【正文】 在傳動尺寸允許的條件下，可以選用直徑的帶輪。同時，這樣做還可以減少膠帶根數(shù)，使傳動的軸向尺寸減少。在本例中，若對傳動尺寸的大小沒有限制，則取小帶輪直徑D1為160mm較好。 齒輪傳動的優(yōu)化設計、設計變量齒輪傳動在工業(yè)上的應用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設計對提高齒輪傳動及其減速器的承載能力、延長壽命和減少其體積和重量等方面具有重要的技術價值和經(jīng)濟意義。對于給定齒數(shù)u的一對直齒圓柱齒傳動，當中心距不確定時，其獨立的參數(shù)有齒數(shù)Z1（或Z2）、齒寬系數(shù)φd、模數(shù)m以及變位系數(shù)XX2。當中心距a給定時，其獨立參數(shù)有Zm以及變位系數(shù)X1（或X2）。、目標函數(shù)齒輪傳動的目標函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。（1）齒輪傳動的體積最小。圓柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積，故齒輪傳動裝置的優(yōu)化目標函數(shù)為大小齒輪體積之和。（2）齒輪傳動傳遞的功率最大。若以彎曲疲勞強度為限制條件，齒輪傳動設計理論得到圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為若以接觸疲勞強度為限制條件，圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為由此，極小化目標函數(shù)為、約束條件齒輪傳動的優(yōu)化設計中，約束條件包括：（1）為防止齒面接觸疲勞點蝕失效，齒輪傳動必須滿足接觸疲勞強度條件。（2）為防止齒根彎曲疲勞所折斷，齒輪傳動必須滿足彎曲疲勞強度條件。（3）為防止根切，對最小齒數(shù)的限制。（4）其他一些限制：模數(shù)的要求，齒輪直徑的限制，中心距的限制，齒寬的限制。調用“常用優(yōu)化法程序庫OPB”就能獲得在滿足約束條件下，使目標函數(shù)達到最小的最優(yōu)解。【例112】已知圓錐齒輪傳動，輸入功率P＝，主動輪轉速n1=664r/min,齒數(shù)比u=,壓力解an=20176。，齒輪材料為20MnVB，HRC＝58，使用壽命為20000h，試以體積最小為目標，對齒輪傳動進行優(yōu)化設計。建立該齒輪傳動的優(yōu)化設計數(shù)學模型，調用優(yōu)化方法程序庫，計算結果為表112。優(yōu)化結果表明中心距由原設計的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。表112齒輪優(yōu)化設計結果參數(shù)符號設計方法齒輪基本參數(shù)MnZ1Z2βX1X2d1/mmd2/mmb/mma/mm原設計515521072174優(yōu)化設計41759157參數(shù)符號設計方法強度參數(shù)/MPaσF1σF2σH原設計3771228優(yōu)化設計4044241370注：計算數(shù)據(jù)來源于文獻[17]第11章　現(xiàn)代機械設計方法機械設計是生產(chǎn)機械產(chǎn)品的第一道工序，設計質量的高低，直接影響機械產(chǎn)品的技術水平和經(jīng)濟效果，因此，設計的過程是設計－評價－再設計的反復過程。傳統(tǒng)的機械設計方法，是以實踐經(jīng)驗為基礎，依據(jù)力學和數(shù)學建立的理論公式和經(jīng)驗公式，運用數(shù)表、圖形和手冊等技術資料，進行方案擬定、設計計算、繪圖和編寫設計說明書。而現(xiàn)代設計是以產(chǎn)品為總目標的一系列種類繁多的現(xiàn)代設計法和技術的綜合運用。生產(chǎn)技術的需要和先進設計手段的出現(xiàn)，必須促進設計領域的改革和發(fā)展，對于機械設計來說幾乎是更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的常規(guī)設計方法受到很大沖擊，用科學的設計方法代替經(jīng)驗的、類比的設計方法已勢在必行?？s短設計周期、提高設計質量、發(fā)展設計理論、改進設計技術及方法已成為當前機械設計的必然趨勢。 計算機輔助設計由于計算機具有運算速度快、數(shù)據(jù)處理準確、存儲量大和具有邏輯判斷功能等特點，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設計中分析、計算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與各種現(xiàn)代設計法結構的不可替代的重要工具。這種人機交互式的設計方法，就是計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）。產(chǎn)品的生產(chǎn)分設計與制造兩大部分，設計過程中除了需求分析及可行性研究與分析這兩個環(huán)節(jié)很難用計算機實現(xiàn)外，其余從概念設計到設計結果都可用計算機實現(xiàn)，從而構成了CAD過程。制造過程是指從工藝過程設計開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進入市場為止。在這個過程中，工藝設計以及采用數(shù)控機床時的加工編程等，從工藝過程設計到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計算機實現(xiàn)，由此構成了廣義的CAM過程。在CAM過程中主要包括兩個軟件，一類叫計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP：Computer Aider Proess Planning），另一類叫數(shù)據(jù)編程（NCP：NC　Programming）。這兩個過程的計算機化促進了設計與制造自動化的程度。自動化程度的進一步提高是有賴于這兩個過程的進一步集成，并由此奠定了現(xiàn)代計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基礎。必須指出，CAD不是完全的設計自動化，實踐證明完全的設計自動化是非常困難的，為此曾經(jīng)走過彎路。CAD是將人的主導性和與創(chuàng)造性放在首要地位，　同時充分發(fā)揮計算機的長處，使二者有機地結合起來，因此人機信息交流及交互工作方式是CAD系統(tǒng)最顯著的特點。CAD的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件三個層次。如圖111所示。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件與硬件和操作系統(tǒng)密切相關，用于對系統(tǒng)資源的管理，對輸入和輸出設備的控制等。支撐軟件支撐軟件是系統(tǒng)軟件基礎上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場上所見到的各種商業(yè)化的CAD軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設計計算和分析等功能。1）集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進行產(chǎn)品及其零件的定義。如AutoCAD等。但近年來隨著實體造型技術的日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉向采用實休造型技術來定義產(chǎn)品的幾何模型，進行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前較為成熟的CAD/CAM集成系統(tǒng)包括：UG，ProEngineer,CATIA,DUCT,CADDS5等。2）計算和分析軟件計算和分析軟件主要用于解決工程設計中的各種數(shù)值和分析。包括：①數(shù)學計算軟件，如MATLAB、MATHCAD等。②有限元分析軟件，如I－Deas,SAP5，ADINA，ANSYS等。目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強的前、后處理功能。③優(yōu)化設計軟件，如IBM公司的ODL、我國的OPB－2等。3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它們都屬于關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于CAD工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關系很復雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設計時要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程序。在機械設計過程中，經(jīng)常需要查閱一些手冊和文獻資料，以獲得有關的計算公式和大量數(shù)據(jù)，例如零部件的標準和規(guī)范，材料的機械性能，許用應力和各種計算系數(shù)等經(jīng)驗數(shù)據(jù)或實驗曲線與圖表。在傳統(tǒng)的設計方法中，主要靠設計人員手工查取，十分繁瑣和費時。鑒于計算機具有大量存儲與迅速檢索的功能，可以快速、精確無遺漏地處理各種大小數(shù)據(jù)文件，在現(xiàn)代設計方法中，通常將設計所需要的計算公式、計算方法和過程以及大量數(shù)據(jù)、表格或線圖以程序、文件和數(shù)據(jù)庫等方式預先存入計算機的外存和內存中，以便設計時由計算機按照設計的需要自動檢索，依靠計算機完成大量繁瑣的事務性工作，使設計師有更多的時間和精力從事創(chuàng)造性設計。機械設計過程中一些常用數(shù)據(jù)表格和線圖在計算機中的存取一般有三種處理方式：（1）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉化為程序存入內存。（2）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉化為文件存入內存。（3）將數(shù)據(jù)表格和線圖轉化為數(shù)據(jù)結構（數(shù)據(jù)相互關聯(lián)的形式）存入數(shù)據(jù)庫。相關處理方法和計算程序可參閱文獻［17］、［18］。常規(guī)的機械設計是基于安全概念的“合格設計”各種幾何參數(shù)能夠保證零件安全就認為合格，但這不一定是最優(yōu)的。近年來，由于優(yōu)化理論的發(fā)展和電子計算機廣泛應用在機械設計中，采用優(yōu)化設計方法，可以綜合考慮多方面的復雜因素，在各種約束條件的限制下，尋求滿足預定目標的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)。這樣，在縮短設計周期的同時，大大提高了設計質量，有效地確保所要求的技術經(jīng)濟指標。通用優(yōu)化設計程序的建立以及一些專用零部件優(yōu)化程序的研制成功，以直接調用或以商品形式提供給設計部門應用。設計師進行優(yōu)化設計的主要工作是建立數(shù)學模型和分析優(yōu)化結果，相關處理方法和計算程序可參閱文獻［17］、［18］。 平面連桿機構的運動分析和機構的運動模擬. 運動分析的目的機構的運動分析，就是根據(jù)給定的原動件運動規(guī)律，求出機構中其他構件的運動，即求出各構件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等運動參數(shù)。其目的在于研究評價機構的運動及動力性能，或求出某些構件上特定點的軌跡，以確定機構的行程或外形尺寸。要在計算機上分析一個連桿機構的運動情況，必須首先建立類似于式（3－7）的數(shù)學模型，在相應的支撐軟件系統(tǒng)中編制應用程序，通過計算機模擬實際運動狀況，計算出機構運動過程中的各構件所占據(jù)的位置；獲取相關的運動參數(shù)和機構工作特性等。相關理論和計算方法讀者可參閱文獻［16］、［17］、［18］。. 2. 程序說明本程序使用AutoCAD的內部編程語言AutoLISP編程。它的優(yōu)點是：（1）AutoCAD具有寬松的運行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應用軟件供用戶參考和使用；應用軟件可以直接在AutoCAD的圖形編輯狀態(tài)下運行。產(chǎn)生符合機械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。（2）具有強大的圖形調用和編輯功能，各種指令既可以直接鍵入，又可以用菜單選擇。（3）輸入數(shù)據(jù)方便。當需要輸入一個點時，既可以直接鍵入點的坐標，也可以用光標給出位置，還可以利用AutoCAD對光標的約束功能，捕捉已有實體上的特殊點；當需要輸入一個值時，既可直接鍵入一個值，也可通過橡皮筋的長度給出。（4）隨時可用AutoCAD的原有命令對已生成圖形進行修改和完善。（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以將圖形的幾何或非幾何信息寫入文件，傳遞給后讀的CAPP/CAM，也可以讀取其他外部程序生成的數(shù)據(jù)文件，作為結構設計的圖形數(shù)據(jù)。限于篇幅，本章只列舉出程序的使用和分析結果，以滿足教學使用要求。源程序及安裝說明可通過網(wǎng)址：。. 圖11－2為曲柄搖桿機構的運動模擬結果。圖11－2（a）為用戶在AutoCAD環(huán)境下，通過人機交互輸入方式輸入鉸鏈點A，B，C，D位置坐標后，程序自動生成的機構簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構運動。圖11－2（b）是根據(jù)機構運動繪制的搖桿3的擺角Ψ、角速度ω以及傳動角γ隨曲柄γ轉動一個周期（2π）的變化規(guī)律。