混合式齿轮减速器（共4篇）
混合式齿轮减速器 篇1
0引言
行星齿轮减速器因具有体积小、重量轻、承载能力高、结构紧凑、传动效率高等优点而广泛应用于冶金机械、工程机械、轻工机械、起重运输机械、石油化工机械等各个方面。UG软件是集CAD/CAE/CAM为一体的三维化的软件, 它是当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件, 广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG的CAD/CAE/CAM功能模块有复杂的特征建模、装配、运动仿真和有限元分析等功能。实现UG有限元分析功能, 必须要遵从UG有限元分析的一般过程, 构建有限元模型, 其中包括自动网格划分、添加约束与载荷, 利用图形的方式得到模型应力、应变的分布情况。机械优化设计, 就是在给定的载荷和约束条件下, 选择设计变量, 建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。
1齿轮轴几何参数的初选
通过常规设计方法设计计算出齿轮轴的几何参数, 齿轮轴的齿形为渐开线直齿。分配减速器传动比, 计算齿轮模数, 并根据传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件确定齿轮的齿数。齿轮轴的齿轮基本参数如表1所示。
2齿轮轴的三维建模
利用UG/Modeling模块建立齿轮轴模型, 如图1所示 (去掉网格后的实体模型) 。
2.1网格划分
网格划分越密集, 计算结果越精确, 但是这会使计算时间加长。单元网格的划分采用UG自带的3D四面体自动网格划分, 单元尺寸为3mm。网格划分情况如图1所示。
2.2定义材料特性
齿轮轴材料选择20Cr, 其材料属性如下:质量密度7.850e3kg/m^3, 杨氏模量205000N/mm^2 (MPa) , 泊松比0.29, 屈服强度等于540N/mm^2 (MPa) 。
2.3施加约束和载荷
齿轮轴两端由两个滚子轴承支撑, 限制了空间5个自由度, 只允许转动。本论文只考虑齿轮轴齿轮处的应力进而对其进行优化, 所以为齿轮轴加载荷及约束, 安装轴承处加圆柱形约束, 在轴端即与联轴器相连处施加大小为175.083N·m的扭矩。约束和载荷施加情况如图2所示。
2.4求解和结果查看
UG软件的结构分析模块提供了强大的后处理功能, 可以自动生成计算分析报告。齿轮轴的Von Mises应力图如图3所示。单元节点最大应力为325.8MPa, 基本接近材料屈服强度的60%。总体来说, 输出轴在强度方面不仅满足了设计要求, 而且还有很大的裕量, 材料的承载能力并没有得到充分的利用, 这为齿轮轴的优化提供了很大的空间。
3齿轮轴的优化
设计目标:
最小化模型重量
设计约束:
模型Von Mises应力, 上限=320000.000000
设计变量:
a::p53, 初值=38.000000, 下限=32.000000, 上限=38.000000
最大迭代次数:20
优化结果如图4, 图5所示。
由图6迭代分析结果可以看出, 在进行第三次迭代的过程中, 应力值超出上限, 所以, 以第二次的迭代结果为准, 此时的齿宽为35mm, 应力值为295MPa, 比较理想。所以常规设计方法得到的齿宽b=38应变为优化设计方法得到的齿宽b=35, 此时的应力值为295Mpa, 亦满足强度要求。
4结束语
本论文利用UG的高级建模功能, 在对行星齿轮减速器齿轮轴进行参数化建模的基础上, 建立了有限元模型并进行了有限元分析, 得到了齿轮轴的Von Mises应力图, 替代了常规校核的设计方法, 大大提高了设计效率。同时对齿轮轴的齿宽进行了优化设计, 使得设计方案比原常规设计方案在齿轮轴重量上下降了2.02%。为多个设计变量 (如模数、齿数) 的单或多目标函数优化奠定了基础。
摘要：通过常规设计方法设计计算出齿轮轴的结构尺寸, 以UG为工具对减速器齿轮轴进行三维实体建模, 并运用有限元分析及优化模块进行有限元分析, 得到齿轮轴的网格划分图、应力云图。根据有限元分析的结果, 结合齿轮轴可靠性优化方法, 以重量最小为目标, 对齿轮轴的结构尺寸齿宽进行优化。
关键词：齿轮轴,UG,有限元分析,优化
参考文献
[1]孙恒, 陈作模.机械原理.7版[M].北京:高等教育出版社, 2002.
[2]濮良贵, 纪名刚.机械设计.8版[M].北京:高等教育出版社, 2001.
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[4]郭越.基于CATIA的减速器齿轮轴的有限元分析.延边大学农学学报, 2010, 32 (2) .
[5]刘铁禄.行星齿轮减速器设计中主要结构尺寸的优化设计.东华大学学报, 2007, 33 (3) .
混合式齿轮减速器 篇2
本次设计为课程设计，通过设计二级齿轮减速器，学习机械设计的基本过程、步骤，规范、学习和掌握设计方法，以学习的各种机械设计，材料，运动，力学知识为基础，以《机械设计》、《机械原理》、《机械制图》、《机械设计课程设计手册》、《制造技术基础》、《机械设计课程设计指导书》以及各种国标为依据，独立自主的完成二级减速器的设计、计算、验证的全过程。亲身了解设计过程中遇到的种种问题和解决的方法，思考、分析最优方案，这是第一次独立自主的完成设计过程，为毕业设计以及以后的就业工作做下铺垫。
1.2课程设计题目
带式运输机
1.3机构简图
1.4已知条件
1）工作条件：两班制，连续单向运转，载荷较平稳，室内工作，有粉尘，环境最高温度35℃；
2）使用折旧期：8年；
3）检修间隔期：四年一次大修，两年一次中修，半年一次小修； 4）动力来源：电力，三相交流，电压380/220V； 5）运输带速度允许误差：±5%；
6）制造条件及生产批量：一般机械厂制造，小批量生产。
1.5设计数据
运输带工作拉力：2800N 运输带工作速度：1.4m/s 卷筒直径：350mm 1.6传动方案
圆锥圆柱齿轮减速器
行星齿轮减速器多目标优化设计 篇3
行星齿轮减速器具有承载能力大、传动比高、结构紧凑、体积小、传动效率高等优点, 广泛应用于各种车辆以及工程机械传动装置中。随着机械传动小型化、高速化的发展, 对行星齿轮机构传动提出了更高的要求。提高行星齿轮机构的功效、减少体积和重量已成为人们十分关注的课题。然而, 在行星齿轮减速器的优化设计中, 所涉及的影响因素很多, 使得行星齿轮减速器的设计很复杂。以往的研究主要集中在体积最小、效率最高、承载能力最高等单目标优化设计。对于一些多目标优化设计研究[1,2,3]存在着优化方法的选择和权重分配等问题, 使得优化结果不够理想, 存在局部最优解问题。本文为克服权重选取的主观性和不确定性, 利用层次分析法来计算分目标函数的权重, 采用遗传算法解决参数优化设计过程中可能出现的局部最优解问题, 达到全局最优。
1.太阳轮2.行星轮3.行星架4.内齿圈
1 多目标优化模型的建立
行星齿轮机构的结构简图如图1所示, 其主要结构参数为太阳轮齿数z1, 行星轮齿数z2, 内齿圈齿数z3, 各齿轮模数m和齿宽b等。本文建立以体积最小、效率最高和承载能力最大为多目标优化模型, 采用遗传算法进行优化求解。
1.1 设计变量的确定
在减速器优化设计中, 影响参数有各齿轮的模数、齿数、齿宽、压力角、齿轮分度圆直径、各齿顶高系数、太阳轮个数等。过多的设计变量会增加计算的工作量和难度, 常取对优化目标影响比较明显的、易于控制的设计参数作为设计变量。行星轮的个数c和传动比i, 一般情况下可根据机构事先确定。综合考虑各种因素, 选取太阳轮齿数z1、行星齿轮齿数z2、模数m、齿宽b、太阳轮允许转矩T1作为设计变量, 即X=[z1, z2, m, b, T1]T=[x1, x2, x3, x4, x5]T。
1.2 分目标函数
1.2.1 体积
据图1可知, 影响行星齿轮减速器体积主要有太阳轮与c个行星齿轮体积总和[4]。即V=V1+c V2;
1.2.2 效率
行星齿轮减速器大多用于连续长时间工作, 有时还用于大功率传递, 因此提高传动效率, 减少摩擦也是减速器设计过程中必须要考虑的。行星齿轮机构的传动效率主要与传动比有关[5], 而传动比与行星机构的齿数相关, 再计及轴承等运动副的影响, 其效率值可由下式求得:
式中, ηdH为转化机构的啮合效率, ηc为轴承润滑等其他传动效率。
1.2.3 承载能力
行星齿轮减速器的承载能力可取允许太阳轮转矩T1作为目标函数:
1.3 约束条件
1) 配齿约束。
2) 应力约束。由于内啮合齿轮的接触强度高于外啮合齿轮, 故取太阳轮1的齿根弯曲强度作为约束条件
式中:ZH、ZE分别为区域系数和弹性影响系数;K为载荷系数;YFa、YSa分别为齿形系数和应力校正系数;[σ]H、[σ]F分别为按齿面接触疲劳强度和按齿根弯曲疲劳强度计算时的许用应力。
3) 其它界限约束。
1.4 建立总的目标函数
多目标优化问题的求解方法有很多, 通过加权平均和法, 将各分目标函数通过加权求和形成一个统一的总目标函数, 把复杂的多目标问题转化单目标问题, 即
式中, wi反映各分目标函数相对重要程度的加权因子。本文采用主观赋权法中的层次分析法来确定权重。层次分析法, 是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次, 在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。本文通过变换将比较矩阵转化为判断矩阵, 并证明它完全满足一致性的要求, 从而避免了利用Saaty[6]提出的九标度法建立的判断矩阵产生的不一致性。权重的确定步骤如下:
2) 用极差法构造判断矩阵:
式中, cb为常量, 是按某种标准预先给定的极差元素对的相对重要程度 (一般在实践中常取cb=5) 。
3) 进行一致性检验。
设D= (di) n×1=CwiT= (2.144, 0.429, 0.429) T, 则最大特征值为
2 优化方法的选择与实例分析
遗传算法是一种基于自然选择原理、自然遗传机制和自然搜索的算法, 是一种实用、高效、强鲁棒性的优化技术;与传统算法相比, 获得全局最优解的可能性更大, 算法效率更高且对目标函数几乎没有什么限制。因此, 对上述数学模型采用遗传算法来求解[7,8]。优化程序框图如图2所示。
为验证上述理论与方法的可行性, 可以进行实例的计算分析。设图1行星齿轮减速器传动比i为4.64, 齿轮材料为38Si Mn Mo, 表面淬火硬度55~65HRC, 相应的许用应力取值范围为[σ]H=1 300~1 650 MPa, [σ]F=430~880MPa;作用在轮1上的转矩允许取值的范围为1 140~1 500 N·m。现按体积最小、效率最高和承载能力最大 (允许轮1的转矩最大) 来设计该减速器, 设行星轮个数c=3, 通过查表计算取ηdH=0.98, ηc=0.98。遗传算法采用二进制编码, 种群中的个体数目为30, 二进制编码长度为20, 交叉概率为0.8, 变异概率为0.08, 适应度函数取
调用遗传算法程序求得
与原设计参数[4]比较体积下降了11.7%, 效率提高了5.9%, 承载能力提高了15.7%, 与普通单目标优化结果[4]比较体积只增加了4.9%, 效率值也只下降了2.2%, 但承载能力却提高了15.7%, 可见优化综合效果很明显。
3 结论
采用多目标优化设计方法对行星齿轮机构进行设计, 与常规设计方法比较, 不但实现了优化设计, 而且减少了设计时间, 提高了设计效率。相比于单目标优化设计, 优化结果虽不能全部提高, 但总的综合效率得到了改善。通过层次分析法确定各目标函数的加权系数, 提高了设计精度和水平, 因此具有一定的工程实用意义。实例计算结果表明, 利用遗传算法对行星齿轮减速器多目标优化设计是一种行之有效的优化方法。
参考文献
[1]王建维, 张建明, 魏小鹏.基于模拟退火算法的减速器多目标优化设计[J].农业机械学报, 2006 (10) :120-123.
[2]刘晓星.行星齿轮减速器的模糊多目标优化设计[J].机械传动, 1998 (3) :11-13.
[3]商桂芝, 陈殿华.行星齿轮机构的多目标优化设计[J].机械设计与研究, 2006 (2) :68-70.
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[5]饶振纲.行星齿轮传动设计[M].北京:化学工业出版社, 2003.
[6]Saaty T L.The analytic hierarchy process[M].New York:McGrawHill, 1980.
[7]陈国良.遗传算法及其应用[M].北京:人民邮电出版社, 1996.
混合式齿轮减速器 篇4
机械基础课程设计 一级闭式圆柱齿轮减速器 5月
目录
第一章 绪论………………………………………………………………………………………………………
第二章 课题题目及主要技术参数说明…………....…………………………………………………….
2.1 课题题目
2.2传动方案分析及原始数据
第三章 减速器结构选择及相关性能参数计算…………………………………………………………
3.1 减速器结构 3.2 电动机选择 3.3 传动比分配 3.4 动力运动参数计算
第四章 齿轮的设计计算(包括小齿轮和大齿轮)……………………………………………………….
4.1闭式齿轮传动设计
4.1.1闭式齿轮选材
4.1.2闭式齿轮的设计计算与强度校核 4.1.3闭式齿轮的结构设计数据： 4.2开式齿轮传动
4.2.1齿轮选材
4.2.2齿轮的设计计算与强度校核
第五章 轴的设计计算(从动轴)…………………………………………………………………………….
5.1Ⅰ轴（电动机轴）的尺寸设计
5.1.1Ⅰ轴的材料和热处理的选择 5.1.2Ⅰ轴几何尺寸的设计计算 5.2Ⅱ轴（输出轴）的尺寸设计和强度校核
5.2.1Ⅱ轴的材料和热处理的选择 5.2.2Ⅱ轴几何尺寸的设计计算 5.2.3Ⅱ轴的强度校核
第六章 轴承、键和联轴器的.选择……………………………………………………………………….
6.1 轴承的选择及校核 6.2 6.3 联轴器的选择
…………...
7.1 润滑的选择确定 7.2 密封的选择确定 7.3箱体主要结构尺寸计算
7.4减速器附件的选择确定
第八章 总结…………………………………………………………………………………………………… 参考文献
第一章 绪 论
本论文主要内容是进行一级圆柱直齿轮的设计计算，在设计计算中运用到了《机械设计基础》、《机械制图》、《工程力学》、《公差与互换性》等多门课程知识，并运用《AUTOCAD》软件进行绘图，因此是一个非常重要的综合实践环节,也是一次全面的、 规范的实践训练。通过这次训练，使我们在众多方面得到了锻炼和培养。主要体现在如下几个方面：
（1）培养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用机械设计课程和其他相关课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力，巩固、深化和扩展了相关机械设计方面的知识。（2）通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，使我们掌握了一般机械设计的程序和方法，树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的工程设计能力和创新能力。（3）另外培养了我们查阅和使用标准、规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算、绘图数据处理、计算机辅助设计方面的能力。（4）加强了我们对Office软件中Word功能的认识和运用。
第二章 课题题目及主要技术参数说明
2.1课题题目： 一级闭式圆柱齿轮减速器 2.2传动方案分析及原始数据： ? 设计要求：
带式运输机连续单向运转，载荷较平稳，空载启动，运输带速允许误差为50%。使用期限为，大修期三年，小批量生产，两班制工作。
- 2 -
? 原始数据：A11
运输带卷筒所需功率P/(kW)：5.8； 运输带卷筒工作转速n (r/min)：88 卷筒中心高H (mm)：300
? 设计任务：
1) 减速器装配图1张（A0或A1图纸）；
2) 零件工作图2～3张（传动零件、轴、箱体等，A3图纸）；
3) 设计计算说明书1份，6000～8000字。说明书内容应包括：拟定机械系统方案，进行机
构运动和动力分析，选择电动机，进行传动装置运动动力学参数计算，传动零件设计，轴承寿命计算、轴（许用应力法和安全系数法）、键的强度校核，联轴器的选择、设计总结、参考文献、设计小结等内容。
? 结构设计简图：
- 3 -
图1 带式输送机传动系统简图
? 设计计算说明书
第三章 减速器结构选择及相关性能参数计算
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第四章 齿轮的设计计算
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第五章 轴的设计计算
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第六章 轴承、键和联轴器的选择
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第七章
减速器润滑、密封及附件的选择确定以及箱体主要结构尺寸的计算及装配图
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总结
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桂林电子科技大学机电工程学院 0800150231张成伟