（机械工程专业论文）行星齿轮传动专家系统的设计与分析.pdf

江 苏大学工程硕士学位论文 摘要 齿轮传动是机械传动中最基本的传动方式。行星齿轮传动具有承载能力 大、体积小、重量轻、传动比大、噪声小、可靠性高、寿命长和便于维修等 优点。随着计算机辅助设计技术的发展，以参数化、智能化、三维化为主要 特征的现代c a d 己成为机械设计和制造的重要手段。基于这一背景，用智能 c a d 的理念将专家系统与三维c a d 软件u g 相结合，利用v is u a lc + + 6 0 进行 二次开发，结合数据库技术，建立行星齿轮c a d 专家系统。 本文探讨了适用于各种基本行星齿轮传动的优化设计方法，同时运用 c a d 技术，对行星齿轮模型进行三维参数化设计，建立了行星齿轮模型数据 库，使用户能根据设计数据修改并生成零件图和装配图，并且研究开发了基 于u g 平台的行星齿轮传动参数化绘图软件，并最终形成完善的行星齿轮传动 设计专家系统。 本课题完成的行星齿轮传动专家系统在某制造企业进行了安装与运行， 应用效果良好。 关键词：行星齿轮，专家系统，参数化设计，u g 0 p e n a p i 江苏大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t g e a rd r i v ei st h ef u n d a m e n t a lo fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n s p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o n h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa l a r g ec a r r y i n gc a p a c i t y , s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，g e a rr a t i o ，a n d n o i s e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o n gl i f e ，e a s ym a i n t e n a n c ea n ds oo n a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o ft h et e c h n i c a lo fc o m p u t e ra i d e dd e s i g n t h ec a db e c o m e st h em o s tp o w e r f u lt o o li n m e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gw i t hi t sm a i nf e a t u r e so fp a r a m e t e r , i n t e l l i g e n c ea n dt h r e e d i m e n s i o n s b a s e do nt h i s b a c k g r o u n d ，t h ep a p e r i n t e n d st ob u i l du pt h er e d u c e r t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cc a d e x p e r ts y s t e m b a s e do nt h ee x i s t i n gt h e o r yo fp l a n e t a r yg e a r d e s i g n ，b yu s i n g t h ei n t e l l e c t u a l i z e d c a d ，c o m b i n i n gt h et h e o r y o f e x p e r ts y s t e m ， t h r e e - d i m e n s i o n a lc a d ，i n t e g r a t i n gt h ee x p e r ts y s t e mt h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h ev i s u a l c + + 6 0a n dt h eu qt h em a i ns o f t w a r eo fg e n e r a lt h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cc a d t h i sp a p e rc a l lc o m p l e t et h ef o l l o w i n gd e s i g nw o r k ：t or e a l i z eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f v a r i o u sb a s i cp l a n e t a r yg e a rd r i v em e c h a n i s m u s i n gt h ec a d t e c h n o l o g y , c a r r i e so nt h et h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i z a t i o nd e s i g nt ot h ep l a n e tg e a rm o d e la n de s t a b l i s h e dt h ep l a n e tg e a r m o d e ld a t a b a s e e n a b l e st h eu s e rt or e v i s ea n dt op r o d u c et h ed e t a i ld r a w i n ga n dt h ea s s e m b l y d r a w i n ga c c o r d i n gt ot h ed e s i g nf e a t u r e ，t od e v e l o pp l a n e t a r yg e a rd r i v em e c h a n i s md r a w i n g s o f t w a r e ，a n df o r mt h ep e r f e c tp l a n e t a r yg e a rd r i v em e c h a n i s md e s i g ne x p e r ts y s t e m p l a n e t a r yg e a rd r i v ee x p e r ts y s t e mo ft h i sp a p e ri s i n s t a l l e da n do p e r a t e di n m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y , g o o dr e s u l t sw e r ea c q u i r e d k e yw o r d s ：p l a n e t a r yg e a r ，e x p e r ts y s t e m ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，u g o p e na p i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者躲孝饮 日期一7 铂瑚。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 学位论支作者签名： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 瓒孝 沙7 年f 2 月7 j 日 指导教师躲欠乏专中 1 铜胡胛 江苏大学工程硕士学位论文 1 1概述 第一章绪论 1 1 1 行星齿轮传动设计的发展现状 齿轮传动是机械传动中最基本的传动方式。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，具有 承载能力大、体积小、效率高、重量轻、传动比大、噪声小、可靠性高、寿命长、便于维 修等优点，被广泛应用于冶金、矿山、水泥、汽车、起重、机床、化工、电力、纺织、仪 器仪表、食品等机械上。因此，对行星齿轮传动进行设计研究，对促进技术进步和国民经 济的发展具有重要的理论和实用意义。世界上一些工业发达的国家，如：日本、德国、英 国、美国和俄罗斯等，对行星齿轮传动的应用、生产和研究都十分重视，在结构化、传动 性能、传递功率、转矩和速度等方面均处于领先地位；并出现了一些新型的传动技术，如 封闭行星齿轮传动、行星齿轮变速传动和微型行星齿轮传动等早已在现代的机械传动设备 中获得了成功的应用。我国国内对行星齿轮传动比较深入的研究最早开始于2 0 世纪6 0 年代后期，2 0 世纪7 0 年代制定了n g w 型渐开线行星齿轮减速器标准系列j b l 7 9 9 1 9 7 6 。 一些专业定点厂已成批生产了n g w 型标准系列产品，使用效果很好。已研制成功高速大功 率的多种行星齿轮减速器，如列车电站燃气轮机( 3 0 0 0 k w ) 、高速气轮机( 5 0 0 k w ) 和万立 方米制氧透平压缩机( 6 3 0 0 k w ) 的行星齿轮箱。低速大转矩的行星齿轮减速器已成批生产， 如矿井提升机的x l 一3 0 型行星齿轮减速器( 8 0 0 k w ) ，双滚筒采煤机的行星齿轮减速器 ( 3 7 5 k w ) 1 】o 按照常规的方法设计行星齿轮传动轮系，无论是总传动比的分配还是其它设计参数的 确定都需要用人工试凑与类比分析的方法，既费时又很难取得近乎最优的方案乜1 。而随着 计算机技术的飞速发展，利用计算机来代替人工进行工艺设计即计算机辅助设计技术也就 应运而生。通过计算机的使用，将设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出来， 在保证设计质量的前提下，大大地缩短设计周期，提高产品在市场上的竞争能力。另外， 它能够继承设计人员的经验，提高企业产品设计的继承性，实现企业设计的标准化，并有 利于设计的最优化工作，为适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要和实现计算机集成 制造系统创造必要的技术基础。行星齿轮减速器作为定型产品，产品的系列化、通用化和 江苏大学工程硕士学位论文 标准化程度很高。对于行星齿轮减速器的设计，所采用的数学模型及产品的结构都是固定 不变的，所不同的只是产品的规格尺寸有所差异。因此运用数字技术实现对行星轮减速器 设计的参数化设计，对于设计领域有着特别重要的意义1 。 1 1 2 专家系统的发展现状 专家系统是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能程序系统，它能运用领域 专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能解决的复 杂问题。专家系统是人工智能领域中应用最广泛和最活跃的一个分支。 目前，专家系统的研究己取得了长足的进步。由单一知识库发展为多知识库，由单一 推理机发展为多推理机，由集中式专家系统发展为分布式专家系统、面向对象方法的专家 系统等，应用范围包括机械设计、电力电子、农业、故障诊断。我国在专家系统的研制开 发方面起步较晚，但也取得了较好的成绩。南京航空航天大学徐燕建立了一个应用于齿轮 类产品的c a d c a p p 集成系统，该系统以关系数据库为基础，面向产品设计过程，以专家 技术知识作支持，通过使用导入建模、分析、计算等方法，为工程设计人员提供高效率的， 应用于齿轮设计、建模及工艺设计等方面的设计工具h 1 。东南大学沈亮设计了一种用混合 遗传算法和用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法改良的b p 神经网络算法对传统的通用的斜齿轮 设计进行优化设计包括变位优化设计的专家系统陌1 。江苏大学朱长顺、杨德勇、杨超君在 减速器三维参数化c a d 专家系统中，在分析面向对象的知识类型的基础上，采用数据库形 式、产生式形式、程序源代码形式以及混合形式的方式建立了系统的知识库，在分析减速 器的设计过程的基础上，提出了由系统级的推理、模块级推理、子模块级推理、控件级推 理所构成的分层次的多级推理机的推理模型，并采用以松藕合为主，紧藕合为辅的藕合方 式将知识库与推理机紧密地联系起来哺1 。兰州理工大学马恩凤研制了齿轮精度c a d 系统， 根据齿轮精度要求的初始条件，运用专家系统中的专家知识，一方面对齿轮的传动误差、 回转轴位置误差、刀具误差等进行判别，找出齿轮加工中产生各种误差的原因，然后反馈 于生产中去，从而进一步提高齿轮的各种精度。另一方面自动确定齿轮各公差组的精度等 级、齿轮及齿轮副检验项目的选定及公差值的查找、齿厚上、下偏差代号及侧隙检测项目 的确定，最后自动选取各个公差组的检验指标、按照最新国家标准设计的形位公差、尺寸 公差、表面粗糙度标注等口3 。燕山大学丁峻宏以大型石化压力容器为产品对象，运用先进 的设计方法，为中国第一重型机械集团公司大连设计院开发出了一套基于专家系统的压力 2 江苏大学工程硕士学位论丈 容器壳体c a d 应用软件，软件具有二维参数化设计与绘图以及快速三维自动造型功能陋1 。 江南大学陈红英运用诊断专家系统的设计思想，针对减速机产品故障特点，提出了基于知 识的减速机故障诊断专家系统来完成设备的故障诊断与预测，旨在能够实现故障诊断和预 测的快速准确性，保证设备安全、可靠的运行西1 。浙江大学牟宏伟与宝山钢铁集团炼铁厂 的合作项目“焦煤机械液压系统监测及故障诊断专家系统 ，以一套实时准确的监测系统 为基础，结合专家知识建立故障诊断专家系统，解决了宝钢炼铁厂焦煤液机械压系统的频 发故障，缩短故障诊断时间，提高生产效率n0 1 。北京化学工业大学苗艳荣在详细分析发酵 过程生物量软测量建模及专家系统应用研究现状的基础上，通过分析发酵过程生物量软测 量模型的知识特点，提出了发酵过程生物量软测量专家系统知识库的知识组织方法；建立 了发酵过程生物量软测量专家系统的知识表示结构，给出了用于生物量软测量专家系统知 识库的知识表示形式和知识组织分层结构；基于n e t 平台结合数据库技术设计了相应的 专家系统知识库口1 | 。州理工大学周长生基于齿轮、轴承故障诊断方法及大量实验数据，结 合齿轮、轴承的故障判据，研究并分别建立了适应与齿轮、轴承各自故障诊断特点的齿轮、 轴承故障诊断专家系统n 2 。 1 2 本文研究内容及意义 1 2 1 课题来源 本课题来源于镇江华晨华通路面机械有限公司的行星齿轮减速器产品升级换代项目。 镇江华晨华通路面机械有限公司由江苏华通机械集团公司和华晨中国机械控股有限 公司( b c m 公司) 根据中外合资经营企业法共同出资建立的有限公司，是我国生产经营 路面机械和建筑机械产品的重点企业和骨干企业，为江苏省高新技术企业、外商投资先进 技术企业、全国c a d 应用工程示范企业、全国火炬计划重点高新技术企业、设立国家级博 士后科研工作站企业和通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的企业。企业产品有摊铺机械、拌和机 械、养护机械和建筑机械四大系列5 0 多个品种，国内市场占有率达3 5 以上，技术性能 达到国际九十年代先进水平。近年来公司通过合资合作和整合重组，加快了技术改革的步 伐，企业产品需要不断进行升级换代。 3 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 2 研究目的和意义 随着计算机技术的飞速发展，利用计算机来代替人工进行工艺设计即计算机辅助设计 技术也就应运而生。通过计算机的使用，将设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中 解放出来，在保证设计质量的前提下，大大地缩短设计周期，提高产品在市场上的竞争能 力。另外，它能够继承设计人员的经验，提高企业产品设计的继承性，实现企业设计的标 准化，并有利于设计的最优化工作，为适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要和实现 计算机集成制造系统创造必要的技术基础。 为此，本课题以三维设计软件u g 为手段，基于u g 软件进行二次开发，针对镇江华 晨华通路面机械有限公司的行星齿轮减速器产品开发出基于u g 平台的行星齿轮传动c a d 专家系统，旨在通过专家系统来模拟行星齿轮传动设计的过程、方法和步骤，根据企业设 计人员输入的技术要求参数，快速的完成行星齿轮传动主要零件的三维造型设计，提高设 计效率，缩短设计开发的周期，提高设计质量和标准化水平，增加企业的竞争力。 1 2 3 主要研究内容 本文研究内容主要包括： ( 1 ) 以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，编写行星齿轮传动优化程序，建立行星齿轮传 动设计专家知识库，针对行星齿轮传动机构，以最小体积为目标函数进行优化设计。 ( 2 ) 针对企业产品型号进行参数化设计，提出行星齿轮减速器参数化设计和建模方 法，分析行星齿轮减速器装配组成及主要零部件之间的联结关系，以三维参数化软件u g 作为开发平台，利用u g 参数化特征造型模块，建立基于u g 平台的行星齿轮零件参数化设 计数据库，可以对三维模型的尺寸进行实时修改，快速完成行星齿轮传动主要零件的三维 造型设计。 ( 3 ) 选择合适的数据接口技术，实现人机交互界面。方便企业设计人员输入设计参数， 进行优化设计。能通过调用优化设计后得到的优化结果数据，进行参数化绘图，实现三维 模型的建立和仿真。 4 江苏大学工程硕士学位论文 第二章行星齿轮传动专家系统的体系结构 2 1 专家系统概述 2 1 1 专家系统的定义 专家系统是人工智能应用的重要领域，是一种基于知识的智能系统。其主要组成结构 包括知识库、推理机、数据库、人机接口、解释机制、知识获取等功能模块。专家系统应 用人工智能，根据人类专家提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家的思维过程来解 决那些需要专家才能解决的复杂问题，并且具有学习机制，能对知识库进行改进，不断灵 活地增加新的知识。它可以简单做如下定义：专家系统是一个在某个特定领域内，运用人 类专家的丰富知识进行推理求解从而模拟了人类专家解决问题的计算机程序系统n 驯。 专家系统应用通过推理和判断的方法，模拟了人类专家做决定的过程，并能得到和人 类专家相同的结论，所以被称为智能程序系统。这是专家系统不同于一般的知识库系统和 资料库系统的主要原因。在一般的知识库系统和资料库系统中只是简单地存储答案，人们 可以在计算机中直接搜集答案，而在专家系统中所存储的不是答案，而是进行推理的能力 和知识。由于专家系统能汇集许多领域专家的知识与经验，综合相互合作的能力，因此专 家系统有时能比单个专家更好地处理问题。 2 1 2 专家系统的产生和发展 专家系统的产生和发展大致经历了以下四个阶段n ： ( 1 ) 1 9 6 5 年夏在美国的d a r t m o u t h 大学，探讨利用计算机模拟人工智能的多位学者首 次提出了“人工智能 这一术语，标志着一个新兴学科的诞生。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代后期到7 0 年代初期，专家系统的研究取得了初步成就，s t a n f o r d 大学在关于分子结构的研究工作中，推出了第一个专家系统，即d e n d r a l 系统。 ( 3 ) 在7 0 年代，专家系统基本走向成熟。这一阶段出现了一批具有代表性的成果， 如用于诊断和治疗感染性疾病的专家咨询系统，关于自然语言理解的h e a r s a y - i 、 h e a r s a y - i i 专家系统等。 ( 4 ) 1 9 8 3 年，d c b r o w n 在分析常规设计知识表示的层次结构和问题的求解策略基础 5 江苏大学工程硕 士 学位论 丈 上，设计了专家系统d s p l 。1 9 8 4 年，j r d i x o n 开发了世界上第一个关于机械设计的专 家系统，即标准三角带传动设计专家系统v e r p e r t 。同期，我国国内也开始专家系统的科 学研究并取得了一批高水平的研究成果，其中，华中科技大学丌发的d e s t 就是我国工程 设计专家系统研究的一个成功实例。 专家系统技术从上世纪六十年代问世以来，在国内外都得到了长足的发展。专家系 统可以弥补设计系统在推理求解中的不足，把人类专家特有的推理、判断和决策功能赋予 计算机，增加了计算机的智能，扩大了计算机的应用范围；同时，各种高新技术，如知识 工程、可靠性技术、模糊技术、软件工程环境和神经网络技术的进一步发展也将推动专家 系统技术的更大发展。 2 1 3 专家系统的功能和特点 专家系统是一种具有专家级水平的，基于知识的、智能化的计算机程序，是研究如何 运用专家知识来解决某种专门问题而建立的人机系统。它在某些特定领域内，能以人类专 家的水平动态地分析和解决该领域中的问题。在某些方面甚至可以超过人类专家。专家系 统具有以下几个功能和特点n 引： ( 1 ) 启发性。专家系统能运用专家的知识和经验进行推理、判断和决策。 ( 2 ) 灵活性。专家系统具有总结规则、发现问题的自学功能。它能根据系统在实际 中运用的信息，自动地总结归纳出新的知识，并加迸知识库中或自动地发现不合适的知识， 从知识库中删除，使得专家系统的性能不断完善和提高。 ( 3 ) 透明性。专家系统能解释本身的推理过程和推理结果，能回答用户提出的问题。 如果用户对所给出的答案无把握，或者想了解给出这种建立的理由时，专家系统可以以用 户能够理解的方式列出它推理过程的路径，甚至能够告诉用户为什么否定了其他路径。这 样使得非专家能够理解专家的行为。同时，当系统对某些事例的求解不能令用户满意时， 这种推理路径的显示也便于专家发现推理的故障所在。 ( 4 ) 处理不确定知识的能力。在日常的生活中，有许多领域的知识通常具有多义性 和不确定性，很难用固定的算法来求解问题，而必须依靠有经验的专家来处理。而专家系 统可以模拟人类专家的工作，能够利用客观世界中不确定的因果关系和不精确推理来得出 近乎合理的结论。 现在专家系统已渗入到各个领域，世界各国已在化学分析、医疗诊断、地质勘探、气 6 江苏大学工程硕士学位论文 象领域、故障诊断、语音识别、图象处理、过程控制、农业、经济和军事等领域研制了大 量的专家系统。它的应用已产生了巨大的经济效益，受到了各行各业普遍重视，已成为当 今世界各国的热门课题之一。 2 2 专家系统的总体设计 专家系统的结构一般包括知识库、推理机、数据库及其管理系统、人机接口、解释机 构、知识获取机构六部分n 引。 1 、知识库 知识库是知识的存储机构，用于存储领域内的原理性知识、专家经验知识以及有关的 事实，同时为推理机提供求解问题的知识。知识库管理系统负责对知识库中的知识进行组 织、检索、维护等。 2 、推理机 推理机的任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。它能根据当前 己知的事实，利用知识库中的事实，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的 答案。 3 、数据库及其管理系统 数据库是用于存放用户提供的初始事实、问题描述以及系统运行过程中得到的中间结 果、最终结果和运行信息的工作存储器。可以根据系统的不同要求采用不同的数据库结构。 4 、人机接口 人机接口是专家系统与领域专家及用户间的界面，由一组程序和相应的硬件组成，应 用于完成输入输出工作。领域专家可以通过它输入知识，更新和完善知识库，一般用户通 过它输入欲求解的问题、己知事实以及向系统提出询问，系统通过它输出结果、回答用户 问题。 5 、解释机构和知识获取机构 解释机构主要对系统的行为做出解释，并且能帮助开发者及时发现系统中的错误。知 识获取机构的功能是采用有效的方法获得所需知识，并进行相应的处理后，把知识以一定 的表示方式存入知识库中。二者虽不是专家系统的必要组成部分，但是一个功能优良的专 家系统都具有这两个机构。 7 江 苏大学工程硕士学位论文 2 3 行星齿轮传动专家系统的体系结构 本课题所研究开发的行星齿轮专家系统的体系结构由四大模块组成：人机交互界面模 块、数据库模块、应用程序模块、模型库模块。其中有些模块下又划分若干个子模块，各 模块相互独立又相互关联，组成一个整体。系统具体结构如图2 i 所示： 图2 1 行星齿轮传动专家系统的体系结构 1 人机交互界面模块 用户界面是进行人机交流的媒介，设计人员通过人机交互界面来输入设计信息，同时 信息的处理结果是通过界面来输出的。因此，用户界面设计的好与坏，直接关系到整个设 计的成功与失败。本课题所研究开发的专家系统，是在v i s u a lb a s i c6 0 平台上，利 用 v is u a lb a s i c6 0 来设计面板、对话框和命令按钮等控件，为用户提供一个良好的 人机交互界面。进入人机交互界面后，设计人员输入用户名和密码，就进入行星齿轮减速 器c a d 平台，点击各按钮可以实现行星齿轮的优化设计、装配部件的参数化设计、系统模 型分析的等功能。 2 数据库模块 数据库模块用于对数据处理的操作，包括用户界面生成的设计信息数据和u g 平台生 8 江苏大学工程硕士学位论文 成的数据。用户界面生成的设计信息数据包括系统基本设计参数数据和通过优化程序得到 的优化结果数据等；u g 平台生成的数据包括零件预览图文件、参数化几何特征库、u g 0 p e n 二次开发生成的数据等。数据库的任务是数据的存储和管理。 3 应用程序模块 应用程序模块主要由总体设计、优化设计、参数化设计及接口设计四个子模块组成。 总体设计模块采取的设计策略是根据企业产品的设计要求，选择合适的行星齿轮传动类 型。优化设计模块是在总体设计的基础上，针对总体设计所选择的行星齿轮传动类型，调 用行星齿轮优化程序，进行齿轮传动的优化设计，从而得出一组优化结果数据。参数化设 计模块可在优化设计的基础上，利用u g 软件的三维参数化设计功能，从数据库中调用优 化设计模块生成的优化结果数据，对零件模型进行参数化建模，实现行星齿轮传动的参数 化设计。人机交互界面及优化程序是在v i s u a lb a s i c6 0 和v i s u a lc + + 6 0 环境下编制， 而零件模型库及装配关系模型库是在u g 环境下建立，不同的开发环境需要调用接口程序 来实现系统的参数传递和修改，要充分保证数据的正确处理和共享。 4 模型库模块 在计算机辅助设计系统的设计中，不同型号的产品往往是结构相同而只是尺寸不同， 所以可以采用编程来进行参数化绘图。在u g 环境下，通过建模模块和装配模块建立零 部件的三维实体模型，由于相同系列的零部件具有相间的拓扑结构和不同的尺寸参 数，对同一系列的零部件就使用同一个三维实体模型。不同的设计尺寸由存储在数据 库中的参数表来提供。用户可以通过菜单来选择需要进行参数设计的零件原始模型， 通过u g 0 p e nu i s t y l e r 开发的用户对话框，输入不同的设计参数，从而得到尺寸的 零件模型。 9 江苏大学工程硕士学位论文 第三章行星齿轮传动优化设计的研究和分析 3 1行星齿轮传动的特点 行星齿轮具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动效率高等优点，近年来在机械工业、 汽车工业上得到广泛的应用，行星齿轮减速器的主要特点如下n 7 1 8 1 ： 1 、体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高。( 1 ) 由于行星齿轮传动 是用几个完全相同的行星齿轮均匀地分布在中心轮的周围来共同分担载荷，因而每个齿轮 所受的载荷较小，相应齿轮模数就可较小，从而减小了齿轮的体积。( 2 ) 行星齿轮传动充 分利用了内啮合承载能力高和内齿轮( 或称内齿圈) 的空间容积，从而缩小了径向、轴向尺 寸，使结构很紧凑而承载能力又很高。( 3 ) 行星齿轮传动中各个中心轮构成共轴线式的传 动，输入轴与输出轴共轴线，故这种传动装置长度方向的尺寸大大缩小。由于行星齿轮传 动是一种共轴线式的传动型式，在结构上采用了对称分流传动结构，即用几个完全相同的 行星轮均匀地分布在中心轮圆周来共同分担载荷，因此在相同功率和传动比条件下，可使 其外廓尺寸和重量只为普通齿轮传动的l 2 1 6 。 2 、传动比大。适当选择传动类型和齿轮齿数，便可利用少数几个齿轮而获得很大的 传动比。在不作为动力传动而主要用以传递运动的行星机构中，其传动比可达到几千。此 外，行星齿轮传动由于它的三个基本构件都可以传动，故可以实现运动的合成与分解，以 及有级和无级变速传动等复杂的运动。 3 、传动效率高。行星齿轮传动由于采用了对称的分流传动结构，使作用于中心轮和 行星架等主要轴承上的作用力互相平衡，又利于提高传动效率。在传动类型选择合适、结 构布置合理的情况下其效率可达0 9 7 - - 0 9 9 。 4 、运动平稳、抗冲击和震动的能力较强。行星齿轮传动由于采用数个相同的行星轮， 均匀分布于中心轮周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合 的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抗冲击和震动的能力较强，工作较可靠。 基于上述特点，行星齿轮传动已被广泛的应用于冶金、矿山、建筑、航空、船舶等行 斗k 。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 3 2 行星齿轮传动的类型 我国和国外等许多国家主要根据前苏联库德略夫采夫提出的按行星齿轮传动机构的 基本零件不同来进行分类。在此分类法中，基本零件代号为：k 中心轮、h 行星架、 v 一输出轴。根据基本零件代号来命名，行星齿轮传动可分为z k h 、3 k 和k h v 三种基 本类型。按传动机构中齿轮啮合方式，可将上述三大基本类型再细分为许多传动型式，如 n g w 、n w 、n n 、n g b 碲q 和z u w g w 型等，其中按首字汉语拼音n 一内啮合，w _ 一外啮合，g 内外啮合公用行星齿轮，z u - 一锥齿轮。我国机械行业标准“n g w 型行星齿轮减速器标准 ( b j t 6 5 0 2 1 9 9 3 ) ，就是参照这两种分类相结合的方法n 引。 下面给出常用行星齿轮传动机构的类型、机构简图、主要技术参数及应用特点，如图 3 1 所示。 本课题主要来源于制造企业的产品升级换代项目，不同的产品型号，其对应的行星 齿轮传动结构也不尽相同，所以在系统设计过程中，考虑建立产品型号数据库，设计人员 在使用本系统时，首先需要选择产品型号，系统根据产品型号，自动确定行星齿轮传动的 类型，然后再调用优化设计程序对行星齿轮进行优化设计。 江 苏 大 学 工程硕 士学位论文 传动类型 传动比传动 传动 类 传幼筒图 功率 特点及应用 鳃件 范围效率 型 范围 2 k h 哥 i b - i ：2 8 1 3 n o 适用于任侮 0 9 7 不限 工况下任僻 负号 胃 推荐3 9功率的减速 0 9 9 机构 或增速装置 2 k h螂 i 0 1 5 0 i l 。_ 产 用途同上，但 推荐8 1 6 0 9 7 不限 径匈尺寸较 负号 0 9 9 紧凑，而制造 安装较复杂 机构 骶 很少 用予 当传动比很 2 k h 删 l i z l = 1 ，2 “ l l 动力 大面传递功 几千 0 9 7 传动， 率很小时采 正号 孵 o 9 9 短时 用，当h 从动， 工作 lil 小于莱一 机构 值时机构鑫 制 2 0 锁 用于短时工 2 x h 祷 传递小功 当i o作制中小功 率 1 0 1 0 0 率传动当h i - - 1 7 0 0 qo4 0 k 从动1ii 小 推荐3 0 0 7 0 9 于莱一值时 正号 削 1 0 0 机构机构自锁 短期 结构紧凑，传 工作动比范围大， 僵制造安装 2 k h n g蟹 ii 。l = s o o q 乙一0 8 1 2 0 k w较复杂适子 推荐1 0 - - , o 9 长期短期工作中 负号 1 0 0 工作小功率传动 规构 删 1i 乙 达某值 l o k w 螽机构自锁 图3 1 常用行星齿轮传动机构 3 3 行星齿轮传动设计的主要技术参数分析 3 3 1 行星齿轮传动的配齿计算 设计人员在进行行星齿轮设计时，行星齿轮传动各齿轮齿数不能随意选择，必须根据 江苏大学工程硕士学位论丈 行星传动的特点，满足如下的条件，才能进行正常传动n 羽。 ( 1 ) 同心条件 行星齿轮传动装置的特点为输入与输出轴是同轴线的，即各中心轮的轴线与行星架轴 线是重合的。为保证中心轮和行星架轴线重合条件下的正确啮合，由中心轮和行星轮组成 的各啮合副的实际中心距必须相等，称之为同心条件。 ( 2 ) 传动比条件 在行星齿轮传动中，各齿轮齿数的选择必须确保实现所给定的传动比的大小。 ( 3 ) 邻接条件 在设计行星齿轮传动时，为了进行功率分流，而提高其承载能力，同时也是为了减少 其结构尺寸，使其结构紧凑，经常在太阳轮与内齿轮之间，均匀地、对称地设置几个行星 轮。为了使各行星轮不产生相互碰撞，必须保证它们齿顶之间在其连心线上有一定的间隙， 即两相邻行星轮的顶圆半径之和应小于其中心距。 ( 4 ) 安装条件 要使几个行星轮能均匀装入，并保证与中心轮正确啮合而没有错位现象，所应具备的 齿数关系即为装配条件。 3 3 2 齿轮传动主要参数的初算 在设计行星齿轮传动时，其主要参数( 小齿轮分度圆直径和模数等) 可先按类比法， 即参照已有的相同类型的行星齿轮传动进行初步确定；或者根据具体的工作条件、结构尺 寸和安装条件等来确定n 8 1 。较常用的办法是按齿面接触强度初算小齿轮的分度圆直径d ， 或者按轮齿弯曲强度初算齿轮模数所。 1 按齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径西 d 1 = k d 式中各符号意义如下： k d 一算式系数，对于钢对钢配对的齿轮副，直齿轮传动k d = 7 6 8 ，斜齿轮传动k d = 7 2 0 ； 对于钢对非钢配对的齿轮副，对应上述算式系数k d 进行修正； 互一啮合齿轮副中小齿轮的名义转矩，n 小，互= 乃= t ( ) ； 江苏大学工程硕士学位论文 巧一一使用系数； k 舵一综合系数； k m , 一一计算接触强度的行星轮载荷分布不均匀系数； 纥j 小齿轮齿宽系数； ”一一齿数比，即u = z 2 z l ； 陆一试验齿轮的接触疲劳极限，n m m 2 ； 式中，“+ ”号用于外啮合，“一”号用于内啮合。 2 按齿根弯曲强度初算齿轮模数m m = k 。 式中各符号意义如下： k 。一算式系数，对于直齿轮传动，k 。= 1 2 1 ，对于斜齿轮传动k 。= 1 1 5 ； k 尼一综合系数； 一一技术弯曲强度的行星轮间载荷分布不均匀系数； 。一小齿轮齿形系数； z ，一一齿轮副中小齿轮齿数； 虹一一试验齿轮弯曲疲劳极限，n m m 2 ； 五一一啮合齿轮副中小齿轮的名义转矩，n m ，五= 乃= 瓦( n e ) ； k 一使用系数； 伤一小齿轮齿宽系数； 上述两个初算公式一般情况下应同时使用，公式中的各系数根据图表、手册和经验公式根 据实际情况选用。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 3 3 3 齿轮传动强度的校核计算 1 接触强度的校核计算 齿面接触强度的校核时，取节点和单对齿啮合区内界点的接触应力中的较大值，而小 齿轮和大齿轮的许用接触应力要分别计算。 ( 1 ) 齿面接触应力。 在行星齿轮传动的啮合齿轮副中，其齿面接触应力，可按下式计算，即： o - m2 o e k yk n a k n a l k 册 a h 22o h 0 0 k a k v k h 口k h 吡k i n , ： o h o = z h z e z e z p 皋等 式中各符号意义如下： 凰一动载系数； k 枷一一计算接触强度的齿向载荷分布系数； k 耽一一计算接触强度的齿间载荷分配系数； k m , 一计算接触强度的行星轮间载荷分配不均匀系数； 。一一计算接触应力的基本值，n 删2 ； e 一端面内分度圆上的名义切向力，n 。可按公式求得； d l 一小齿轮分度圆直径，m m ； b 一工作齿宽，指齿轮副中的较小齿宽，t r i m ； u 一齿数比，即”= z 2 z l ； z 一节点区域系数； z e 一弹性系数； z 。一重合度系数； 江苏大学工程硕士学位论文 z 口一螺旋角系数，直齿轮2 0 ，z 卢2 1 ； 式中，“+ 号用于外啮合，“一 号用于内啮合。 ( 2 ) 许用接触应力 许用接触应力可按下式计算： 叮旺：孕坠z 盯z l z v z r z w z x u h m 缸 式中各符号意义如下： 陆一试验齿轮的接触疲劳极限； 品劬一一计算接触强度的最小安全系数； z 胛一计算接触强度的寿命系数； z 工一润滑剂系数； z v 一一速度系数； z r 一一粗糙度系数； z 一一工作硬化系数； z 工一一接触强度计算的尺寸系数； ( 3 ) 强度条件“踟 校核齿面接触应力的强度条件：大、小齿轮的计算接触应力中的较大值均应不大于 其相应的许用接触应力，即o - x 。或者按齿轮的安全系数校核：大、小齿轮的接 触安全系数品值应分别大于其对应的最小安全系数& 曲，即品 品曲。 2 齿根弯曲疲劳强度校核计算 ( 1 ) 计算齿根应力 在行星齿轮传动的啮合齿轮副中，其齿根应力可按下式计算，即： o f = o f n k a k v k f 8 k f k f p 匹矿f x o ，1 沪赢o 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 式中各符号意义如f ： 心一使用系数； k 一动载系数； 翰一一计算弯曲强度的齿向载荷分布系数； 坼。一计算弯曲强度的齿间载荷分配系数； 一计算弯强度的行星轮问载荷不均衡系数； 。一计算齿根弯曲应力基本值，对大、小齿轮应分别确； 一载荷作用于齿顶时的齿形系数； 圪一载荷作用于齿顶时的应力修正系数； 匕一计算弯曲强度的重合度系数； 一计算弯曲强度的螺旋角系数； b 一工作齿宽，指齿轮副中的较小齿宽，m m ； ( 2 ) 许用齿根应力 许用齿根应力可按下式计算，对大、小齿轮的仃要分别确定。 ：华k r k l ，f m h 式中各符号意义如下： 陆试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限； k 一试验齿轮的应力修正系数，一般取y 盯= 2 ； y 胛一计算弯曲强度的寿命系数； s ，l n j n 一计算弯曲强度的最小安全系数； k 订一相对齿根圆角敏感系数； k 肿一相对齿根表面状况系数； 1 7 江 苏大学 工 程硕 士 学位论 丈 巧一一计算弯曲强度的尺寸系数。 ( 3 ) 强度条件 校核齿根应力的强度条件为计算齿根应力听应不大于许用齿根应力，即 a fso f p o 3 4 行星齿轮传动优化设计 行星齿轮传动设计是一个比较复杂的问题，其体积和重量或其承载能力主要取决于传 动参数的选择。设计行星齿轮系传动的常规方法是在已知传动比、输出轴转速和输出扭矩 后，首先选择各零件的材料，然后确定各传动参数。为了确定齿轮的齿数、模数、齿宽、行 星轮个数以及各齿轮的变位系数等，往往需要先选择其中部分参数再求其它参数。在选择 设计方案时缺少明确的评价指标，只能选择一个满足设计要求的相对较优的方案，因而很 难得到最优的设计方案。为了使设计方案的某种指标达到最佳，则需要采用优化设计方法， 因此，优化设计对减轻行星齿轮传动装置的质量、减小体积、节省材以及提高承载能力都 具有重大的现实意义啪1 。 四川轻化工学徐绍华、唐伟以太阳轮、行星轮和内齿圈体积之和最小作为优化目标建 立了优化数学模型，应用复合形法求解数学模型，择取最优参数方案晗1 。长安大学工程机 械学院王述彦，马鹏飞通过对2 k - h 型行星齿轮系传动的分析，建立了以体积最小为目标 的数学模型，利用复合形法进行优化计算乜1 1 。l i n ，j a n dp a r k e r ，r g 从润滑的角度对提高 行星齿轮减速器传动效率进行了探讨，提出了合理的油润滑设计在渐开线式行星齿轮减速 器中的重要性幢2 1 。佳木斯大学李宪芝论述了应用专家系统进行行星齿轮传动设计的基本原 理。阐述行星齿轮传动设计专家系统的结构组成、工作过程、主要功能、实现手段及方法 等内容幢引。淮阴工学院余文明、徐红光在考虑应力和强度均为随机变量并对齿轮参数设计 产生影响的基础上，同时考虑2 k - h 型行星轮系的配齿条件、几何条件等其它诸多因素， 给出了一定可靠度下的体积为目标优化设计数学模型和计算实例晗制。安徽农业大学江家 伍、印崧根据模糊可靠性设计理论和机械优化设计技术，以n g w 型行星齿轮减速器为例， 提出的模糊可靠性优化设计方案心引。k a h r a m a n ，aa n dv ij a j a k a r 探讨了行星齿轮减速器 在半静态动作状态时的稳健性m 1 。t t o r i ，ka n dh a y a s h i ，l 从重合度的角度探讨了行星齿 轮减速器传动效率提高的可行性担 。黄石高等专科学校成经平以单级2 k h 行星齿轮装置 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 的体积最小为优化目标，建立了该问题的模糊优化设计的数学模型，并给出了优化方法和 结果分析乜引。太重集团重型减速机分公司梁晓光通过对2 k - h 型行星齿轮系传动的分析， 建立了以重量最轻为优化目标的行星齿轮减速器优化设计数学模型，并提出了求解方法 船刨。昆明理工大学和山东建筑大学的张涵、官德娟根据行星齿轮减速器设计中的各种因素， 建立了以体积最小和重合度最大的多目标优化模型，运用多目标优化的乘除法以及可行性 枚举法获得了最优解1 。河南理工大学吕莉在对2 k - h 行星齿轮减速器的结构进行深入分 析的基础上，建立了2 k - h 行星齿轮减速器的优化设计数学模型，提出了采用完全枚举法进 行优化设计的实用算法。 综合考虑上述有关的材料文献，本课题以行星齿轮减速器体积最小为目标进行优化， 将齿轮的主要参数作为优化设计的设计变量，通过建立一系列的约束条件来建立数学模 型，并选择合适的优化算法来求解行星齿轮的齿数、模数、齿宽系数等参数的