機械設計理論與方法”讀書報告摘要：機械工業肩負著為國民經濟各個部門提供技術裝備的重要任務。機械工業的生產水平是一個國家現代化建設水平的重要標志，因此通過了解機械設計理論與方法的發展歷程，深刻體會機械設計理論和方法的研究現狀，并掌握機械設計理論與方法的發展趨勢，才能不斷強化自己的能力，為提升我國工業技術水平做出一份貢獻。關鍵詞：機械設計理論發展趨勢優化方法齒輪傳動一、引言：作為一名車輛工程專業的大三學生，我通過學習機械原理和機械設計（正在學習）這兩門課程，初步了解了機械行業這個領域，但是，僅僅是從這兩本書上學到的容是遠遠不夠的于是，我在課余時間查閱了很多機械行業的書籍，現在對其設計理論和方法有了一個比較細致的了解，在這篇文章當中，我將結合我課堂上學到的知識和從圖書館查閱到的一些容，對中國機械設計理論與方法的發展和中國機械行業形勢進行系統的闡述。二、機械設計理論與方法的發展歷程設計方法的發展進程大致可劃分為機械設計起源和古代機械設計、近代機械設計、現代機械設計三個階段，其第一階段是從古代社會到17世紀，這段時期我國在武器，紡織機械，農具、船舶等方面都有發明，設計制造水平處在世界領先地位，在世界機械工程史上占有十分重要的位置；從17世紀到第二次世界大戰結束這段時間是近代機械設計階段，在這一階段，古典力學為機械工業的迅速發展提供了有力的技術理論支持，機械設計在計算方法和數據積累上也有了很大的發展；從第二次世界大戰之后，機械設計進入了現代機械設計階段。計算機和自動化在設計過程當中占得比重越來越大，機械設計的速度和質量也有了大幅度的提升，具有了明顯的現代化特色。按其容來分，機械設計理論與方法又可分為：直覺設計階段，經驗設計階段和理論設計階段。這兩種劃分是一一對應的，只是從不同角度來劃分機械設計的發展史。三、機械設計理論與方法的研究現狀現代產品設計理論與傳統的設計方法是截然不同的，現代產品設計理論與方法是利用計算機輔助進行優化設計和可靠性計算。與傳統的強度、剛度原則不同，現代產品設計提出綠色設計、全生命周期優化設計、虛擬設計等方法，既節省了設計時間，又能得到更好的產品質量，大大提高了產品的設計效率。但是，現代產品設計理論實施起來又存在著一定的難度，比如說全生命周期優化設計雖然能夠更好地利用原材料，生產出效率更高的產品，但是因為其目標函數和約束條件太多，部分原始數據很難獲取，使得設計實施過程中還是比較困難的。現在比較流行的機械設計方法還有虛擬設計、創新設計、網絡設計、并行設計、動態設計、智能設計、可視化設計、綠色設計和基于質量功能展開的（QFD）設計和三次優化設計等等。很多的現代設計理論和方法都有一定的局限性，對于功能集成化越來越高的產品需求機械設計理論和方法顯然還需要進一步的提升。四、機械設計理論與方法的未來趨勢1、機械設計的未來發展趨勢從市場需求角度來說的話主要有以下幾個方面：設計將在滿足需求的同時面向制造和經營管理發展；設計將不僅僅滿足于其功能需求，還要滿足生態與環境的需要；設計將從產品質量成本第一的競爭策略轉向快速響應市場的競爭策略；設計將從傳統的串行向并行工作模式、協同工作方式發展；設計將使人們從設計過程數字化中逐步確立主動地位，激發主動創造性。2、但如果從設計方法來考慮，未來的機械設計理論與方法主要有以下幾個發展趨勢：設計理論與方法的集成現代設計理論中不同的設計方法有自己適合的應用領域，而隨著社會的進步產品變得越來越復雜，單一的設計理論無法滿足產品設計的要求，因此需要把不同設計理論中的設計工具集成為統一的設計模型以適應產品設計過程中的各階段，這是未來設計理論與方法的發展方向。設計過程的虛擬化信息技術的發展已經使設計過程虛擬化成為可能，并成為降低設計成本的重要方法。實行設計的虛擬化，不僅可以減短設計時間，降低涉及成本，還能夠讓產品得到優化，另外設計過程的虛擬化使得不同企業間的協同設計、智力資源互補成為可能，這將會大大提高產品設計的成功率。另外，設計方法的科學化也是未來機械設計的一種趨勢，現代設計過程對在規律的研究進展不大，設計方法的科學化可以擺脫以經驗為主的傳統設計方法，從而極提高設計效率。五、機械設計理論與方法在齒輪傳動問題上的具體應用現代產品設計理論與方法是一種新興的設計理論與方法，特別是利用計算機進行優化分析、輔助設計和可靠性計算等設計理論與方法，使得機械設計過程更加精確，設計結果更加貼近實際情況，而且現在這一領域出現了很多具有著各自獨特特點的理論，下面我將就我們生活中最常見的齒輪傳動的優化設計來闡述一下機械設計理論與方法在機械設計問題上的——m匚從全胡考黑應用。齒輪設計的基本流程：1、設計變量：齒輪傳動在工業上的應用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優化設計對提。高齒輪傳動及其減速器的承載能力、延長壽命和減小其體積和重量等方面都具有重要的技術。價值和經濟意義。對于給定齒數比U的一對直齒圓柱齒輪傳動，當中心距不確定時，其獨立的參數有齒數。Z1(或z2)、齒寬系數Wd(或齒寬b)、模數m以及變位系數X1和X2。當中心距給定時，其獨立參數有Zi(或Z2)、屮d(或b)、m以及變位系數Xi(或X2)。因此，不同情況下，一對圓柱齒輪傳動優化設計的設計變量如表所示。*7-4H1柱齒絶詩動優化設計的設計變量齒寬希數璽位爲stm/51此1mMr旳—7如叫—$斜習變位齒輪傅動石1啲r>",1152、目標函數：齒輪傳動的目標函數可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。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化目標函數為大小齒輪體積之和：minf(x)=兀m2(z2+z2)-b412齒輪傳動傳遞的功率最大：若以彎曲疲勞強度為限制條件，由公式可知，圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為：兀ndbmQ]P—4^F60x106?KKKKYYYAva卩FaSa￡若以接觸疲勞強度為限制條件，則由公式可知圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為：兀nd2buQ]2P—H—60x106?KKKK(u+1)AvaP由此，極小化目標函數為：minf(x)f(x)=-min(P,P)123．約束條件：齒輪傳動的優化設計中，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，即a-Q]<0HH頭防止齒根彎曲疲勞折斷、齒輪傳動必須滿足彎曲疲勞強度條件，即TOC\o"1-5"\h\zQ一Q]<0F1F1Q-[Q]<0F2F2根切的限制：z-z>01min其他一些極限位的限制：模數的限制m一m<0minm一m<0maxd—d<0a2maxd—d<0mina1齒輪直徑的限制中心距的限制a—a<0max齒寬的限制b—b<0maxb—b<0min調用《常用優化方法程序庫OPB》就能獲得在滿足約束條件下，使目標函數達到最小的最優解。整個優化設計的程序框圖如圖所示。開廉進*7優世設計?開廉進*7優世設計?2)?優化沒纖嚨■下面我們看一個三級圓錐—圓柱齒輪減速器的工程優化實例一煤礦運輸機用三級圓錐一圓柱齒輪減速器。其中第1、第3級為圓柱齒輪傳動。已知第2級的輸入功率為P=37.26kW，半動輪轉速為ni=664r/min,齒數比為u=3.4667，嚙合角an=20°，原動機為電動機，工作機載荷有中等沖擊，支承形式如圖所示，齒輪材料為20MnVB，滲碳淬火，HRC=58，齒輪精度為7級?齒面粗糙度Rz=6.3，潤滑油動力粘度為83x10-3Pa-s，要求齒輪的使用壽命為2000h,試以體積最小為目標，對此齒輪傳動進行優化設計。根據上述優化設計數學模型，調用《常用優化方法程序庫0PB》計算結果如表所示。優化結果表明中心距由原來的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。S75齒輪減速器優化設計計算結果\螫軸：2122p丫c/atrnm)■r"iin'i■'4j(rnrnJ]fl、()■>7?-1572fe-.UU174.優代設計J111744-4'j-①4口41.19(1123^-4151.S1"哎計打、.仆ih[P：ii(th(MPu)□FpJMFa}“pp/MPa)曲甘pJMT丑1tTiip.IMFajlSf31原M"：.9122H<79--站:)407.6：492.~2-3■，r優化湮計-'U4424iro丨抽〕2.OTL2由此可以看出，通過現代機械設計理論——優化設計來對齒輪進行優化，即減小了人的工作量（主要工作有電腦承擔），又能夠得到比傳統方法更好的參數，所以，機械設計理論是否先進將直接影響著一個國家機械工業的發展。另外，值得指出的是，在齒輪傳動優化設計中，由于齒數是整型變量，而模數是離散型變量。所以用連續變量的優化方法獲得最優解后，要圓整和取標準值，或直接用混合離散變量的優化方法進行求解。此外，現在在齒輪傳動優化設計問題中，已經開始將振動和噪聲方面的要求列入優化數學模型之中，進行動態優化設計。同時也有將有限元分析與優化結合起來，例如尋求對輪齒彎曲強度最有利的齒根過渡曲線的圓角半徑值。為了彌補常規優化設計的缺點，將優化設計與可靠性設計相結合，稱為可靠性優化設計法。六、總結通過做這一次的機械設計大作業，我對我國的機械行業有了比較細致的了解，隨著社會的進步，機械設計理論在不斷地改進，我國近幾年來在這一方面也取得了一些進步，但總體來說，我國的機械行業還落后與很多工業發達國家。機械理論與方法直接決定著設計產品的質量，對一個國家機械水平有著及其重要的作用。目前，很多現行的設計理論已經不能滿足設計需求了，我們應該抓住這個機遇，致力于新的機械設計理論研究，來促進我國機械行業的進步。我認為我國機械行業存在的主要問題有以下幾點：國對機械設計新理論不能夠很快的接受并應用，導致設計產品落后。據調查，雖然現在國有很多企業已經購買了一些國際上比較通用的CAD/CAE軟件，但大多少企業只是用它們來繪制圖紙，而不是用它們來做仿真實驗，做優化設計，因此，機械設計理論與方法是我們目前亟待解決的問題。與機械行業并行的其他行業落后，比如材料工業，有很多產品我們也可以設計的很漂亮，一些復雜的機械結構我們也可以設計出來，但是由于材料工業的落后，我們制造出來的產品質量就有可能大打折扣。毋庸置疑，機械行業是國民經濟的一大支柱產業，其重要性不可言喻。我國要想真正在世界立足，機械技術這個硬實力就一定要取得突破。作為一名車輛專業的大學生，我們應該肩負起振興中國機械行業的責任，扎實的學好理論