基于模糊控制的三级斜齿轮减速器的优化设计

第一章 概 述 究背景及意义 减速器是一个封闭式的装置，一般用于原动机与工作机或执行机构间，起着传递转矩与匹配转速 1的作用。迄今，运用减速器来传递动力和运动在各类机构中已经相当普遍，涉及范围甚广，它的踪迹几乎出现在各种各样的机械传动系统中，从船舶、机车、汽车等交通工具，建筑行业使用的一些重型机具，到用于机械工业中的加工机具 2、自动化生产设备，甚至在一般生活中常用的家电、钟表也应用广泛。从大动力到小负荷的传输工作，它的应用随处可见，减速器在现代机械中起着至关重要的作用。 通常减速器是由传动部件（齿轮传动 /涡轮传动）、轴类零件及其附件、箱体及其附件组成，这些零部件之间会相互影响，使得减速器运行状态的全过程都受到牵制，所以需要设计者在其开发设计阶段，对系统部件的结构型式以及失效形式进行全面考虑，且在全面考虑的基础上对其进行深入的分析研究，不论是对产品可靠性的提升还是对故障产生原因的准确把握，其意义重大不容忽略。 通常情况下，使用常规 的方法设计减速器，需要设计者参考文献和资料提取需要的信息再结合自己日积月累的设计经验 3，并与已设计的现成减速器作一番对比，通过试凑法对设计变量进行不断的修改校核最终确定设计方案。在已给定要求的条件下，通过这样的设计方法虽可以设计出满足使用条件的产品，但由于涉及的参数及约束条件项目繁多，关系复杂，通常使得所设计出的减速器产品在满足使用要求及使用条件的情况下，造成大量的尺寸富裕量，在人力、物力及财力的投入上也消耗极大，这样不仅工作量大，而且一般也不是设计的最佳方案。目前，随着可靠性设计、优化设计等各种现代设 计方法的不断发展，人们对新技术、新方法的关注越来越多，其在减速器产品的优化设计及其分析上的应用也日益增多。因此，为了使减速器产品的性能在设计要求的范围内达到最佳状态，则对减速器进行模块化设计、优化设计、外观设计等是必不可少的。 轮减速器的研究现状以及趋势 速器研究现状 减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。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。日本住友重工研制的 高精度减速 器，美国 司研制的 减速器，在传动原理和结构上与此类似或相近，都为目前先进的齿轮减速器。除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例，减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前，超小型的减速器的研究成果尚不明显。在医疗、生物工程、机器人等 领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。 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，特别是大型的减速器问题更突出，使用 寿命不长。国内使用的大型减速器（ 500上），多从国外（如丹麦、德国等）进口，花去不少的外汇。 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，功率一般都要小于 40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。 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，效率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率 /体积（或重量）比值仍小。且其输入轴与输出轴不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。从 1988 年以来， 我国相继制定了 50 60 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 2800水泥磨减速器，1700钢机的各种齿轮减速器等。 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。 随着我国市场经济的推进， “九五 ”期间，齿轮行业的专业化生产水平有了明显提高，如一汽、二汽等大型企业集团的齿轮变速箱厂、车轿厂，通过企业改组、改制，改为相对独立的专业厂，参与市场竞争；随着军工转民用，农机齿轮企业转加工非农用齿轮产品，调整了企业产品结构；私有企业的崛起，中外合资企业的涌现，齿轮行业的整体结构得到优化，行业实力增强，技术进步加快 4。 速器发展趋势 近十几年来，随着计算机技术、自动化技术、信息技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。一些先进的齿轮生产企业已经 采用精益生产、敏捷制造、智能 制造等先进技术，形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理。 在产品设计阶段，就同时进行工艺过程设计及安排产品整个生产周期的各种配套环节。市场的快速反应大大缩短了产品投放市场的时间。零部件企业正向大型化、专业化、国际化方向发展。齿轮产品将成为国际采购、国际配套的产品。 适应市场要求的新产品开发，关键工艺技术的创新竞争，产品质量竞争以及员工技术素质与创新精神，是 21 世纪企业竞争的焦点。在 2l 世纪成套机械装备中，齿轮仍然是机械传动的基本部件。由于计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精 度、加工效率大为提高，从而推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致、美观。 床和工艺技术的发展，推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动、齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉，将成为新型传动产品发展的重要趋势。随着我国大功率工程机械的研制开发，中国工程机械齿轮传动产品 液力传动装置和动力换挡变速箱以及静压传动装置，将有较大的发展。 工业通用变速箱是指为各行业成套装备及生产线配 套的大功率和中小功率变速箱。国内的变速箱将继续淘汰软齿面，向硬齿面 (50 60高精度 (4 5 级 )、高可靠度软启动、运行监控、运行状态记录、低噪声、高的功率与体积比和高的功率与重量比的方向发展。中小功率变速箱为适应机电一体化成套装备自动控制、自动调速、多种控制与通讯功能的接口需要，产品的结构与外型的相应改变。矢量变频代替直流伺服驱动，已成为近几年中小功率变速箱产品追求的目标。 随着我国航天、航空、机械、电子、能源及核工业等方面的快速发展和工业机器人等在各工业部门的应用，我国在谐波传动技术应用方面 已取得显著成绩。同时，随着国家高新技术及信息产业的发展，对谐波传动技术产品的需求将会更加突出。 面临 21 世纪，齿轮先进制造技术的全过程实现计算机信息技术与现代管理技术的结合，将会飞速发展。随着我国改革开放，世界级的跨国大公司已开始大举进军中国市场，并以独资、合资、合作制造等形式在我国生产汽车、工程机械、大型成套设备的齿轮及齿轮装置，齿轮产品在我国将会有大量国际品牌加入，这必将促使我国零部件结构的大调整，因此车辆齿轮生产的专业化集中度将继续提高。 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、高水平、高性能、积木式组合设计、型式多样化，变型设计多等方向发展。 1、高水平、高性能。圆柱齿轮普遍采用渗碳淬火、磨齿，承载能力提高 4 倍以上，体积小、重量轻、噪声低、效率高、可靠性高。 2、积木式组合设计。基本参数采用优先数，尺寸规格整齐，零件通用性和互换性强，系列容易扩充和花样翻新，利于组织批量生产和降低成本。 3、型式多样化，变型设计多。摆脱了传统的单一的底座安装方式，增添了空心轴悬挂式、浮动支承底座、电动机与减速器一体式联接，多方位安装面等不同型式，扩大使用范围。 题主要任务 本课题研究的主要目标是利用 化工具箱具有编程工作量少，语法符合工程设计要求等特点，以减速器箱体“壁厚”作为自变量，以箱体“体积最小”为目标函数，在约束函数中充分考虑可靠性的要求，对该减速器进行可靠性优化设计，在满足齿轮强度、保证承载能力和其它性能规格的条件下，使减速箱体积最小，重量最轻，并对最后结果进行处理并与常规设计结果进行对比，得出结论。 题研究的主要内容 本课题拟 基于模糊数学的理论基础，把可靠性理论及优化设计方法揉和在一起，应用到三级斜齿轮减速器的设计中，在满足齿轮强度 、保证承载能力和其它性能规格的条件下， 使 减速器体积最小或重量最轻， 节省材料， 大幅地节约成本，提高经济效益。 本课题研究内容主要有： （ 1）对三级斜齿轮减速箱进行学习剖析，并查阅相关资料 （ 2）分析三级斜齿轮减速箱的结构并根据已知数据利用 化工具箱来寻优 （ 3）对优化设计的结果进行处理，并与常规设计结果对比，得出结论。 第二章 三级斜齿轮减速器的可靠性计算 械零部件可靠性模型 对机械零部件的可靠性优化设计，首先搭建零部件工作与强度的数学模型并约束性指标及方程，确定应力与强度的方差与均值，再求出机械零部件的可靠度，并以可靠度为目标函数，最终建立机械零部件可靠性优化设计的数学模型。可靠度设计计算理论的一般有正太分布、指数分布、对数分布三种模型。 靠性正太分布模型 当强度和应力服从正态分布时，联结方程求得联结系数 依据标准正态分布函数计算得到对应的可靠度。设应力 S、强度 为正态随机变量，则其概率密度分布函数为： 式中： 分别为 S、 的均值和标准差，应力 S 、 强度均为正态分布，设定 ，则其也服从正太分布，其概率密度函数为： 可靠度是 0y 的概率，表示为： 可靠度与应力、强度的关系可由下图表示： 图 4强度、应力与可靠度的概率密度函数 将式（ 2行简化，可得到： 靠性指数分布模型 对于应力 S、强度 为指数分布，其概率密度函数为： （ 2 （ 2 式中： S 应力 S 的指数分布参数； 为强度 的指数分布参数。 指数分布的可靠度计算模型为： （ 2 可靠性对数分布模型 当应力 S 、强度 服从对数正太分布，则其差值 ln y = 服从正态分布。其分布参数为： （ 2 （ 2 可靠度函数为： （ 2 将上式整理为： （ 2 级圆柱斜齿轮减速器可靠性计算 参照国内外相关文献以及相关试验，用对数正态分布模型与齿轮强度及应力的概率密度函数模型最为匹配。当齿轮应力及强度均为对数正态模型分布时，可靠度系数与可靠度间有着相互对应的关系，下图为三级圆柱斜齿轮齿轮减速器简化示意图。 图 4 三级圆柱斜齿轮齿轮减速器简化示意图 齿轮对数接触疲劳极限： （ 2 接触疲劳极限均值： （ 2 接触疲劳极限变异系数： （ 2 用同样的方法可得齿轮弯曲疲劳极限均值以及相关变异系数。 将齿轮接触疲劳极限与弯曲疲劳极限以及变异系数作为原始数据输入，经过修正后，可得到实际齿轮的接触疲劳极限及弯曲疲劳极限及相关变异系数。 再根据齿轮的接触疲劳强度及弯曲疲劳强度计算式： （ 2 （ 2 式中齿面接触应力、齿根弯曲应力及变异系数的计算如下： （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 在设计中，要保证齿轮强度可靠性，有： （ 2级圆柱斜齿轮减速器设计 级圆柱斜齿轮减速器设计一般流程 总体方案设计 电机选型、传动比计算 齿轮设计 轴设计 轴承选取与计算 轮减速器箱体设计 表 2速器箱体的结构尺寸设计表 名称 符 号 结构尺寸（ 齿轮减速器 箱座（体）壁厚 8 箱盖壁厚 18 箱座、箱盖、箱底座凸缘的厚度 12,bb 21 . 5 1 2 , 1 . 5 1 2 , 2 . 5b b b =20箱座、箱盖的肋厚 1,=8轴承旁凸台的高度和半径 1h,结构要求来确定 轴承座的外径 2 23+5 =125地脚螺钉 直径与数目 单击减速器 a 0200 n 16 通孔直径 0 沉头座直径 0座凸缘直径 125 223 连接螺栓 轴承旁连接螺栓直径 1 1 2箱座、箱盖连接螺栓直径 2 ,螺栓的间距 180l 连 接螺栓直径 孔直径 d 选取与计算 联轴器设计 密封与润滑设计 箱体设计 沉头座直径 D 30 凸缘尺寸 122 218 定位销直径 d 320 轴承盖螺钉直径 3 视空盖螺钉直径 4 吊环螺钉直径 5箱体外壁至轴承座断面的距离 1 2 8 4 8l C C 大齿轮顶圆与箱体内壁的距离 110 齿轮断面与箱体内壁的距离 210 参 考 目 录 1 张小青 , 王细详 . 电能回送式齿轮故障诊断试验台设计 J 2010,39(06):52 2 王丽佳 . 减速机故障诊断与解决方法 J 2