Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數值分析、矩陣運算、數字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序，并集應用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過，Matlab作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學習它。但由于使用Ma

28、tlab編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式完全一致，所以不象學習其它高級語言-如Basic、Fortran和C等那樣難于掌握。實踐證明，你可在幾十分鐘的時間內學會Matlab的基礎知識，在短短幾個小時的使用中就能初步掌握它.從而使你能夠進行高效率和富有創(chuàng)造性的計算。 Matlab大大降低了對使用者的數學基礎和計算機語言知識的要求，而且編程效率和計算效率極高，還可在計算機上直接輸出結果和精美的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風行美國，流傳世界。 綜上所述，Matlab語言有如下特點：1編程效率高 2用戶使用方便 3擴充能力強 4語句簡單，內涵豐富 5高效方便的矩陣和數組運

29、算 6方便的繪圖功能2 matlab編程 本課題調用函數為多維約束優(yōu)化命令fmincon,及子函數目標函數jsqyh_f和非線性約束函數jsqyh_g.fmincon函數的基本形式為x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon，options)其中fun為你要求最小值的函數，可以單寫一個文件設置函數。（1）.如果fun中有N個變量，如x y z, 或者是X1, X2,X3, 什么的，自己排順序，在fun中統(tǒng)一都是用x(1),x(2）.x(n) 表示的。（2）. x0, 表示初始的猜測值，大小要與變量數目相同(3). A b 為線性不等約束，A*x 1

30、.215齒輪端面與內機壁距離10機蓋，機座肋厚9 8.5軸承端蓋外徑+（55.5）126（1軸）166（2軸）196（3軸）軸承旁聯(lián)結螺栓距離130（1軸）180（2軸）216（3軸）4.3潤滑密封設計對于二級圓柱齒輪減速器，因為傳動裝置屬于輕型的，且傳速較低，所以其速度遠遠小于，所以采用脂潤滑，箱體內選用SH0357-92中的50號潤滑，裝至規(guī)定高度. 由于本次優(yōu)化結果充分考慮了減小體積,使高速級傳動的大齒輪與低速級傳動的大齒輪半徑相差較大,因此添加一個甩油輪,確保兩級傳動都能潤滑,其中油的粘度大，化學合成油，潤滑效果好。密封性來講為了保證機蓋與機座聯(lián)接處密封，聯(lián)接凸緣應有足夠的寬度，聯(lián)接表

31、面應精刨，其表面粗度應為 密封的表面要經過刮研。而且，凸緣聯(lián)接螺柱之間的距離不宜太大，取100mm。并勻均布置，保證部分面處的密封性。5 減速箱輸出軸的工藝性分析5.1 輸出軸整體工藝分析1.軸的工作原理：軸套上的齒輪置于減速箱內，連軸器置于輸出終端，作用是輸出轉矩，傳遞動力，所以材料具有較高的抗彎強度、扭轉強度。2.零件圖樣分析（1）該零件軸段的安排是呈階梯型，中間粗兩端細，符合強度外形原則，便于安裝和拆卸。其加工精度要求較高，要有較高的形位公差，表面粗糙度最高達到了0.8m。零件的中心軸是設計基準和工藝基準。（2）mm對公共軸線的圓跳動為0.012mm。（3）125mm的兩端面對公共軸線的

32、圓跳動度為0.015mm。（4）105mm對公共軸線的的圓跳動度為0.012mm。（5）mm90mm鍵槽對基準D對稱度 0.020mm。（6）mm140mm鍵槽對基準C的對稱度0.020mm （7）零件的材料為45鋼。（8）調質處理,硬度為217225HBS（9）mm為軸承配合，所以軸表面的精度，配合要求較高，Ra為0.8m。（10）各軸肩處過度圓角R=2.5。（11）軸端加工出45倒角，是為了便與裝配。3.零件的工藝分析（1）零件的毛坯材料為45，是典型的軸用材料，綜合機械性能良好。該材料是優(yōu)質碳素鋼，經調制處理之后具有良好的力學性能和切削加工性能。經淬火加高溫回火后具有良好的綜合力學性能，

33、具有較高的強度、較好的韌性和塑性。（2）該軸式階梯軸，其結構復雜程度一般，其有三個過渡臺階。根據表面粗糙度要求和生產類型，表面加工應分為粗加工和精加工。加工時應把精加工和粗加工分開，這樣經多次加工以后逐漸減少了零件的變形誤差。（3）此零件的毛坯為模鍛件，外形不需要加工。（4）該軸的加工以車削為主，車削時應保證外圓的同軸度。（5）在精車前安排了熱處理工藝，以提高軸的疲勞強度和保證零件的內應力減少，穩(wěn)定尺寸、減少零件變形。并能保證工件變形之后能在半精車時糾正。（6）同一軸心線上各軸 孔的同軸度誤差會導致軸承裝置時歪斜，影響軸的同軸度和軸承的使用壽命。所以在車削磨削過程中，要保證其同軸度。4 減速箱

34、輸出軸的表面粗糙度、形狀和位置精度要求與表面粗糙度要求見表2表2加工表面尺寸及偏差（mm）公差及精度等級表面粗糙度Ra（m）形位公差主軸左軸面IT70.80.012A主軸左軸面IT61.635軸面IT70.80.012A主軸右軸面IT51.6主軸右端內螺孔B3.15/105 審查零件的結構工藝性（1）結構力求簡單、對稱，橫截面尺寸不應該有突然地變化。（2）應有合理的模面和圓角半徑（3）45剛具有良好的鍛性5.2 選擇毛坯、確定毛坯尺寸、設計毛坯圖1毛坯的選擇因為減速箱輸出軸在工作過程中要承受沖擊載荷、扭轉力矩。且載荷比較大。為增強它的抗扭強度和沖擊韌度，毛坯應選用優(yōu)質低碳鋼。應為生產類型屬于小批量生產，為了提高生產效率宜采用模鍛方法制造毛坯。2確定毛坯的尺寸公差及機械加工余量公差等級 根據零件圖個部分的加工精度要求，鍛件的尺寸公差等級為8-12級，加 工余量等級為普通級，故取IT=12級。（1） 零件表面粗糙度根據零件圖可知該軸各加工表面的粗糙度至少為0.8m。（2） 毛坯加工余量的確定根據上面估算的鍛件的質量、形狀復雜系數與零件的長度，查表可得單邊余量的范圍為1.72.2mm。由于零