机械设计专业课程设计

机械设计专业专业课程设计说明书设计地点 主楼机电学院机房 专 业 机械设计 班 级 学生姓名 指导教师 温晓南 周晓东 年 月 日1.课程设计概述1.1设计任务及内容课程设计的目的是在学生学习基础理论课和专业基础课程的基础上，培养工科学生综合运用所学的知识进行计算机辅助机械设计训练的重要环节，是培养学生独立地分析和解决实际问题的能力的一次较全面的综合设计训练。本次课程设计的核心任务是:通过对二级斜齿圆柱齿轮减速器的齿轮传动机构参数优化设计及计算机辅助绘图设计,使学生能够综合运用已经掌握机械优化设计和计算机辅助设计等专业课程的基本理论和方法的基础上，初步解决简单的工程实际问题。从而，培养和提高学生独立分析、解决工程实际问题能力,为后续的毕业设计及毕业后参加实际工作打下坚实的基础。1.2 课程设计内容本次课程设计的核心内容是以二级斜齿圆柱齿轮减速器为对象,进行减速器传动机构结构参数优化设计和典型零件计算机辅助绘图设计,具体包括以下六个内容:1. 熟悉课程设计的相关资料，确定设计方案；2. 进行二级斜齿圆柱齿轮减速器传动齿轮机构设计的数学建模;3. 进行二级斜齿圆柱齿轮减速器传动机构设计的相关参数计算和编程;材料强度、硬度、热处理方式、运动学等方面的有关参数的计算和数表、图表的计算机编程。4.减速器结构参数优化设计；选用约束优化设计的复合形方法，用VB语言编写二级斜齿圆柱齿轮减速器结构参数优化设计的软件。5. 绘制典型零件图本次设计以齿轮零件为二级齿轮的典型传动部件，每人用计算机绘制典型零件齿轮的零件图。以优化设计的齿轮结构参数为依据，用VB语言编写在绘图软件AutoCAD环境下的可执行的绘图程序*.SCR文件。6. 编写课程设计说明书要求说明书编写具体内容具体如下：(1) 课程设计封面(2) 设计题目、目录(3)设计目的、设计内容及步骤包括设计内容、原理及步骤(计算公式、数学模型、程序框图、程序说明及符号、变量说明等)。(4) 设计结论(5) 设计总结1.3 课程设计时间安排1.课程设计时间课程设计的具体时间2007/2008学年的第二学期第十五周至第十八周，2009年12月7日2010年1月3日。2.设计日程安排2009年12月7日8:3011:00指导并布置设计任务。组织学生查资料、熟悉设计任务、进行齿轮减速器设计的数学模型、编写设计计划、编写设计程序。2009年12月8日2009年12月13日进入机房进行齿轮减速器参数优化设计复合形法编程调试、齿轮的材料强度、硬度、热处理方式、运动学等方面的有关参数的计算和数表、图表的计算机编程、撰写课程设计说明书。2009年12月14日2009年12月20日调试齿轮减速器结构参数优化设计程序，输出齿轮减速器设计参数、进行齿轮零件结构设计、撰写课程设计说明书。2009年12月21日2009年12月27日编写、调试齿轮零件图绘制程序、撰写课程设计说明书。2009年12月28日2009年12月30日绘制齿轮零件图、撰写课程设计说明书、出图，准备答辩。2009年12月31日 课程设计的结业考核答辩、上交课程设计材料。1.4 课程设计要求本次课程设计的要求如下：1. 设计说明书一份（3000字）；课程设计说明书的详细要求见附录1。2. 程序清单一份； 3. 绘制齿轮零件图（3号图 或者2号图）一张。参数优化设计的零件尺寸，进行齿轮零件结构设计，同时对齿轮零件图进行部局设计，从而确定齿轮的零件图图纸为3#或2#即可。1.5 成绩评定完成课程设计规定的任务后，进行结业考核。课程设计结业考核以口试答辩方式为主；以平时出勤、学习态度、掌握基本理论和专业知识情况及独立分析问题解决问题的能力、课程设计程序设计能力、设计图和说明书质量评审为辅的方式进行。答辩分为学生自述和教师提问两个环节。学生首先进行自述（十分钟左右）；指导教师根据学生的设计情况进行提问（十分钟左右），并结合学生的课程设计图和说明书质量及平时学习态度、独立分析问题解决问题的能力等，由指导教师综合评定学生的课程设计成绩。成绩评定为分为优、良、中、及格、不及格五个等级。1.6 参考资料机械零件 濮良贵主编 高等教育出版社 1996年6月版 机械优化设计基础 王永乐编著 黑龙江科技出版社 1987年12月第1版 计算机辅助机械设计 卢佐潮、黎桂英编著 华南理工大学出版社 1991年12月第1版 VB 6.0程序设计实用教程 王栋编著 清华大学出版社 2000年10月第1版AutoCAD使用手册机械设计手册2. 二级斜齿圆柱齿轮减速器传动机构计算机辅助机械设计本课程设计具体设计一个二级斜齿圆柱齿轮减速器系统，在给定的功率、输入转速和总传动比等条件下，要求在满足强度、刚度和寿命等性能要求的条件下，使其重量轻、体积小。2.1 二级斜齿圆柱齿轮减速器总体设计课程设计包括总体设计、理论设计、软件设计和绘图等几个阶段，图1描述了二级斜齿圆柱齿轮减速器齿轮传动设计的总体结构和步骤。开始初始条件输入齿轮参数计算齿轮结构参数优化设计写*.SCR文件绘制齿轮的零件图结束图1 齿轮减速器总体结构设计框图本设计以二级斜齿圆柱齿轮减速器的重量轻为设计目标,进行减速器传动系统设计.在进行齿轮减速器传动系统设计之前,必须根据系统的设计目标、使用条件、工作环境、经济技术水平等要求提出合理、可靠、经济、详实的技术指标。在此基础上，对研究对象进行科学的数学抽象，建立理论上合理、技术上先进、经济上可行的设计模型。从而，运用优化设计原理对减速器传动机构进行参数设计，以确定齿轮减速器的结构参数。最后，对齿轮减速器的典型零件齿轮进行结构设计，并以CAD设计理论，用高级计算机语言编写其参数化绘图程序，绘制出其参数化的齿轮零件图。2.2 二级斜齿圆柱齿轮减速器传动机构结构参数设计数学建模2.2.1 确定减速器的结构模型为了使所设计的二级斜齿圆柱齿轮减速器达到重量轻、体积小的目标，对减速器进行模型抽象，如图2所示： 图2 二级斜齿圆柱齿轮减速器设计的结构模型图2中，1#齿轮为高速级传动输入齿轮、2#齿轮为高速级传动输出齿轮、3#齿轮为低速级传动输入齿轮、4#齿轮为低速级传动输出齿轮；为高速级齿轮的输入轴与中间轴的中心距，为低速级齿轮的中间轴与输出轴的中心距，为二级齿轮减速器的总中心距。2.2.2 目标函数的确定将设计问题中对二级齿轮减速器的重量最轻、体积最小的要求作为设计目标。并将该问题归结为使减速器的总中心距为最小。即 (2-1)具体为: (2-2)式中为高速级齿轮法面模数；为低速级齿轮法面模数；为斜齿轮的螺旋角为高速级齿轮传动的小齿轮齿数；为低速级齿轮传动的小齿轮齿数；为高速级齿轮传动的传动比；为低速级齿轮传动的传动比。2.2.3 变量的确定在二级斜齿圆柱齿轮减速器设计中，mn1、mn2、都是相互独立的变量，是设计问题中的设计变量。2.2.4约束条件的确定：在二级斜齿圆柱齿轮减速器设计中，为保证减速器正常工作，对参数mn1、mn2、的取值有许多限制条件。齿轮正常啮合、运动必须满足齿面接触强度、齿根弯曲强度及中间轴的大齿轮与低速轴不发生干涉等机构性能约束。由此可建立七个性能约束条件如下：1.齿面接触强度约束条件根据齿轮传动中，齿面接触强度公式： (2-3)式中：为高速级输入轴扭矩。； ； 为高速级主动齿轮分度圆直径；K为载荷系数；为为高速级主动齿轮的齿宽系数；为端面重合度；为许用接触应力；为节点区域系数；为弹性影响系数；为齿数比系数。 同理，依据式（2-3）可以推得低速级齿轮传动的齿面接触强度条件约束。2.齿根弯曲强度约束条件根据齿轮传动齿根弯曲强度公式： (2-4)式中：为许用弯曲应力；为齿形系数；为应力集中系数；为螺旋角影响系数，其余同接触强度公式。依据式（2-4）可以推得高、低速两级大、小齿轮和齿轮的弯曲强度条件共计四个。3.不干涉约束条件根据运动不干涉原理建立不干涉条件约束条件： (2-5)式中：中间轴与低速轴的距离；中间轴大齿轮的齿顶圆直径；S低速轴轴心线与中间轴大齿轮齿顶间的距离（取S=35mm）4.设计变量的边界约束条件考虑到传动平稳，轴向力不可太大；满足短时间过载条件；高速级与低速级的大齿轮浸油深度大致相近；轴齿轮的分度圆尺寸不能太小等因素应建立边界约束条件： (2-6)2.2.5 标准模型为便于设计，将上述二级斜齿圆柱齿轮减速器系统的设计的数学模型标准化如下：1 设计变量设计变量记为：X=2.目标函数二级圆柱齿轮减速器优化设计目标函数： 3.约束条件设计应满足的约束条件为： （i=1,2,3,4,5,6）从而得到一个具有六个设计变量，十九个约束条件的单目标非线性规划问题。2.3二级斜齿圆柱齿轮减速器设计中参数处理设计采用约束优化设计中的直接解法复合形法对二级斜齿圆柱齿轮减速器系统的结构参数进行优化设计。针对齿轮传动的特点分两步进行结构参数设计。2.3.1齿轮参数计算强度参数有齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、齿轮材料弯曲疲劳极限和接触疲劳极限;系数有端面重合度系数、轴向重合度、齿间载荷分配系数、弹性影响系数、齿形系数、应力集中系数、齿轮弯曲疲劳寿命系数、接触疲劳寿命系数及螺旋角系数及标准模数mn。上述这些参数都是以数表、图线、公式等形式表示的。为了进行齿轮结构参数的参数化设计,则须以数据库的形式描述这些参数,以备齿轮结构参数优化设计寻优时计算。2.3.2 齿轮结构参数设计选用复合形法进行二级斜齿圆柱齿轮减速器系统的结构参数优化设计。复合形是指维设计空间的可行域内，由顶点所构成的多面体。复合形法的基本原理是：在设计变量的可行域内选取n+1k2n个顶点作为初始复合形的顶点，比较这些顶点所对应的目标函数值，去掉其中目标函数值最大所对应的最坏点，而代之以最坏点的反映点（以复合形中除最坏点之外的各点的中心为映射点）构成新的复合形。复合形的形状每改变一次，复合形的顶点函数值就向最优点移近一步，如此循环，直至逼近最优点。复合形法在迭代过程中对目标函数和约束条件的状态无特殊要求，应用范围较广，计算机编程比较简单，容易掌握。它是求解工程设计中约束非线性优化问题较为有效的常用方法之一。2.3.3 齿轮传动优化设计的程序二级斜齿圆柱齿轮减速器系统设计的软件程序包括齿轮传动参数数据库建立、齿轮结构参数设计、计算机辅助绘图三个主要部分。、编写斜齿圆柱齿轮传动设计计算程序：(1)按齿面接触疲劳强度设计，得出两个齿面接触疲劳强度设计约束的有关系数。 (2)按齿根弯曲疲劳强度设计，得出四个齿根弯曲疲劳强度设计约束的有关系数。 斜齿圆柱齿轮传动设计计算程序应包括：端面重合度和齿间载荷分配系数子程序；轴向重合度和螺旋角系数子程序；弹性影响系数子程序；齿形系数；应力集中系数(x=0)子程序；为节点区域系数；为弹性影响系数；为齿数比系数;齿轮材料弯曲疲劳极限和接触疲劳极限子程序；齿轮弯曲疲劳寿命系数、接触疲劳寿命系数子程序；模数圆整子程序。、齿轮结构参数优化设计的程序编写与调试：复合形法在迭代过程中对目标函数和约束条件的状态无特殊要求，运用范围较广，程序编制也比较简单，容易掌握。它是求解工程设计中约束非线性优化问题较为有效的常用方法之一。复合形是指维设计空间的可行域内，由顶点所构成的多面体。复合形法的基本思路来源于无约束优化算法中的单纯形法，它实质上是对单纯形法的修正。其迭代过程是：在设计变量的可行域内选取 K n+1 个顶点作为初始复合形的顶点，比较这些顶点所对应的目标函数值，去掉其中目标函数值最大所对应的最坏点，而代之以最坏点的反射点（以复合形中除最坏点之外的各点的中心为映射点）构成新的复合形。复合形的形状每改变一次，就向最优点移动一步，直至逼近最优点。2.4 齿轮结构设计齿轮零件结构设计主要明确齿轮的结构形式和轮辐、轮毂的具体结构尺寸。齿轮结构可分成四周基本形式：齿轮轴式齿轮、实心式齿轮、腹板式齿轮、轮辐式齿轮。齿轮结构设计时，要同时考虑价格、装配、强度、使用等多项涉及准则，通过对轮辐、轮毂的形式、尺寸进行变换，设计出符合要求的齿轮。齿轮的直径大小是影响轮辐、轮毂的形式、尺寸的主要因素，通常是先根据直径确定合适的结构形式，然后再考虑其它因素对机构进行完善。2.5 齿轮零件图绘制AutoCAD 2004提供了称为脚本文件的工具。脚本文件允许将不同的AutoCAD命令组合起来，并按顺序执行，脚本文件是ASCII码文本文件，其扩展名为 *.SCR。用户可以用任文字编辑器编写脚本文件。2.5.1 编写绘图脚本文件1.脚本文件的结构特征(a)回车写成空格：(b)每行结尾无论有无空格，都自动加一空格：(c)分行处不定是独立的命令行；(d)程序中的参数可使用变量，在程序外赋值，这样命令文件可成为通用命令文件。可用AutoCAD以外的文本编辑程序生成。2.执行脚本文件 执行脚本文件的命令是SCRIPT，通过单击工具”“运行脚本”可实现。AutoCAD弹出选择脚本文件对话框，在该对话框中确定相应的脚本文件后，即可执行脚本中的相应操作。2.5.2 绘制齿轮图的脚本文件利用VB等计算机语言建立顺序文件的功能，将绘制齿轮的命令按AutoCAD要求的格式顺序地写入*.SCR文件中，该子程序应包括：标准图幅的选定、图层的设定(0、l、2层)、绘直线子程序、绘圆弧子程序、绘圆子程序、尺寸标注子程序、图块插入、零件图形绘制等等。 1.选好图层首先在ACAD.DWG(标准范例图)中及计好图层利线形。例如选好0、1、2层，并将0层颜色为绿色、线型为细实线；1层颜色为红色、线型为点划线；2层设定为颜色为白色、线型为粗实线。 2.绘图布局 设计零件图的绘制布局程序。 按照上述的设计可以将图框、零件轮廓等实线绘制在2层上；将尺寸线、剖面线等细实线绘制于0层；将中心线、分度圆点划线等细实线绘制于1层，绘制齿轮零件图。2.5.3 建立形位公差符号和技术要求等图形块(.DWG)在AutoCAD绘图状态下，用作图块命令做出形如下列符号的图块。1) PGH1.DWG 2) PGH2.DWG 3) PGH3.DWG 4) G1.DWG 5) G2.DWG 6) G3.DWG 7) 技术要求 齿轮零件的基本参数表。2.6 课程设计的相关说明 整个程序采用VB语言编写，包括优化设计和齿轮零件参数绘图*.scr文件编写两大部分，各部分又包含了许多子程序和自定义函数。2.6.1程序界面说明 程序采用交互式友好界面，我们可以通过输入界面把大量原始数据输入到计算机。界面由上、下两部分组成，界面上半部分为数据录入部分，下半部分是程序控制部分。下半部分中的控制按纽只有在特定的条件下才可用，这就要求执行操作要有一定顺序。例：当刚启动用户界时，只有参数输入一项可用，其余不可用，按下参数输入按纽后，数据才可以录入，以此类推，这样是为了减少人为误操作，如还未输入参数就执行了编写*.scr文件的操作，必然会产生错误操作。 VB中的相应的解决办法是用户界面的每个控件的Enabled属性赋值，“True”表示控件可用，“False”表示控件不可用，从而达到目的。2.6.2 程序中的变量说明 在程序设计中采用了大量的数据变量，因此必须定义一套规范的变量，以便日后自己或他人修改、升级和阅渎。1.自定义变量 把相关、成组的数据定义成自定义类型变量，以便维护。格式如下：(1) TYPE 自定义类型名称 AS 自定义某名称的自定义类型变量 变量1 AS 变量类别 变量2 AS 变量类别END TYPE(2) PUBLIC 自定义类型变量 AS 自定义类型:定义全局的自定义类心变量 PUBLIC my_gear_data AS gear_data 使用方式：可以以单个变量使用，如my_gear-data.p=5.66，也可以作为一个集合一起使用。2.全局变量和局部变量 在编写程序时，尽量避免使用全局变量。全局变量虽然好用，但是阅读性和维护性较差，多使用局部变量可以提高程序的维护性能。不加说明的变量都是局部变量。 PUBLlC 变最名 AS 变量类型 定义全局变量 3.关于变量的命名问题 变量的命名最好使用有意义的名称，便于日后的维护和修改。如：gear_data即齿轮参数、optimum_data即优化数据等等。2.6.3.函数和子程序说明 函数和子程序的不同在于函数过程有返回值，而事件子程序没有返回值。1.每个函数和子程序要有通用性；用户只要给出输入参数，不管子程序如何编写，最终都以得出正确结果为目标。2.函数和子程序名、参数、返同值要有规范性；3.每个函数或子程序要有独立性；尽量不要利其其他子程序或与其他函数发生联系，并且最好使用局部变量。4. 多值返回的函数处理方法。有些函数在参数返回时，需要返回的多个数据。解决这一问题的方法很多，这里采用的是利用返回自定义类刑变量以达到返回多个数据的目的，即声明函数类型时用自定义类型声明。附录1. 课程设计说明书 (报告)格式、正文正文内容层次序号为： 1、1.1、1.1.1。， 正文里的内容一般为： 1、选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。 2、方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么、耍选择这个设计方案以及所采用方案的特点。 3、过程(设计或实验)论述：对设计I：什的详细表述。要求层次分明、表达确切。 4、结果分析：对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。5、结论或总结：对整个研究工作进行归纳和综合。二、图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。提倡学生使用计算机绘图。 三、曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制(应尽可能采用计算机辅助绘图)。 课程设计说明书(报告)要求文字通顺，语言流畅，无错别字，不得使用铅笔书写。按教务处印制的统一格式封皮装订。有条件的可用B5纸打印。课程设计说明书(报告)中图表、公式一律采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；说明书(报告)中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。附录2. 课程设计的初始参数条件列表总传动比UU,动载荷系数KT,输入功率P,输入轴转速n1,齿宽系数FD,齿轮精度等级GG,齿轮布置ST对称