基于遗传算法的齿轮减速器模型优化设计.doc

www.88doc88.comwww.yanziedu.com毕业设计(论文)基于遗传算法的齿轮减速器模型优化设计OPTIMALDESIGNFORGEARREDUCERBASEDONGENETICALGORITHM学生姓名学院名称专业名称机械设计制造及其自动化指导教师www.88doc88.comwww.yanziedu.com摘要齿轮减速器是原动机和工作机之间的减速传动装置，它广泛应用于日常生活和生产中，但传统设计中仍存在着体积过大、效率过低的问题，因此有必要对齿轮减速器进行优化设计。针对一级齿轮减速器，选取合理的设计变量，以减速器体积最小为目标建立优化设计的数学模型，并根据齿宽系数、模数、齿轮的应力和轴的弯曲强度等约束条件来确定约束函数。采用遗传算法对模型进行优化，经过实数交叉、高斯变异和可行性规则选择反复循环得出优化后的参数，经过机械校核得出优化出的参数是满足约束条件，实现了齿轮减速器体积最小的优化目标。关键词减速器；遗传算法；优化设计；www.88doc88.comwww.yanziedu.comAbstractGearreduceristhetransmissiondeviceforspeeddeceleration,connectingprimemotorandworkingmachine，whichhasbeenwidelyusedinourdailylifeandproduction.Buttherestillexistsomeproblemsintraditionaldesignandmanufacture,suchasover-largevolumeandlowefficiency.Thereforeitisnecessarytooptimizethedesignofgearreducer.Afterselectingreasonabledesignvariablestothegearreducermodel,optimummathematicalmodelissetupaimingattheleastvolume.Andtheconstraintfunctionsareacquiredbasedonconstraintcondition,suchastoothwidthcoefficient,stressconditionsofgears,bendingstrengthofshaft,etc.Then,geneticalgorithmisadoptedtooptimizethemodel,afterrepeatedcycleofarithmeticcrossoverandGaussianmutation,selectionbasedonfeasiblesolution.Optimizedparametersofthegearreducerisobtainedrealizingtheobjectiveoftheleastoptimizedvolume.Bymechanicalcalculation,parametersofoptimizationareundercertainconstraintsandfinallyrealizethegoalofminimumvolume.KeywordsGearReducerGeneticAlgorithmOptimalDesignwww.88doc88.com目录摘要.IIAbstract.III1绪论.11.1减速器.11.1.1减速器国内外的现状和发展.11.1.2齿轮减速器的介绍.21.1.3齿轮减速器的分类.21.1.4齿轮减速器的结构.21.1.5齿轮减速器的工作原理.31.2优化设计.31.3本课题的主要内容和解决问题.42齿轮减速器数学模型的建立.52.1齿轮减速器的数学模型.52.1.1建立一级齿轮减速器的数学模型.52.1.2确定约束函数.73遗传算法程序设计.123.1智能算法选择.123.1.1智能算法种类.123.2遗传算法介绍.133.3遗传算法程序实现.143.3.1遗传算法中的参数.143.3.2遗传算法的伪代码.153.3.3编码和解码.153.3.4交叉.163.3.5变异.173.3.6选择.193.3.7约束的处理.204机械设计与校核.234.1齿轮的设计与校核.234.1.1优化结果.234.1.2大齿轮的强度的校核.234.1.3小齿轮的强度的校核.254.2轴的设计和校核.264.2.1高速轴设计.26www.88doc88.com4.2.2高速轴校核.274.2.3高速轴轴承寿命校核.294.2.4低速轴设计.304.2.5低速轴校核.314.2.6低速轴轴承寿命校核.334.3齿轮减速器箱体的结构尺寸.344.4减速器的润滑和密封.35结论.37致谢.38参考文献.39www.88doc88.com1绪论1.1减速器减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途。减速器的种类繁多1，按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器，按照传动和结构特点来划分，可分为下列六种减速器：齿轮减速器、蜗杆减速器、蜗杆齿轮减速器及齿轮-蜗杆减速器、摆线针轮减速器、谐波齿轮减速器和行星齿轮减速器。对于上述六种减速器已经有标准的系列产品，使用时只需要结合所需传动功率、转速、传动比、工作条件和机械的总体布置等具体要求，从产品目录和有关手册中选取即可，只有在选不到合适的产品时，才自行设计制造，此外还有一些专用的减速器（如在电梯、阀门开关等处用）。1.1.1减速器国内外的现状和发展国外的减速器2，以德国、丹麦和日本的处于领先地位，它们特别是在制造工艺和材料的方面占据优势，它们的减速器工作具有可靠性好，使用寿命长的优点。但其传动形式仍是以定轴齿轮传动为主。日本住友重工研制的FA型高精度减速器，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器在结构上和传动原理上都为当今世界先进的齿轮减速器。目前的减速器是向着小体积、大功率、高效率、大传动比以及长寿命的趋势发展。因此，除了不断提高工艺水平、改进材料品质外，还在传动结构和传动原理上要深入探讨和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者机械效率过低而传动比大的问题。另外，工艺水平和上材料品质还有许多不足之处，特别是大型的减速器的不足之处更加的突出。60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大、体积小、机械效率高等优点。但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都是要小于40kw。由于在材料品质方面、传动的理论和工艺水平方面没有突破，因此，国内没能从根本上解决传递功率大、机械效率高、传动比大、重量轻、体积小等这些基本要求。改革开放以来,我国引进了一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关,开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高,通用圆柱齿轮的制造精度可从JB17960的89级提高到GB1009588的6级,高速齿轮的制造精度可稳定在45级。部分减速器采用硬齿面后,体积和重量明显减小,承载能力、使用寿命、传动效率www.88doc88.com有了大幅度的提高,对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。从1988年以来,我国相继制定了5060种齿轮和蜗杆减速器的标准,研制了许多新型减速器,这些产品大多数达到了20世纪80年代的国际水平。目前,我国可设计制造2800kW的水泥磨减速器、1700mm轧钢机的各种齿轮减速器。各种棒材、线材轧机用减速器可全部采用硬齿面。但是,我国大多数减速器的水平还不高,老产品不可能立即被替代,新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。90年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单并且效率也高。1.1.2齿轮减速器的介绍对于齿轮减速器，它是原动机和工作机之间的独立减速传动装置3，由于其结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护方便，并可成批生产，所以在船舶汽车、机车、建筑用的重型机具中得到广泛应用。并且从机械工业所用的加工机具以及自动化生产设备，到常见的电钟表等，齿轮减速器都起到了重要的作用。尽管齿轮减速器广泛的应用于日常生活和生产中，但是它的设计和制造等方面仍存在着种种问题。1.1.3齿轮减速器的分类齿轮减速器3按减速齿轮的级数可分为单级齿轮减速器、二级齿轮减速器、三级齿轮减速器和多级齿轮减速器几种；按轴在空间的相互配置方式可分为立式和卧式减速器两种；按运动简图的特点可分为展开式、同轴式和分流式减速器等。单级圆柱齿轮减速器的最大传动比一般为810，作此限制主要为避免外廓尺寸过大。若要求i>10时，就应采用二级圆柱齿轮减速器。二级圆柱齿轮减速器应用于i为850及高、低速级的中心距总和为250400mm的情况下。三级圆柱齿轮减速器，用于要求传动比较大的场合。圆锥齿轮减速器和二级圆锥圆柱齿轮减速器，用于需要输入轴与输出轴成90度配置的传动中。因大尺寸的圆锥齿轮较难精确制造，所以圆锥圆柱齿轮减速器的高速级总是采用圆锥齿轮传动以减小其尺寸，提高制造精度。1.1.4齿轮减速器的结构绝大多数减速器的箱体是用中等强度的铸铁铸成4，重型减速器用高强度铸铁或铸钢。少量生产时也可以用焊接箱体。铸造或焊接箱体都应进行时效或退火处理。箱体通常由箱座和箱盖两部分所组成，其剖分面则通过传动的轴线。对于两轴系结构5，由于采用直齿圆柱齿轮，不受轴向力，因此两轴均由滚动轴承支承。轴向位置由端盖确定，而端盖嵌入箱体上对应槽中。为了避免积累误差过大，保证装