齿面接触强度和齿根弯曲强度的齿轮的可靠性设计
摘 要摘 要齿轮传动作为一种应用最为普遍的机械传动形式，在各类机械设备中都会有它的存在。各式各样的大型现代化设备的不断涌现，重载、高速以及大功率成了对齿轮传动的基本要求。因此，为了满足这一要求，齿轮传动系统对可靠性的要求也必须得随之提高。本文是对某种水利机械的减速器的齿轮传动机构进行的可靠性设计与优化，文中主要介绍了以几点内容：（1）首先是针对本文的研究对涉及到的理论基础知识进行了介绍，譬如：齿轮主要失效形式，可靠性设计理论和优化设计理论等，其中对应力—强度干涉理论做了详细介绍。（2）接着根据实例给出的设计要求进行了应力和强度可靠性计算，并建立了相应的数学模型，确立了设计变量，目标函数以及约束条件等。（3）根据确立的可靠性数学模型，利用MATLAB编写优化程序，本文采用了随机方向法对符合条件的设计变量值进行筛选，并得到最优解。（4）为了保证优化结果的准确性，本文利用PROE建模软件对MATLAB得到的参数值进行齿轮三维建模，并得到装配体。然后利用ABAQUS有限元分析软件对啮合齿轮进行应力分析并校核。关键字：齿轮传动、可靠性设计、优化设计、有限元分析 、三维建模 目 录
第一章 绪论 1
1.1课题选择的背景和意义 1
1.2国内外相关研究的现状与动态 2
1.3本设计的主要研究内容 4
第二章 课题研究的理论基础 5
2.1齿轮的主要失效形式 5
2.1.1轮齿折断 5
2.1.2齿面接触疲劳磨损（点蚀） 5
2.1.3齿面胶合 6
2.1.4齿面塑性流动 6
2.1.5磨粒磨损 7
2.2可靠性设计理论 7
2.2.1可靠性定义 7
2.2.2应力—强度干涉模型简述 8
2.2.3应力—强度干涉模型求解可靠度 9
2.3优化设计理论 11
2.3.1优化设计简述 11
2.3.2优化设计数学模型的建立 12
第三章 可靠性设计及优化 13
3.1 MATLAB软件介绍 13
3.2实例分析及具体可靠性计算 13
3.2.1可靠性设计实例及初步分析 13<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
r /> 2.2.3应力—强度干涉模型求解可靠度 9
2.3优化设计理论 11
2.3.1优化设计简述 11
2.3.2优化设计数学模型的建立 12
第三章 可靠性设计及优化 13
3.1 MATLAB软件介绍 13
3.2实例分析及具体可靠性计算 13
3.2.1可靠性设计实例及初步分析 13
3.2.2求解齿面接触疲劳可靠性 14
3.2.3求解齿轮齿根抗弯疲劳强度可靠性 19
3.2.4实例的优化设计 22
3.3优化程序及优化结果 24
3.3.1 MATLAB优化程序 24
3.3.2 MATLAB优化结果 27
第四章 有限元分析及验算 28
4.1 PROE齿轮建模 29
4.1.1 PROE软件介绍 29
4.1.2 PROE齿轮建模过程简述 29
4.2 ABAQUS有限元应力分析与校核 32
4.2.1 ABAQUS软件介绍 32
4.2.2 ABAQUS有限元分析过程简述 32
4.2.3有限元分析应力校核 34
第五章 总结与展望 35
5.1总结 35
5.2展望 35
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1课题选择的背景和意义
齿轮传动作为一种应用最为普遍的机械传动形式，由于它具有圆周速度很广，工作可靠性高、使用寿命长，工作稳定、准确、效率高等优点，因此它已经在实际生产中得到了广泛利用，并且利用的场合和条件也越来越广泛，重要程度也越来越高。但不得不考虑的是，齿轮的失效模式比较复杂，且多元化，主要表现为疲劳、腐蚀、断裂、老化、磨损等，与此同时，人类生产对齿轮机械的依赖程度越来越高。目前，随着科学技术的飞速发展，各式各样的大型现代化设备的不断涌现，重载、高速以及大功率成了对齿轮传动的基本要求。这便使得齿轮可靠性研究迫在眉睫。
可靠性问题是一种综合性系统工程。尽管传统机械设计方法比较简单、实用，但它的核心要素安全系数完全忽视了设计变量和参数具有随机性的事实，把原件应力、强度等变量参数包括影响因素都看做是定值量。但事实上，材料性能具有离散型，载荷应力具有随机性。而且，安全系数只是一个经过千万次的试验得到的经验系数，为了保险起见，往往采取较大的安全系数，这在很大程度上不仅造成零件尺寸重量无必要的增加，同时还增加相应资源的投入，造成浪费。从可靠性角度看，传统安全系数偏大偏小的取值的可能性都存在，这些也是传统机械设计方法的明显缺点和局限。
目前，现代科学技术得到了迅猛飞速发展，很多先进性的辅助手段应用到了机械可靠性研究中，其中包括有限元技术以及模糊可靠设计理论等，这使得可靠性研究方法更加多元化。
针对这些现状，本设计便运用了更加科学的计算方法，是以可靠性设计理论为基础，以符合齿轮弯曲疲劳可靠度和接触疲劳可靠度为前期，完成符合要求的齿轮减速器的可靠性设计。利用MATLAB编写相应的优化程序，并通过对优化程序代码的不断调试修改来求解出满足具体设计要求（齿轮对的分度圆圆柱体积之和最小）的最优解。利用PROE软件对最优解的齿轮的具体参数进行三维建模，然后导入到有限元分析软件ABAQUS中进行应力求解，对最优解的齿轮进行有限元分析与验算。这样得出来的齿轮尺寸会更加科学，更加符合工程实际，设计出的产品不但安全、可靠，而且不会浪费材料，减少经济投入，甚至可以更加容易地应用于对尺寸、重量严格要求的设备，同时也能解决齿轮能否在恶劣环境中安全可靠工作的棘手问题，最终获得巨大的社会、经济效益。
1.2国内外相关研究的现状与动态
国外很早就投入了很大物力、财力及人力来对机械可靠性设计及其优化的研究，其主要研究内容主要体现在以下三个方面：基于应力—强度干涉模型的广义可靠性研究；以功能失效极限状态函数为主要方法的结构可靠性；以及机械设备可靠性的故障率预计模型。
E.B.豪根花费了六年时间分析研究的两个正态分布函数的代数运算为应力—强度干涉模型可靠性研究夯实了基础。应力—强度干涉理论的基本思想认为，产品或零件的自身强度大于其所受的应力的概率便是产品的可靠度，所受应力是导致产品或零件失效的因素，而他们的自身强度便是阻止失效的因素，应力与强度是拥有相同的量纲而且都是服从一定分布规律的随机变量。其他两种方法在此就不多介绍。
可靠性研究最早起源于美国。由于60年代初，欧美及俄罗斯（前苏联）多个国家都大力发展航天航空事业，一时间内，一些重大事故不断出现，经调查，很多都是由于机械方面出现了故障导致的，这使得好多的发达国家损失非常惨重。他们尤其美国研究者变得紧张不已，并彻夜寻求解决方法。美国航空局（NASA）第一时间认识到了这一点并且从1965年便开展了机械可靠性的专业研究，研究的内容主要包括以下几方面：对机械产品的可靠性验证；在随机动载荷的条件下研究机械零件和机构的可靠性等等。美国倡导组成的技术合作计划（TTCP）委员会便是针对故障率预计模型的，其成员国还有英国、加拿大、澳大利亚以及新西兰等四国，它们就故障率预计模型提出并发表了机械设备可靠性预计方法，同时他们经过多方面研究编制出了常用机械设备的可靠性预计手册，并第一时间推广了出来。手册中主要对十八种常用机械设备和零部件建立了故障率预计模型，并通过实验室试验以及收集工程实际现场使用信息验证预计模型的准确性。另外，美国海军舰艇作战中心Carderock分部组织Picat
inny兵工厂、R,D&E中心、Belvoir研究、发展和工程中心等等多家单位研究了十九种基本机械设备和零部件的可靠性预计模型。
日本主要是对民用产品为的机械可靠性进行了大规模的研究与开发，日本科技联盟中的机械可靠性分会便是推进机械可靠性技术发展的主要机构，该分会主要由企业里的可靠性研究人员与院校的教授组成，每月必会，他们主要研究的内容是如何让可靠性在机械工业方面能够得到的引入和推进以及进一步开发，经过
第一章 绪论 1
1.1课题选择的背景和意义 1
1.2国内外相关研究的现状与动态 2
1.3本设计的主要研究内容 4
第二章 课题研究的理论基础 5
2.1齿轮的主要失效形式 5
2.1.1轮齿折断 5
2.1.2齿面接触疲劳磨损（点蚀） 5
2.1.3齿面胶合 6
2.1.4齿面塑性流动 6
2.1.5磨粒磨损 7
2.2可靠性设计理论 7
2.2.1可靠性定义 7
2.2.2应力—强度干涉模型简述 8
2.2.3应力—强度干涉模型求解可靠度 9
2.3优化设计理论 11
2.3.1优化设计简述 11
2.3.2优化设计数学模型的建立 12
第三章 可靠性设计及优化 13
3.1 MATLAB软件介绍 13
3.2实例分析及具体可靠性计算 13
3.2.1可靠性设计实例及初步分析 13<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
r /> 2.2.3应力—强度干涉模型求解可靠度 9
2.3优化设计理论 11
2.3.1优化设计简述 11
2.3.2优化设计数学模型的建立 12
第三章 可靠性设计及优化 13
3.1 MATLAB软件介绍 13
3.2实例分析及具体可靠性计算 13
3.2.1可靠性设计实例及初步分析 13
3.2.2求解齿面接触疲劳可靠性 14
3.2.3求解齿轮齿根抗弯疲劳强度可靠性 19
3.2.4实例的优化设计 22
3.3优化程序及优化结果 24
3.3.1 MATLAB优化程序 24
3.3.2 MATLAB优化结果 27
第四章 有限元分析及验算 28
4.1 PROE齿轮建模 29
4.1.1 PROE软件介绍 29
4.1.2 PROE齿轮建模过程简述 29
4.2 ABAQUS有限元应力分析与校核 32
4.2.1 ABAQUS软件介绍 32
4.2.2 ABAQUS有限元分析过程简述 32
4.2.3有限元分析应力校核 34
第五章 总结与展望 35
5.1总结 35
5.2展望 35
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1课题选择的背景和意义
齿轮传动作为一种应用最为普遍的机械传动形式，由于它具有圆周速度很广，工作可靠性高、使用寿命长，工作稳定、准确、效率高等优点，因此它已经在实际生产中得到了广泛利用，并且利用的场合和条件也越来越广泛，重要程度也越来越高。但不得不考虑的是，齿轮的失效模式比较复杂，且多元化，主要表现为疲劳、腐蚀、断裂、老化、磨损等，与此同时，人类生产对齿轮机械的依赖程度越来越高。目前，随着科学技术的飞速发展，各式各样的大型现代化设备的不断涌现，重载、高速以及大功率成了对齿轮传动的基本要求。这便使得齿轮可靠性研究迫在眉睫。
可靠性问题是一种综合性系统工程。尽管传统机械设计方法比较简单、实用，但它的核心要素安全系数完全忽视了设计变量和参数具有随机性的事实，把原件应力、强度等变量参数包括影响因素都看做是定值量。但事实上，材料性能具有离散型，载荷应力具有随机性。而且，安全系数只是一个经过千万次的试验得到的经验系数，为了保险起见，往往采取较大的安全系数，这在很大程度上不仅造成零件尺寸重量无必要的增加，同时还增加相应资源的投入，造成浪费。从可靠性角度看，传统安全系数偏大偏小的取值的可能性都存在，这些也是传统机械设计方法的明显缺点和局限。
目前，现代科学技术得到了迅猛飞速发展，很多先进性的辅助手段应用到了机械可靠性研究中，其中包括有限元技术以及模糊可靠设计理论等，这使得可靠性研究方法更加多元化。
针对这些现状，本设计便运用了更加科学的计算方法，是以可靠性设计理论为基础，以符合齿轮弯曲疲劳可靠度和接触疲劳可靠度为前期，完成符合要求的齿轮减速器的可靠性设计。利用MATLAB编写相应的优化程序，并通过对优化程序代码的不断调试修改来求解出满足具体设计要求（齿轮对的分度圆圆柱体积之和最小）的最优解。利用PROE软件对最优解的齿轮的具体参数进行三维建模，然后导入到有限元分析软件ABAQUS中进行应力求解，对最优解的齿轮进行有限元分析与验算。这样得出来的齿轮尺寸会更加科学，更加符合工程实际，设计出的产品不但安全、可靠，而且不会浪费材料，减少经济投入，甚至可以更加容易地应用于对尺寸、重量严格要求的设备，同时也能解决齿轮能否在恶劣环境中安全可靠工作的棘手问题，最终获得巨大的社会、经济效益。
1.2国内外相关研究的现状与动态
国外很早就投入了很大物力、财力及人力来对机械可靠性设计及其优化的研究，其主要研究内容主要体现在以下三个方面：基于应力—强度干涉模型的广义可靠性研究；以功能失效极限状态函数为主要方法的结构可靠性；以及机械设备可靠性的故障率预计模型。
E.B.豪根花费了六年时间分析研究的两个正态分布函数的代数运算为应力—强度干涉模型可靠性研究夯实了基础。应力—强度干涉理论的基本思想认为，产品或零件的自身强度大于其所受的应力的概率便是产品的可靠度，所受应力是导致产品或零件失效的因素，而他们的自身强度便是阻止失效的因素，应力与强度是拥有相同的量纲而且都是服从一定分布规律的随机变量。其他两种方法在此就不多介绍。
可靠性研究最早起源于美国。由于60年代初，欧美及俄罗斯（前苏联）多个国家都大力发展航天航空事业，一时间内，一些重大事故不断出现，经调查，很多都是由于机械方面出现了故障导致的，这使得好多的发达国家损失非常惨重。他们尤其美国研究者变得紧张不已，并彻夜寻求解决方法。美国航空局（NASA）第一时间认识到了这一点并且从1965年便开展了机械可靠性的专业研究，研究的内容主要包括以下几方面：对机械产品的可靠性验证；在随机动载荷的条件下研究机械零件和机构的可靠性等等。美国倡导组成的技术合作计划（TTCP）委员会便是针对故障率预计模型的，其成员国还有英国、加拿大、澳大利亚以及新西兰等四国，它们就故障率预计模型提出并发表了机械设备可靠性预计方法，同时他们经过多方面研究编制出了常用机械设备的可靠性预计手册，并第一时间推广了出来。手册中主要对十八种常用机械设备和零部件建立了故障率预计模型，并通过实验室试验以及收集工程实际现场使用信息验证预计模型的准确性。另外，美国海军舰艇作战中心Carderock分部组织Picat
inny兵工厂、R,D&E中心、Belvoir研究、发展和工程中心等等多家单位研究了十九种基本机械设备和零部件的可靠性预计模型。
日本主要是对民用产品为的机械可靠性进行了大规模的研究与开发，日本科技联盟中的机械可靠性分会便是推进机械可靠性技术发展的主要机构，该分会主要由企业里的可靠性研究人员与院校的教授组成，每月必会，他们主要研究的内容是如何让可靠性在机械工业方面能够得到的引入和推进以及进一步开发，经过
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1230.html
