单级普通圆柱蜗杆减速器优化设计.doc

湖北汽车工业学院毕业设计开题报告毕 业 设 计 开 题 报 告课题名称单级普通圆柱蜗杆减速器优化设计课题来源生产实际一、 课题来源、目的、意义1课题的来源生产实际2本课题研究目的在蜗杆传动中，通常采用淬硬磨削的钢制蜗杆，而采用贵重的青铜等材料制造蜗轮齿圈，以使传动副具有良好的减摩性,耐磨性和抗胶合能力。为了节省较贵重的有色金属，降低生产成本，在蜗杆传动的优化设计中，应该以蜗轮有色金属齿圈体积最小作为设计目标.通过运用数学规划理论和计算机技术，从大量的可行设计方案中自动寻找出最佳方案，从而获得显著的技术和经济效益。3本课题研究的意义蜗杆减速器是机械传动通用部件之一。由于它具有结构紧凑、工作平稳、传动比大、噪音小等特点,所以在机械产品中得到了广泛的应用。蜗杆减速器设计所涉及的参数较多,合理选择结构参数对提高机械产品性能影响很大。若采用传统设计方法,不仅工作量大,而且不易得到。二、 国内外概况、预测和文献综述1. 课题的国内外研究概况1.1国内研究概况蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间是互相垂直的轴交角为90。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中，最大传动功率可达750kW，通常用在50kW以下；最高滑动速度可达35ms，通常用在15ms以下。蜗杆传动的主要优点是结构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。在传递动力时，传动比一般为8100，常用的为1550。在机床工作台中，传动比可达几百，甚至到1 000。这时需采用导程角很小的单头蜗杆，但传动效率很低，只能用在功率小的场合。在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率，多头蜗杆的传动效率已可达到98%；与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低，同时蜗轮一般需用重的减摩材料(如青铜)制造。蜗杆传动多用于减速，以蜗杆为原动件。也可用于增速，齿数比单级为515，但应用很少。按蜗杆形状不同可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三类。由于刀具加工位置的不同，圆柱蜗杆又有阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法向直廓蜗杆(ZN型)等多种。按蜗杆螺旋线方向不同，有左旋和右旋之分。除非特殊需要，一般都采用右旋。两者原理相同，计算方法也相同，但作用力的方向不同(除径向力外)。按蜗杆头数不同有单头蜗杆与多头蜗杆之分。单头蜗杆主要用于传动比较大的场合，要求自锁的传动必须采用单头蜗杆。多头蜗杆主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。20世纪60年代以来，我国先后制订了JB113070圆柱齿轮减速器等一批通用减速器的标淮，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器专业生产厂。目前，全国生产减速器的企业有数百家，年产通用减速器25万台左右，对发展我国的机械产品作出了贡献。 20世纪60年代的减速器大多是参照苏联20世纪4050年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于当时的设计、工艺水平及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距。改革开放以来，我国引进一批先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进技术和科研攻关，逐步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均有较大提高，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，体积和质量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了较大的提高，对节能和提高主机的总体水平起到很大的作用。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，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。1.2国外研究概况 国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。最近报道，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式减速器都为目前先进的减速器。 2. 课题的研究趋势预测蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。蜗杆传动具有传动比大而结构尺寸紧凑等优点，在许多设备的传动系统中得到了广泛的应用，而目前对蜗杆减速器进行设计时，常把设计变量作为确定性变量而忽略其随机性，这样便使设计结果很难真实地反映减速器的运行情况。另一方面，对蜗杆减速器进行优化设计时，大多是进行单目标优化设计，为使蜗杆减速器的设计既具有运行可靠性的定量描述，又有获得其整体综合功能最优的设计方案，运用可靠性优化设计方法，对圆柱蜗杆减速器进行了可靠性多目标优化设计。将优化设计方法应用于普通圆柱蜗杆减速器设计，使普通圆柱蜗杆减速器在满足承载能力及强度要求条件下，效率最高、体积最小、润滑条件最佳。这样可获得显著的技术和经济效益。 Bk*F_X OR%K2C6 8nB6hi三、 系统设计方案及可行性分析1 系统设计方案已知普通圆柱蜗杆传动的输出轴扭矩T2=546550 Nmm，齿数比u=26.39，蜗轮齿圈材料为ZQSn10-1，许用接触应力=180 MPa ，工作平稳，传动效率。为了节省较贵重的有色金属，降低成本，以蜗轮有色金属齿圈体积最小为目标进行蜗杆传动的优化设计。系统设计方案图如下：2 可行性分析本课题重点解决的问题是节省较贵重的有色金属，降低成本，以蜗轮有色金属齿圈体积最小为目标进行蜗杆传动的优化设计。 如图2所示，蜗轮齿圈的结构尺寸包括：齿顶圆直径da、齿根圆直径df、齿圈外径de、内径d0和齿宽b0蜗轮齿圈的体积为： （2.1）式中，； （2.2） 蜗轮齿数为z2=uz2，u是齿数比；z1是蜗杆齿数（头数）。蜗轮齿宽为b=da1=m（q+2）,q是直径系数，是齿宽系数；当z1=1-2时，=0.75；当z1=3-4时，=0.67.将上述关系代入蜗轮齿圈的体积计算式中，经过整理得到目标函数为： ；由此可知蜗轮齿圈的体积与蜗杆齿数z1.模数m，直径系数q和齿数比u的函数。四、 预计达到的要求及预计的关键技术1.预计需达到要求、技术指标本课题预期成果实现蜗轮有色金属齿圈体积最小已达到节约生产成本的目的。2.预计的关键技术传统的蜗杆设计一般通过反复的试凑，校核确定设计方案。虽然也能获得满足条件的设计方案，但该方案一般不是最佳的。在系统研究蜗杆传动的优化设计目标，设计变量和约束条件的基础上以蜗轮齿圈体积最小为优化目标建立优化设计数学模型。利用MATLAB的优化工具箱对蜗杆传动进行优化设计。 课题研究进展计划表1 毕业设计具体进度安排表序号设计（论文）各阶段名称日 期1动员，明确设计任务，熟悉相关软件，查阅相关资料1.143.112到系教学工作室进行调研，收集资料，完成开题报告3.113.143进行具体的分析、编程、调试等工作（包括翻译）3.143.254完善设计，撰写设计论文3.255.295交资料、准备并进行毕业答辩5.306.9五、 现有的条件及设备.本课题在优化设计计算时需要MATLAB编程软件七、参考文献1. 孙靖民,梁迎春机械优化设计M北京：机械工业出版社，20062. 刘惟信，孟嗣宗. 机械最优化设计M. 第2版.北京：清华大学出版社，19963. 王文博机构和机械零部件优化设计M北京：机械工业出版社，1990 4. 陈立周, 张英会, 吴清一, 吴继庚机械优化设计M上海：上海科学技术出版社，19825. 汪萍 侯慕英机械优化设计M武汉：武汉地质学院出版社，19866. 现代机械传动手册编辑委员会. 现代机械传动手册M，第2版.北京：机械工业出版社，20027. 张策. 机械原理与机械设计M. 北京：机械工业出版社，2004.8. 孟兆明，常德功.机械最优设计技术及其应用M. 北京：机械工业出版社，20089. 何献忠，李萍等. 优化技术及其应用M. 北京：北京理工大学出版社，199210. 张铮，杨文平，石博强，李海鹏.MATLAB程序设计与实例应用M.北京：中国铁道出版社，200311. 褚洪生，杜增吉，阎金华.MATLAB7.2 优化设计实例指导教程M. 北京：机械工业出版社，200712. 王科社. 机械优化设计M. 北京：国防工业出版社，2007开 题 报 告 要 求1、 开题报告必须在收集和阅读有关资料，考查生产现场，参考类似产品，进行分析、对比、论证的基础上进行撰写。2、 开题报告的内容一般包括：课题的来源、目的、意义、国内外的现状及发展；进行可行性分析及系统设计方案；系统达到的功能要求、技术指