圆柱齿轮传动的可靠性优化设计_学士学位论文
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摘要
可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性设计是可靠性工程的一个重要分支，产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。因此产品的可靠性设计是保证产品可靠性的最重要的工作。优化设计实质上就是运用计算机高质量、高速度地完成设计方案的“设计-评价-再设计”过程，是计算机辅助设计的核心技术之一。可靠性设计优化是将可靠性设计理论与优化技术结合起来，由此设计结果会大大改善，使优化设计更具实际意义。
齿轮传动是机械传动系统中的重要组成部份，它对机械的动力性与经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有直接的影响，随着现代设计方法的开发和应用，人们对齿轮的设计的要求越来越高。
本文以齿轮传动系统为例，采用可靠性设计优化方法，以中心距最小为设计目标，以分度圆直径、齿数、模数、齿宽系数、螺旋升角等为约束条件建立数学模型，，在Matlab中编写运算程序并运行，取得最优设计结果。
最后将可靠性设计优化结果与传统的设计结果比较，结果显示可靠性设计优化在取得可靠最优成果的同时，还提高了相应的工作效率和经济效益。
关键词：齿轮传动、可靠性优化设计、最小中心距
Reliability Optimization Design of Cylindrical Gear
Abstract
Reliability is indicated as the ability for finishing a set function at the appointed time and with prescribed condition ．Reliability design is an important embranchment of reliability engineering and reliability of products depends on design correctness greatly．Therefore reliability design of products is the most important factor of ensuring the reliability of products．Optimization design which is essentially the use of computers in high-quality, high-speed to complete the design of the program design - evaluation - redesign process is one of the core technologies of computer-aided design. Reliability optimization design is the unite of reliability design theory and optimum technology, according to this，the result of design will be improve greatly, optimum design have practical meaning .
The gear transmission is an important part of the mechanical drive system, and its mechanical power and economy, manipulation have a direct impact on reliability and portability, transmission smooth and efficiency, with the development of modern design methods and applications, the gear design is improving gradually.
In this paper, a gear transmission is taken as the example to investigate the reliability optimization design.The objective function is minimum center distance. The constraints are from. pitch circle diameter, number of teeth, modulus, coefficient of tooth width, helix angle. The program is realized in MATLAB software. The optimal design results are obtained. Finally, the optimization results are compared with the results with the traditional design method, results show that the reliability optimization design improves the efficiency and economic benefits beside getting the reliable results.
Keywords: Gear transmission; Reliability optimization design ; Minimum center distance
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外相关研究情况 1
1.3 研究内容 2
第二章 可靠性设计理论和优化设计理论 3
2.1可靠性设计理论 3
2.1.1可靠性设计概述 3
2.1.2应力-强度干涉理论 3
2.1.3可靠度设计基本算法 5
2.2优化设计理论 6
2.2.1优化设计概述 6
2.2.2.优化设计数学模型的建立 7
2.3可靠性设计优化 8
2.4本章小结 9
第三章 可靠性优化设计数学模型的建立 10
3.1确定设计变量 10
3.2目标函数的确定 10
3.3 确定约束条件 10
3.3.1齿面接触疲劳强度的可靠度约束 10
3.3.2 齿根弯曲疲劳强度的可靠性约束 13
3.3.3 模数约束 15
3.3.4 齿数约束 15
3.3.5 齿宽系数约束 15
3.3.6 螺旋角约束 16
3.4本章小结 16
第四章 实例分析 17
4.1设计要求 17
4.2确定目标函数 17
4.3确定设计变量 17
4.4确定约束条件 17
4.4.1齿面接触疲劳强度的可靠性约束 17
4.4.2齿根弯曲疲劳强度的可靠性约束 20
4.4.3模数约束 23
4.4.4齿数约束 23
4.4.5齿宽系数约束 23
4.4.6螺旋角约束 24
4.5可靠性优化设计结果 24
4.6常规设计 24
4.6.1按齿面接触疲劳强度设计 24
4.6.2按齿根弯曲强度设计 26
4.6.3几何尺寸计算 27
4.7设计结果分析 27
4.8本章小结 28
第五章 总结 29
致谢 30
参考文献 31
毕业设计（论文）知识产权声明 33
毕业设计（论文）独创性声明 34
附录 程序语言 35
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
齿轮传动广泛应用于各种机械设备中，它是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。齿轮传动的随机性是指其设计参数的随机性，先量变后质变，人们常常只注重“唯一性”、“正确性”，追求质变的同时却忽略了量变。采用可靠性优化设计可以使齿轮的随机 参量取值更加合理，并使其结构更加规范。
圆柱齿轮是机械传动系统中常用的零件，同时也是机械系统的重要传动部件，它的质量，体积和成本在整个设备中占有很大比重。如果在传动过程中齿轮发生故障，会严重影响设备的正常运转，因此，齿轮的设计和制造都相当重要。齿轮传动质量的好坏直接影响整个机器性能，设计一个质量轻，结构可靠的齿轮传动必大受人们的欢迎。
通常齿轮传动的设计是将齿轮所受载荷，应力和强度都视为定值，按一定的强度条件进行设计或校核，这种常规设计安全系数一般比较保守，不仅造成材料的浪费，增加成本，往往由于一个参数的改变，而影响其他参数的确定，并且考虑齿轮传动的应力，强度及各几何参数的不确定性，引起的误差与实际不符，也不能保证绝对的安全。设计的齿轮传动质量差，可靠性低，承载能力小。因此，为了使齿轮传动设计既贴近实际工况，又有最优方案，提出了将优化设计和可靠性设计理论有机结合起来的全新设计方法，该方法无论是缩小尺寸，减轻质量，提高承载能力，还是保证设计可靠性均有现实意义。可靠性设计优化方法认为作用在齿轮上的载荷和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述，由于齿轮的载荷和材料性能等都是随机变量，所以必须用概率统计的方法求解。
齿轮可靠性设计优化认为齿轮存在一定的失效可能性，并且可以定量地回答齿轮在工作中的可靠程度，从而弥补常规设计的不足，它已成为质量保证，安全性保证，产品责任预防等不可缺少的依据和手段。
1.2 国内外相关研究现状
可靠性问题引起人们的广泛重视还是在第二次世界大战期间。主要是针对当时飞机、舰艇等武器装备中的电子设备在运输途中经常发生故障而失效。为此，美国的一些相关学术部门联合成立了电子设备可靠性咨询委员会。该委员会对电子产品的设计、制造、实验、储存、运输及使用等各个方面作了全面的可靠性调
查研究，并发表了一些关于可靠性报告。这些报告首次比较完整地解决了可靠性的理论及研究方向，被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。而国际性的可靠性组织于六十年代成立，1965年国际电工委员会可靠性专业委员会的成立是其标志，这使可靠性工程成为一门国际化的技术。我国在六十年代首先在电子工业部门进行可靠性技术的开拓性工作，经过七十年代的逐步发展，到八十年代在现代军工装备的研制中开始全面推行可靠性、维修性和保障性工作，并取得了显著的成绩。随着科学技术的发展，可靠性设计在其它学科的推动下，呈现出全新的面貌，尤其是在可靠性设计与优化设计的结合方面取得了很大的进步。赵彦茹根据现有可靠性设计理论建立了圆柱齿轮减速器的可靠性优化设计的数学模型；张佩文对非稳定循环变应力等复杂工况下齿轮接触强度进行可靠性优化设计；李成刚等将可靠性优化设计用于滚动轴承的计算中。将优化法与可靠性设计法相结合用于机械设计中的论文，近几年还是颇多的。...
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