毕业设计(论文)基于遗传算法的齿轮减速器模型优化设计OPTIMAL DESIGN FOR GEAR REDUCER BASED ON GENETIC ALGORITHM学生姓名学院名称徐州工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师2011年5月27日 徐州工程学院毕业设计(论文)徐州工程学院学位论文原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。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，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。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日II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；AbstractGear reducer is the transmission device for speed deceleration, connecting prime motor and working machine，which has been widely used in our daily life and production.But there still exist some problems in traditional design and manufacture, such as over-large volume and low efficiency. Therefore it is necessary to optimize the design of gear reducer. After selecting reasonable design variables to the gear reducer model, optimum mathematical model is set up aiming at the least volume. And the constraint functions are acquired based on constraint condition, such as tooth width coefficient, stress conditions of gears, bending strength of shaft, etc. Then, genetic algorithm is adopted to optimize the model, after repeated cycle of arithmetic crossover and Gaussian mutation, selection based on feasible solution.Optimized parameters of the gear reducer is obtained realizing the objective of the least optimized volume.By mechanical calculation, parameters of optimization are under certain constraints and finally realize the goal of minimum volume.Keywords Gear Reducer Genetic Algorithm Optimal Design徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 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264.2.2 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39401 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i10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