裝配圖懲罰函數(shù)法二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

裝配圖懲罰函數(shù)法二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì),裝配,懲罰,函數(shù),二級(jí),圓柱齒輪,減速器,優(yōu)化,設(shè)計(jì) 一、 選題的依據(jù)及意義： 齒輪減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場(chǎng)合也用來(lái)增速，稱為增速器。其特點(diǎn)是減速電機(jī)和大型減速機(jī)的結(jié)合。無(wú)須聯(lián)軸器和適配器，結(jié)構(gòu)緊湊。負(fù)載分布在行星齒輪上，因而承載能力比一般斜齒輪減速機(jī)高。滿足小空間高扭矩輸出的需要。廣泛應(yīng)用于大型礦山，鋼鐵，化工，港口，環(huán)保等領(lǐng)域。與K、R系列組合能得到更大速比。按照齒形分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓柱—圓錐齒輪減速器; 二級(jí)圓柱齒輪減速器就是按其分類來(lái)命名的。圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)是按傳統(tǒng)方法進(jìn)行的。設(shè)計(jì)人員按照各種資料、文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)已有減速器做一番對(duì)比，初步定出一個(gè)設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)這個(gè)方案進(jìn)行一些驗(yàn)算，如果驗(yàn)算通過(guò)了，方案便被肯定了。顯然，這個(gè)方案是可采用的。但這往往使設(shè)計(jì)的減速器有很大的尺寸富余量，造成財(cái)力、物力和人力的極大浪費(fèi)。因此，優(yōu)化圓柱齒輪減速器勢(shì)在必行。 圓柱齒輪傳動(dòng)與普通定軸齒輪傳動(dòng)相比較，具有質(zhì)量小、體積小、傳動(dòng)比大、承載能力大以及傳動(dòng)平穩(wěn)和傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，這些已被我國(guó)越來(lái)越多的機(jī)械工程技術(shù)人員所了解和重視。由于在各種類型的圓柱齒輪傳動(dòng)中均有效的利用了功率分流性和輸入、輸出的同軸性以及合理地采用了內(nèi)嚙合，才使得其具有了上述的許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。圓柱齒輪傳動(dòng)不僅適用于高速、大功率而且可用于低速、大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械傳動(dòng)裝置上。它可以用作減速、增速和變速傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的合成和分解，以及其特殊的應(yīng)用中；這些功用對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展有著重要意義。因此，圓柱齒輪傳動(dòng)在起重運(yùn)輸、工程機(jī)械、冶金礦山、石油化工、建筑機(jī)械、輕工紡織、醫(yī)療器械、儀器儀表、汽車(chē)、船舶、兵器、和航空航天等工業(yè)部門(mén)均獲得了廣泛的應(yīng)用。對(duì)這種減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必將獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 選做這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，一方面對(duì)于減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理也有一定的了解和基礎(chǔ)，其次通過(guò)對(duì)圓柱齒輪減速器這一畢業(yè)課題設(shè)計(jì)可以鞏固我大學(xué)4年來(lái)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，對(duì)于我也是一種檢驗(yàn)?？梢匀鏅z驗(yàn)我大學(xué)所學(xué)的知識(shí)是否全面，是否能靈活運(yùn)用到實(shí)際生活工作中。在做的過(guò)程中我還可以不斷學(xué)習(xí)和拓寬視野和思路，做到理論與實(shí)際相結(jié)合的運(yùn)用。最重要的是對(duì)于即將離校走向社會(huì)的我是一種挑戰(zhàn)，培養(yǎng)我獨(dú)立思考，樹(shù)立全局觀念，為以后的我奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 二、 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）： 隨著時(shí)代進(jìn)步，科技與時(shí)俱進(jìn)，對(duì)于齒輪的傳動(dòng)越來(lái)越多的科技因素在起 著主導(dǎo)地位。世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和俄羅斯等，對(duì)齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用，生產(chǎn)和研究都十分重視，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳動(dòng)性能，傳動(dòng)功率、轉(zhuǎn)矩和速度等方面均處于領(lǐng)先地位，并出現(xiàn)一些新型的圓柱傳動(dòng)技術(shù)，如封閉圓柱齒輪傳動(dòng)、圓柱齒輪變速傳動(dòng)和微型圓柱齒輪傳動(dòng)等早已在現(xiàn)代化的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中獲得了成功的應(yīng)用。圓柱齒輪傳動(dòng)在我國(guó)已有了許多年的發(fā)展史，很早就有了應(yīng)用。然而，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)才開(kāi)始對(duì)圓柱齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了較深入、系統(tǒng)的研究和試制工作。無(wú)論是在設(shè)計(jì)理論方面，還是在試制和應(yīng)用實(shí)踐方面，均取得了較大的成就，并獲得了許多的研究成果。 近20多年來(lái)，尤其是我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)已從世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了大量先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備和技術(shù)，經(jīng)過(guò)我國(guó)機(jī)械科技人員不斷積極的吸收和消化，與時(shí)俱進(jìn)，開(kāi)拓創(chuàng)新地努力奮進(jìn)，使我國(guó)的齒輪傳動(dòng)技術(shù)有了迅速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)減速器行業(yè)重點(diǎn)骨干企業(yè)的產(chǎn)品品種、規(guī)格及參數(shù)覆蓋范圍近幾年都在不斷擴(kuò)展，產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家同類產(chǎn)品水平。?縱觀國(guó)內(nèi)減速器行業(yè)的現(xiàn)狀，為保持行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展在充分肯定行業(yè)不斷發(fā)展、進(jìn)步的同時(shí)，更應(yīng)看到存在的問(wèn)題，并積極研究對(duì)策，采取措施，力爭(zhēng)在較短時(shí)間內(nèi)能有所進(jìn)展。目前，同外減速器行業(yè)存在的比較突出的問(wèn)題是，行業(yè)整體新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力弱、工藝創(chuàng)新及管理水平低，企業(yè)管理方式較為粗放，相當(dāng)比例的產(chǎn)品仍為中低檔次、缺乏有國(guó)際影響力的產(chǎn)品品牌、行業(yè)整體散、亂情況依然較為嚴(yán)重?；诖?，推進(jìn)行業(yè)優(yōu)勢(shì)企業(yè)間的購(gòu)并、整合，盡快形成有著一定的市場(chǎng)影響力的品牌、有較大規(guī)模的和實(shí)力、有較強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)支持能力的這樣若干個(gè)集團(tuán)型企業(yè)，如此放能在與國(guó)外同行的競(jìng)爭(zhēng)中保持一定的優(yōu)勢(shì)并不斷得以發(fā)展。? 國(guó)內(nèi)減速器行業(yè)重點(diǎn)骨干企業(yè)的產(chǎn)品品種、規(guī)格及參數(shù)覆蓋范圍近幾年都在不斷擴(kuò)展，產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家同類產(chǎn)品水平，完全可承擔(dān)起為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供傳動(dòng)裝置配套的重任，部分產(chǎn)品還出口至歐美及東南亞地區(qū)。? 目前，國(guó)內(nèi)各類通用減速器的標(biāo)準(zhǔn)系列已達(dá)數(shù)百個(gè)，基本可滿足各行業(yè)對(duì)通用減速器的需求。在第一代通用硬齒面齒輪減速器及圓弧圓柱蝸桿減速器系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，由西安重型機(jī)械研究落開(kāi)發(fā)并完成標(biāo)準(zhǔn)化的新一代圓柱及圓錐——圓柱齒輪減速器及圓弧圓柱蝸桿減速器業(yè)已投方市場(chǎng)。新一代減速器的突出特點(diǎn)為不僅在產(chǎn)品性能參數(shù)上進(jìn)一步進(jìn)行于優(yōu)化，而且在系列設(shè)計(jì)上完全遵從模塊化的設(shè)計(jì)原則，產(chǎn)品造型更加美觀，更宜于組織批量生產(chǎn)，更適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展而對(duì)基礎(chǔ)件產(chǎn)品提出的愈來(lái)愈高的配套要求。此外，南京高精齒輪股份有限公司也推動(dòng)了PR系列的模塊式齒輪減速器系列產(chǎn)品。但總體而言，國(guó)內(nèi)同外減速器系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及更新工作近幾年進(jìn)展緩慢，與國(guó)外同行在此方面的差距有拉大的趨勢(shì)。而且與市場(chǎng)的需求也很不適應(yīng)，西安重型機(jī)械研究所及國(guó)內(nèi)其他單位今年已著手開(kāi)始這方面的開(kāi)發(fā)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化工作。????? 在通用減速器的制造方面，國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)廠家數(shù)目眾多，如對(duì)各種類型的圓柱齒輪機(jī)圓錐——圓柱齒輪或者齒輪——蝸桿減速器系列產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)主要廠家有南京高精齒輪股份有限公司、寧波東力傳動(dòng)設(shè)備有限公司、江陰齒輪箱制造有限公司、江蘇泰星減速器有限公司、江蘇金象減速機(jī)有限公司、山西平遙減速機(jī)廠等。對(duì)象蝸桿減速器，目前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)圓弧圓柱蝸桿減速器、錐面包絡(luò)圓柱蝸桿減速器、平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿減速器等多種類型，主要生產(chǎn)廠家有江蘇金象減速機(jī)有限公司、首鋼機(jī)械制造公司、杭州減機(jī)廠、杭州萬(wàn)杰減速劑有限公司、天津萬(wàn)新減速機(jī)廠、上海浦江減速機(jī)有限公司等，對(duì)各種通用圓柱齒輪減速器、包括標(biāo)準(zhǔn)的NGW系列圓柱齒輪減速器，也包括各類回轉(zhuǎn)圓柱減速器及封閉式圓柱齒輪檢錄其等，主要生產(chǎn)廠家有荊州巨鯨動(dòng)機(jī)械有限公司、洛陽(yáng)中重齒輪箱有限公司、西安重型機(jī)械研究所、石家莊科一重工有限公司、內(nèi)蒙興華機(jī)械廠等。? 在各類專用傳動(dòng)裝置的開(kāi)發(fā)機(jī)制造方面，國(guó)內(nèi)近幾年取得的明顯的進(jìn)展，如重慶齒輪箱有限責(zé)任公司生產(chǎn)的MDH28型磨機(jī)邊緣驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，其最大功率已達(dá)7000KW，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)5000KN.m，總重46噸，生產(chǎn)的1700熱連軋主傳動(dòng)齒輪箱子的最大模數(shù)為30，重量達(dá)180噸。由杭州前進(jìn)齒輪箱有限公司生產(chǎn)的gwc70/76型1.2萬(wàn)噸及裝箱船用齒輪箱，傳動(dòng)功率已達(dá)6250KW。(轉(zhuǎn)載中國(guó)鍛壓網(wǎng))由南京高精齒輪股份有限公司及重慶齒輪箱有限公司生產(chǎn)的里磨系列齒輪箱最大功率已達(dá)3800KW，由西安重型機(jī)械研究所、洛陽(yáng)重重齒輪箱有限公司、荊州巨鯨傳動(dòng)機(jī)械有限公司等開(kāi)發(fā)制造的重載圓柱齒輪箱系列產(chǎn)品在礦山、冶金、建材、煤炭及水電等行業(yè)也都得到了廣泛應(yīng)用，其中西安重型機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)的水泥行業(yè)輥壓機(jī)懸掛系列圓柱齒輪箱的輸入功率已達(dá)1250KW，用于鋁造軋機(jī)的圓柱齒輪箱有司責(zé)任公司、杭州前進(jìn)出論箱有限公司、西安重型機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)的風(fēng)力發(fā)電增速箱系列產(chǎn)品也逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)。在大型齒圈的制造方面，國(guó)內(nèi)目前最大直徑為9.936米，凈重達(dá)80噸的齒圈已由中信重機(jī)制造完成，并用于武鋼集團(tuán)年產(chǎn)500萬(wàn)噸氧化球生產(chǎn)線，至此用于大型燒結(jié)機(jī)、磨機(jī)、回轉(zhuǎn)窯的大型驅(qū)動(dòng)裝置以及用于轉(zhuǎn)爐及燒結(jié)設(shè)備的大型柔性傳動(dòng)裝置國(guó)內(nèi)均可圈套供貨，而無(wú)需再行進(jìn)口。???????? 在其他類型新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方面，行業(yè)企業(yè)也取得了不少成果，如西安重型機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)的工程車(chē)輛變速箱和風(fēng)機(jī)及泵用差動(dòng)節(jié)能調(diào)速裝置、洛陽(yáng)中重齒輪箱有限公司的大型礦井提升機(jī)圓柱齒輪箱、江蘇金象減速機(jī)公司的磨機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱、北京太富力傳動(dòng)有限公司的大型三環(huán)傳動(dòng)齒輪箱及傳動(dòng)裝置等，也都受到了市場(chǎng)的歡迎并得以廣泛應(yīng)用。? ???????在行業(yè)企業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)展及技術(shù)改造方面，近幾年呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展，這一方面得益于近幾年市場(chǎng)強(qiáng)勁需求的拉動(dòng)，另一方面也是受企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提升加工制造水平、進(jìn)而提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主觀愿望的驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)品廠家近二年購(gòu)進(jìn)的關(guān)鍵加工設(shè)備，如大型磨齒機(jī)、鏜銑床、技工中心及熱處理設(shè)備等，累計(jì)超過(guò)200余臺(tái)（套），預(yù)計(jì)行業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)大一倍以上，技改工作的開(kāi)展固然有提審行業(yè)企業(yè)規(guī)模和生產(chǎn)集中度及競(jìng)爭(zhēng)力的客觀效果，但由于仍存在行業(yè)企業(yè)數(shù)量多、規(guī)格小及水平參差不齊等實(shí)際問(wèn)題，因之隨著市場(chǎng)需求的回落和國(guó)外同行廠商大規(guī)模進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)必將進(jìn)一步加劇，這也必將促進(jìn)行業(yè)企業(yè)間的購(gòu)并、整合甚至轉(zhuǎn)型。 據(jù)有關(guān)資料介紹，人們認(rèn)為目前齒輪傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向如下： （1） 標(biāo)準(zhǔn)化、多品種 目前世界上已經(jīng)有50多個(gè)漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)系列設(shè)計(jì)；而且還演化出多種形式的圓柱減速器、差速器和圓柱變速器等多種產(chǎn)品。 （2） 硬齒面、高精度 圓柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪廣泛采用滲碳和氮化等化學(xué)熱處理。齒輪制造精度一般均在6級(jí)以上。顯然，采用硬齒面、高精度有利于進(jìn)一步提高承載能力，使齒輪尺寸變得更小。 （3） 高轉(zhuǎn)速、大功率 圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高速傳動(dòng)中，如在高速汽輪中已獲得日益廣泛的應(yīng)用，其傳動(dòng)功率也越來(lái)越大。 大規(guī)格、大轉(zhuǎn)矩 在中低速、重載傳動(dòng)中，傳遞大轉(zhuǎn)矩的大規(guī)格的圓柱齒輪傳動(dòng)已有了較大的發(fā)展。 三、 研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案： 在圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)所要求該圓柱傳動(dòng)的要求（原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)技術(shù)要求），進(jìn)一步分析該傳動(dòng)所需的使用要求、工作狀況和所需齒輪的機(jī)械特性，首先應(yīng)了解和掌握該圓柱齒輪傳動(dòng)的已知條件；通常，已知的其原始數(shù)據(jù)為輸入功率、輸入轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、工作特性和載荷工況等。 建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)是實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)抽象。在明確設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)之后，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化成一般數(shù)學(xué)問(wèn)題。采用懲罰函數(shù)法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行約束優(yōu)化，以中心距最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。進(jìn)而繪制出減速器裝配圖及主要零件圖。 二級(jí)圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般原則是： （1）各級(jí)傳動(dòng)的承載能力大致相等（可以最大性能的發(fā)揮減速器的承載能力）； （2）在一定承載能力下，減速器具有最小的外形尺寸和重量； （3）各級(jí)傳動(dòng)中大齒輪的浸油深度大致相等。 四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 1、設(shè)計(jì)目標(biāo)： 設(shè)計(jì)出的圓柱齒輪減速器：其輸入功率P=6.2kW，輸入轉(zhuǎn)速n1=1450r/min，總傳動(dòng)比i=16.5，齒輪的寬度系數(shù)φa=0.4，工作壽命10年，每年工作300天。結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)功率較高，采用懲罰函數(shù)法，以中心距最小為目標(biāo)進(jìn)行減速器優(yōu)化設(shè)計(jì) 2、圓柱齒輪減速器主要特色： 1、重量輕、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大 2、傳動(dòng)效率高 3、傳動(dòng)功率范圍大，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解 4、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng) 5、采用硬齒面技術(shù)，使用壽命長(zhǎng)，使用性廣。 3、工作進(jìn)度： 1. 收集資料、開(kāi)題報(bào)告、外文翻譯 3.05－3.25 第1周—第3周 2. 建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 3.26－4.8 第4周—第6周 3．編寫(xiě)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序、計(jì)算 4.11－4.24 第 7周—第9周 4. 減速器常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)果分析 4.25－5.6 第10周—第12周 5. 繪制減速器裝配圖及主要零件圖 5.9－5.20 第13周—第14周 6. 撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5.21－5.31 第15周—第16周 7．答辯準(zhǔn)備及論文答辯 6.1－6.2 第17周 五、參考文獻(xiàn) [1]、璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第八版.北京：高等教育出版社，2007 [2]、孫靖民主編.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì).第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [3]、方世杰，綦耀光主編.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.2 [4]、王昆等主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [5]、Carrol, R., and Johnson, G.,“Optimal design of compact spur gear sets”, ASME Journal of mechanisms, transmissions and automation in design. 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