惩罚函数法二级圆柱齿轮减速器的优化设计

摘要：减速器是各类机械设备中广泛使用的传动装置。其主要特点为传递功率大、制造简单、维修方便和使用寿命长等优点。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。从理论上对圆柱齿轮减速器的结构进行了分析并作了常规设计，并对其它的一些附件进行了相应的设计，设计完毕，对其齿面、齿根弯曲强度进行校核，结果满足要求。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：圆柱齿轮减速器   优化设计   惩罚函数法   中心距   常规设计

目   录

1  序言

1.1   选题的依据及意义 1

1.2   研究概况及发展趋势 1

1.3   减速器的主要类型 2

1.4   减速器结构 4

1.5   圆柱齿轮传动的特点 5

1.6  机械零件优化设计概述 5

2   二级圆柱齿轮减速器优化设计数学模型的创建

2.1   优化设计介绍 6

2.1.1   优化设计的意义与发展 6

2.1.2   优化设计方法的选择 8

2.1.3   优化设计中主要术语概述 9

2.1.3.1   优化方法 9

2.1.3.2   设计变量 9

2.1.3.3   约束条件 10

2.1.3.4   目标函数 11

2.1.3.5   数学模型 11

2.2   优化设计的步骤 12

2.2.1   建立数学模型 12

2.2.2   选择最优化算法 13

2.2.3   程序设计 14

2.2.4   计算机自动刷选最优设计方案 14

2.3   优化设计与常规设计的比较 14

2.4   原始数据及设计要求 15

2.5   减速器轮传动类型的选择 15

2.6   建立优化设计的数学模型 16

3   采用惩罚函数法进行调优

3.1   惩罚函数法的简介 18

3.1.1   内点惩罚函数法 19

3.1.2   内点法的计算步骤 20

3.1.3   外点惩罚函数法 20

3.1.4   混合惩罚函数法 21

3.2  二级圆柱齿轮减速器优化程序 21

4   二级圆柱齿轮减速器的设计及计算

4.1   传动方案的选择 22

4.2   电动机的选择 23

4.2.1   型号的选择 23

4.2.2   功率的选择 24

4.2.3   转速的选择 24

4.3   电动机型号的最终确定 25

4.4   传动装置运动的计算和动力参数的确定 26

4.4.1   各轴转速的计算 26

4.4.2   各轴输入功率的确定 26

4.4.3   各轴输入转矩T(N•m) 26

4.5  传动件的设计计算 27

4.5.1   带传动的形式和参数确定 27

4.5.2   齿轮类型选择及参数确定 28

4.6   轴的设计计算 36

4.7   轴的校核计算 38

4.8   滚动轴承型号的选择 38

4.9   联接键的选择及其校核 39

4.10  减速器机体结构尺寸计算表及附件的选择 40

4.11  润滑方式的选择 41

4.11.1   传动件的润滑 41

4.11.2   滚动轴承的润滑 42

总   结 43

参考文献 44

致   谢 45

附  录 A 46