【文章內(nèi)容簡介】 實(shí)際上就是尋找最佳設(shè)計(jì)方案的過程。在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計(jì)變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。因此CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)所起的作用是極其重要的，與常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)相比，這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計(jì)效率。它可進(jìn)行如下工作：(a)在有限元分析矩陣上利用高階級數(shù)展開的方法求解目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的復(fù)雜關(guān)系；(b)“一次有限元計(jì)算”即可完成整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程；(c)與CAD軟件聯(lián)合進(jìn)行形狀參數(shù)優(yōu)化?！　?yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，通常是利用對解析函數(shù)求極值的方法來達(dá)到尋求最優(yōu)值的目的。基于數(shù)值分析技術(shù)的CAE方法，顯然不可能對我們的目標(biāo)得到一個(gè)解析函數(shù)，CAE計(jì)算所求得的結(jié)果只是一個(gè)數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使CAE中的優(yōu)化成為可能，多個(gè)數(shù)值點(diǎn)可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。樣條插值方法當(dāng)然是種近似方法，通常不可能得到目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確曲面，但利用上次計(jì)算的結(jié)果再次插值得到一個(gè)新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會越來越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的曲面可以代表目標(biāo)曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認(rèn)為是目標(biāo)最優(yōu)值。這就是CAE方法中的優(yōu)化處理過程，其通常需要經(jīng)過參數(shù)化建模、求解、優(yōu)化參數(shù)評價(jià)等步驟完成?！　‖F(xiàn)代CAE技術(shù)的發(fā)展已使人們的分析領(lǐng)域擴(kuò)展到了各行各業(yè)的每個(gè)角落，所研究問題的深度及綜合程度都在逐步提高，研究者的目光已從單一場分析轉(zhuǎn)向了多場耦合分析，以追求更為真實(shí)的模擬結(jié)果。CAE軟件的優(yōu)化技術(shù)的適應(yīng)范圍也必然隨之?dāng)U展，不但要求它能解決各種單場問題，而且應(yīng)該能處理多場耦合過程的優(yōu)化?！　。?）CAD/CAE技術(shù)發(fā)展趨勢現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)力求高效率、高質(zhì)量、低成本，這對CAE分析工具也提出了更高的要求：有足夠技術(shù)手段來真實(shí)地模擬產(chǎn)品工作行為。即真實(shí)模擬，它涉及到許多高難問題：高度非線性、多物理場耦合及產(chǎn)品系統(tǒng)級復(fù)雜裝配體模型等。把設(shè)計(jì)工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,將提高系統(tǒng)的實(shí)用性和先進(jìn)性?！　∫虼?，分析面廣、分析程度深、分析對象復(fù)雜及應(yīng)用便捷是現(xiàn)代CAE應(yīng)用的發(fā)展方向，只有在這樣的分析手段配置下，才能真正解決“真實(shí)模擬”的問題。　　因而在這樣的背景下，CAD技術(shù)主要具有以下幾方面的發(fā)展趨勢∶標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、集成化、智能化和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)與CAD的集成?！　∵@種趨勢將體現(xiàn)在以下幾方面∶真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析、適應(yīng)于超級并行計(jì)算機(jī)和機(jī)群的高性能CAE求解技術(shù)、GUI＋多媒體的用戶介面?！　。?）CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用展望CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展必定推動其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和層次的加深，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個(gè)階段發(fā)揮更大的作用?！　?a)概念設(shè)計(jì)階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演。主要有三個(gè)方面的應(yīng)用：市場調(diào)研；技術(shù)設(shè)計(jì)，包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證；評估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施。　　(b)在概念設(shè)計(jì)完成以后，緊接著就是詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動力特性和生產(chǎn)性等)。該階段需要操作簡單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時(shí)間完成評估工作?！?c)樣機(jī)制造階段是根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)樣機(jī)的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用CAE軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來指導(dǎo)生產(chǎn)。　　(d)產(chǎn)品測試評估階段主要是利用各種測試和評估手段對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評價(jià)，從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，漸開線齒輪傳動減速器的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展使得它無論在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強(qiáng)市場競爭力起了巨大的作用?！】傊瑢B桿減速器進(jìn)行CAD/CAE下的建模和仿真，是傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技發(fā)展的規(guī)律，也會使各自的應(yīng)用、研究及發(fā)展獲得意想不到的效果。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 傳動方案擬定（1）工作條件：使用年限10年，300天為一年，工作為兩班工作制。（2）原始數(shù)據(jù)：(KW)；n1w為250r/min；；軸夾角∑為90176。方案擬定：由設(shè)計(jì)要求知采用V帶傳動與一級圓錐齒輪傳動，即可滿足傳動比要求。 電動機(jī)類型選擇（1）電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)的選擇：選擇Y系列三相異步電動機(jī)，此系列電動機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價(jià)格低廉，維護(hù)方便，適用于不易燃，不易爆，無腐蝕性氣體和無特殊要求的機(jī)械。（2）電動機(jī)功率選擇式Ｐd＝ＰＷ／η總　 (kw) 其中η總為電動機(jī)至工作機(jī)之間傳動裝置的總效率。η總=η１η２2η３式中：ηηη分別為齒輪傳動、軸承、帶傳動的傳動效率。取η１=，η２＝，η３＝，則：　η總= =.所以：電機(jī)所需的工作功率：Ｐd＝ＰＷ／η總＝(KW)（3）確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速nd＝ixnw＝＝575r/min根據(jù)所得電動機(jī)轉(zhuǎn)速查取手冊選擇電動機(jī)型號為：Y112M—6，其同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為940 r/min。 確定傳動裝置的中傳動比和分配級傳動比由選定的電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機(jī)主動軸轉(zhuǎn)速nw（1）可得傳動裝置總傳動比為： ia=nm/nw= 940/250=總傳動比等于各傳動比的乘積分配傳動裝置傳動比 ia=i0i （式中i0、i分別為帶傳動和減速器的傳動比） （2）分配各級傳動裝置傳動比： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取i=所以： i0= 傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)的設(shè)計(jì)將傳動裝置各軸由高速至低速依次定為Ⅰ軸，Ⅱ軸：i0,i1，......為相鄰兩軸間的傳動比η01，η12，......為相鄰兩軸的傳動效率PⅠ，PⅡ，......為各軸的輸入功率 （KW）TⅠ，TⅡ，......為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 （Nm）nⅠ,nⅡ,......為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 （r/min） （1）各軸轉(zhuǎn)速Ⅰ軸：nⅠ=nm/ i0=940/=575(r/min）Ⅱ軸：nⅡ= n1w=250(r/min)（2）各軸功率Ⅰ軸： PⅠ=Pdη01 ==（KW）Ⅱ軸： PⅡ= PⅠη12 ==（KW）（3）各軸轉(zhuǎn)矩電動機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩為： Td=9550Pd/nm=9550m Ⅰ軸： TⅠ= Tdi0η01= Nm Ⅱ軸： TⅡ= TⅠi1η12== Nm運(yùn)動和動力參數(shù)的計(jì)算數(shù)值見下表：轉(zhuǎn)速/r/min功率/KW轉(zhuǎn)矩/ NmⅠ軸575Ⅱ軸250 齒輪傳動設(shè)計(jì)、材料、熱處理方式、精度等級（1）齒輪類型由設(shè)計(jì)要求知選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪。（2）通用減速器的傳動精度范圍為6—8級，故選用7級精度。（3）查表選用小齒輪的材料為40cr(調(diào)質(zhì)處理)，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼（調(diào)制處理），硬度為240HBS。二者材料的硬度差為40HBS.初選小齒輪的齒數(shù)為Z1=22則大齒輪的齒數(shù)為Z2=22=51。計(jì)算小齒輪分度圓直徑 d1≥ 確定公式內(nèi)各參數(shù)值（1）試選載荷系數(shù)Kt=（2）小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩T1=106PⅠ/n1=2. 99104 Nmm（3） 齒寬系數(shù)取=（4）材料彈性影響系數(shù) 查表得 ZE= （5）查表得 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限（6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=605751(2830015) =2. 484109N2=109（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1.計(jì)算（1） 試算小齒輪分度圓直徑d1，代入[]中較小的值d1≥ =（2）計(jì)算小齒輪的圓周速度（3）計(jì)算齒寬bRt=d1/2==b/R得 b=Rt = mm（4） 計(jì)算mt mt= d1/z1=（5）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)小齒輪的圓周速度V=，7級精度，查圖得動載荷系數(shù)Kv=齒間載荷分配系數(shù) KHa=KFa=1使用系數(shù) KN=齒向載荷分布系數(shù) KH= KF= KHbe 查表得KHbe=， 則KH= KF==齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) YFa YSa由于當(dāng)量齒數(shù) Zv1=Z1/cos=24 Zv2= Z2/cos(90)=129查表得 YFa1= YSa1= YFa2= YSa2=故載荷系數(shù) K=KAKv KHa KH=（6）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑d1= d1=（7）計(jì)算模數(shù)m= d1/Z1= 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 m≥確定公式內(nèi)各參數(shù)值（1）由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 = 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 =（2）由圖差得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1= KFN2=（3）取彎曲疲勞安全系數(shù) S= 得 []=KFN1/S=[]=KFN2/S=（4）計(jì)算載荷系數(shù)K=KAKv KFaKF=（5）齒形系數(shù) YFa1= YFa2= YSa1= YS a2=（6）計(jì)算大、小輪的 并加以比較 設(shè)計(jì)計(jì)算m≥ 對比計(jì)算結(jié)果，得齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的模數(shù)。由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=。接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=，算出小齒輪齒數(shù) Z1= d1/m=≈25大齒輪齒數(shù) Z2=25≈58 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。（1）計(jì)算分度圓直徑 d1= Z1m=25= d2 = Z2m=145mm（2）計(jì)算齒輪寬度b=R R=d1 =b==標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動的幾何參數(shù)及尺寸（） 名稱代號計(jì)算公式小齒輪大齒輪分錐角=arctan(z1/z2)===吃頂高h(yuǎn)aHa=ha*m=1m=齒根高h(yuǎn)fHf=( ha*+c*)m==3mm分度圓ddd1=mZ1=d2=145mm齒頂圓ddada1=d1+2hacos=da2=齒根圓ddfdf1=d12hf cos=df2=錐距Rd1=齒根角tan=hf/R=頂錐角根錐角分度圓齒厚ss=當(dāng)量齒數(shù)ZZ=Z/ cos=27Z=147齒寬BB=齒數(shù)ZZ=25Z=58 故 同樣可得： 并且： 由上可得： ,故滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。由于小齒輪及大齒輪的齒頂圓直徑小于160mm , 故可將大、小齒輪做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪。 軸及軸承的設(shè)計(jì)與選擇、輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩由前面計(jì)算可得：轉(zhuǎn)速/r/min功率/KW轉(zhuǎn)矩/ NmⅠ軸575Ⅱ軸250： 輸出軸上的齒輪：圓周力： 徑向力： 壓力角 軸向力： 其中由錐齒輪的受力分析可知。 且(為輸入軸上的齒輪所受的力)選取軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。查表得A0=110： 確定輸入軸與帶輪相連接，令輸出軸與聯(lián)軸器相連接，其輸出軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器出軸的直徑。為使所選的軸的最小直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需要同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號。聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩：,查表取。則：=按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查表選用LX1型號的彈性柱銷聯(lián)軸器。其公稱轉(zhuǎn)矩為250Nm，半聯(lián)軸器孔徑d1=24mm(j1型)。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度L=38mm。（1） 根據(jù)周向定位的要求確定軸的各段直徑和長度根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求及裝配要求最終所確定的軸的各段直徑和長度如下圖所示：輸出軸： 輸入軸： （2） 軸上零件的周向定位齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求查表選擇：18的軸鍵：bhL=662822的軸鍵：bhL=662224的軸鍵：bhL=872832的軸鍵：bhL=10822（3） 確定軸上的圓角和倒角尺寸查表選