机械设计综合约束问题_1491
2 机械设计中的约束分析 - 副本
机械设计 第二章 机械设计中的约束分析
2）不同应力循环特征r的疲劳极限
10
塑性材料
a
A0, 1
疲劳强度线
m ( m , )
B(
m a
0 0
, 2 2 )
D
n(σm,σa)
45
屈服强度线
( m a s )
45
1、某齿轮传动装置如图所示，轮1为主动轮，则轮2的齿面 接触应力按 变化。 A 对称循环 O3 ω1 O1 O2 B 脉动循环 C 循环特性r=-0.5的循环 D 循环特性r=+1的循环 2、上图所示的齿轮传动装置，轮1为主动轮，当轮1作双向回 转时，则轮1齿面接触应力按 变化。 A 对称循环 B 脉动循环 C 循环特性r=-0.5的循环 D 循环特性r=+1的循环
机械设计 第二章 机械设计中的约束分析
3、一等截面直杆，其直径d=15mm，受静拉力F=40kN，材料 为35#钢，σB=540N/mm2,σs=320N/mm2，则该杆的工作安全系 数S为（D）。 A. 2.38 B. 1.69 C. 1.49 D. 1.41
6
机械设计 第二章 机械设计中的约束分析
4
机械设计 第二章 机械设计中的约束分析
二、静应力作用下的强度问题 1） [ ] 或 [ ]
[ ]
5
lim
[ ]
lim
[S ]
[S ]
2）
S
lim
[S ]
S
lim
[S ]
[S]——许用安全系数，【S】＞1 —→
S↑：安全，浪费材料 S↓：经济，不安全
《机械优化设计》第6章约束优化方法
X(R)
● X(S)
X(H)
映射迭代公式： x(R)=x(S)+α(x(S)-x(H)) 搜 索 方 向：沿x(H)→x(S)的方向'。 步长因子（映射系数）α： α>1，建议先取1.3'。 若求得的x(R)在可行域内，且f(x(R))<f(x(H))，则以x(R)代替x(H)组 成新复合形，再进行下轮迭代'。
x j x0 a0e j
机械优化设计
§第二节 随机方向法
3）检验k个随机点是否为可行点，除去非可行点，计算 余下的可行点的目标函数值，比较其大小，选出目标 函数最小的点xL '。
4) 比较xL 和x0两点的目标函数值:
①若f(xL) <f(x0)，则 取xL 和x0连线方向为可行搜索方向；
②若f(xL) ≥f(x0)，则缩小步长α0 ，转步骤1）重新计算， 直至f(xL) <f(x0)为止'。
则可行搜索方向为： d x L x0
四、搜索步长的确定
步长由加速步长法确定：
τ为步长加速系数，一般取1.3
机械优化设计
五. 计算步骤 1) 选择一个可行的初始点x0; 2) 产生k个n维随机单位向量e j ( j = 1, 2, …, k);
3) 取试验步长0，计算出k个随机点x j ;
4) 在k个随机点中，找出可行的的随机点xL, 产生可行搜索 方向d= xLx0.
5) 从初始点x0出发，沿可行搜索方向d以步长进行迭代计
算，直到搜索到一个满足全部约束条件，且目标函数值
不再下降的新点x'。
6) 若收敛条件满足，停止迭代'。否则， 令x0 x转步骤2
机械优化设计
例6-1 求下列约束m优in化f问x题 的x2最优x 解
机械设计中的约束问题
min m - a
a
2
max - min
m
max min
非对称循环变应力
2 r min / max
例2-1：设有一零件受变应力作用，已知变应力的平均应力 应力幅为 ＝129Mpa，试求该变应力的循环特征r。
＝189Mpa，
（3）几种稳定循环变应力
（1）不同循环次数N时的疲劳极限：
当应力循环特征r一定时，应力增大，零件失效前 所经历的循环次数N减少；反之，应力减少，循环次数 N增加。当应力减小到某一数值时，零件可经"无数"次 循环而不发生疲劳破坏。图中来自劳曲线可以表示为：＝常数
为材料的疲劳极限，即经"无数"次循环(无限寿命)而不发生疲劳破坏时的极限应力； 为材料条件疲劳极限，即应力循环次数为N(有限寿命)时的极限应力。
）作为
三、变应力作用下的强度问题
1、变应力的种类和特点
（1）静载荷和变载荷均可能产生变应力。在 静载荷F作用下，转动心轴上的a点所受的应 力就是一个对称循环的变应力。
（2）变应力参数（以正应力δ为例，可将τ替 换 δ）
最大应力 最小应力 应力幅 平均应力 循环特征
max a m
2、危险剖面处的计算安全系数[ ；或 式中： 为极限正应力； ]、[ ]不应小于许用安全系数[S]，即： (2-2)
为极限剪切应力； 、 ）作为极
•对于塑性材料：主要失效形式是塑性变形，取其屈服极限（ 限应力，即 ， ； •对于脆性材料：主要失效形式是脆性破坏，取其强度极限（ 极限应力，即 ， 。
、
§2-1 概述
机械设计的主要任务，就是要在由各种约束条件下，寻找设计方案。机械 设计中的约束主要有：经济方面的约束、社会方面的约束和技术方面的约束。
机械优化设计 第5章 约束优化方法
2. 将(0,1)中的随机数 i 变换到(-1,1)中去;
yi 2i 1
3. 构成随机方向
y1
e
1
y2
n
i 1
yi2
...
yn
i 1,2,...,n
例: 对于三维问题: 1 0.2,2 0.6,3 0.8 变换得: y1 0.6, y2 0.2, y3 0.6
一. 基本思路
搜索方向----采用随机产生的方向 ① 若该方向不适用、可行，则 产生另一方向；
②若该方向适用、可行，则以加 速步长前进；
③若在某处产生的方向足够多， 仍无一适用、可行，则采用收缩 步长；
④若步长小于预先给定的误差限 则终止迭代。
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二.随机方向的构成
1.用RND(X)产生n个随机数 i , i 1,2,..., n(0 i 1)
j =1
给定内点 X 0 ,0 , m,
α =α 0, F0=F(X0)
K=0, j=0
0 初始步长； m 在一迭代点处允许产生的方向数； 终止误差限(步长)
产生随机方向
X X 0 S
否
X∈D
是
F=F（X）
否 F<F0 是
X0=X, F0=F
否 j =0
是
K=K+1
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二.迭代步骤
X (0) X (3) X (4)
X (1) X (2)
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三.存在问题
有时会出现死点, 导致输出“伪最优 点”.
* 为辨别真伪, 要用K-T条件进行检查.
机械毕业设计1491小型收割机变速箱设计
本科毕业论文（设计）题目：小型收割机变速箱学院：工学院姓名：学号：专业：年级：指导教师：二0一四年五月摘要变速箱是由装在变速箱壳体内各轴上不同齿数的齿轮和操纵机构组成的。
根据不同档位的需要将不同轴上不同齿数的齿轮啮合在一起，从而实现不同的传动比以此来实现变速，在变速箱中，齿轮，轴和操纵机构起着重要的作用。
在设计的过程中主要各档传动比进行分配、计算，对各档齿轮齿数分配、计算，并对齿轮进行设计、计算，强度校核；对轴进行强度和刚度校核。
变速箱的操纵机构设计包括选换挡机构设计和锁定机构设计两部分。
选换挡机构包括操纵盖，拨叉，拨快，拨叉轴设计。
锁定机构设计包括自锁机构设计，互锁机构设计和联锁机构设计。
关键字：齿轮；轴；轴操纵机构；锁定机构AbstractThe gearbox is mounted on the shaft by a different number of teeth of the gear in the gearbox housing and the operating mechanism thereof. According to different needs of different shaft type gear teeth engaged with the gear, in order to achieve the different gear ratios in order to achieve, in the gearbox, gear, shaft and plays an important role in the control mechanism. In the design process mainly allocated for each gear ratio, calculated on the number of teeth of each gear allocation, calculation, and gear design, calculation, strength check; strength and stiffness of the shaft checked. The design includes a transmission operating mechanism the shifting mechanism and a locking mechanism designed in two parts. The shifting mechanism includes manipulation cover, fork, dial fast, fork shaft design. The locking mechanism design includes self-locking mechanism design, mechanical design and interlocking interlocking mechanism design.Key words:Gear Axis Manipulation of body Locking mechanism目录前言 (3)1 机械式变速器的概述及其方案的确定 (4)1.1 变速器传动机构的结构分析与型式选择 (4)1.1.1 档位数的确定 (4)1.1.2 传动形式的确定 (4)1.1.3 倒档的形式及布置方案 (7)1.1.4 变速器操纵机构方案分析 (9)1.2 变速器主要零件的方案分析 (11)1.2.1 齿轮 (11)1.2.2 轴的结构形式 (11)1.2.3 换档结构型式 (11)2 变速器整体性能参数的确定 (12)2.1 档数和传动比 (12)2.2 中心距 (14)2.3 轴向尺寸 (14)3 齿轮详细参数设计 (15)3.1 齿轮参数 (15)3.1.1 齿轮模数 (15)3.1.2 齿形、压力角α、螺旋角β和齿宽b (16)3.1.3 各档齿轮齿数的确定 (17)3.2 齿轮参数的详细计算及校核 (20)3.2.1 选定齿轮类型、公差等级、材料、齿数及螺旋角 (20)3.2.2 按齿面接触疲劳强度设计 (20)3.2.2．1 确定设计公式中各参数 (20)3.2.2.2设计计算 (21)3.2.3 按齿根弯曲疲劳强度设计： (22)3.2.3.1 确定公式中各参数 (23)3.2.3.2 设计计算 (24)3.2.2几何尺寸计算 (24)各齿轮参数表 (25)4 变速器轴的设计计算 (25)4.1 轴的结构及计算 (25)4.1.1 轴的功用及设计要求 (25)4.1.2 轴的结构形状 (25)4.1.3 轴尺寸初选 (28)4.1.3.1 轴的直径和长度估算与确定 (28)4.1.4 轴的受力分析 (29)4.1.5 轴的强度计算及校核 (32)4.2 轴上花键的设计计算 (35)5 同步器的设计 (36)5.1 同步器的结构 (36)5.2 同步环主要参数的确定 (37)6 操纵机构 (39)6.2 互锁装置 (40)6.3 倒档锁装置 (41)7 变速器轴承的选择 (41)7.1 轴承的转速 (41)7.2 轴承的受力分析 (41)主要参考文献 (45)结论 (46)致谢 (47)前言由于缺乏收割机变速系统的资料，又因为汽车变速系统与收割机变速系统原理一样，故本设计相关参数均选用越野汽车及拖拉机（主要为汽车）。
机械优化设计方法第六章 约束最优化方法
定在(-1，+1)区间的随机数取得。 有些计算机具有直接调用的功能，但有些计算机则无此 功能，需要另编程序。如可获得(0，1)区间内服从均匀 分布的随机数数列ri(i=1,2,…,n)，则可通过下式 yi= ai+ ri(bi- ai) (i=1,2,…,n) 转化成在(ai，bi)区间内服从均匀分布的随机数数列。 以ai＝-1，bi＝1代入上式，可得(-1，+1)区间内服从 均匀分布的随机数数列 yi= 2 ri-1 由于yi在区间(-1，+1)内产生，因此所构成的随机方向单 位向量端点一定位于n维的超球面上。
现以图6-5所示二维不等式约束优化问题来作
进—步说明。
其数学模型为 min f X
X D R 2
D：g1(X)≥0 g2(X)≥0 a1≤x1≤b1 a2≤x2≤b2 其中， g1(X)≥0，g2(X)≥0可称 为隐式约束条件，而边 界约束a1≤x1≤b1， a2≤x2≤b2可称为显式约 束条件。
需要指出，这样产生的初始点X(0)=[x1(0), x2(0),…, xn(0)]T
虽能满足设计变量的边界条件，但不一定能满足所有 约束条件(如点)。 因此这样产生的初始点还须经过可行性条件的检验， 如能满足，才可作为一个可行的初始点。否则，应重 新随机选初始点，直到满足所有的约束条件。
三、随机搜索方向的产生
6-2 约束随机方向搜索法
一、基本原理
基本原理可用
图6-1所示二维 最优化问题进 行说明。
在约束可行区域D内，任意选择一个初始点X(0)，以给
定的初始步长α=α0沿着随机方向S(1)取得探索点 X=X(0)+αS(1) 若该点同时符合下降性(即f(X) < f(X(0))和可行性(即 X∈D)要求，则表示X点探索成功。 并以它作为新的起始点，即X→X(0)，继续按上面的迭 代公式在S(1)方向上获取新的探索成功点。 重复上述步骤，迭代点可沿S(1)方向前进，直至到达某 搜索点不能同时符合下降性和可行性要求时停止。 此时废弃该搜索点并退回到前一个搜索成功点作为S(1) 方向搜索中的最终成功点，记作X(1)。 此后，将X(1)点置为新的始点X(1)→X(0)，再产生另一随 机方向S(2)，以步长α重复以上过程，得到沿S(2)方向的 最终成功点X(2)。 经若干循环，点列{ X(k)( k=1,2,…) }必最后逼近约束最 优点X*。
机械设计中的约束分析
机械设计
五、机械零件的设计步骤
1）拟订零件的设计简图； 2）确定载荷的大小及位置；
L1 F L2
第二章 约束分析－一般问题
受力分析
3）选择材料； 4）根据失效形式选用承载能力判定条件，
设计或校核零件的主要参数；
强度条件（或刚度） 设计计算 尺寸 设计式
尺寸 校核计算 强度条件（或刚度） 校核式
5）结构设计，绘制零件工作图。
对称循环变应力
稳定循环变应力 脉动循环变应力
非对称循环变应力
机械设计
T
第二章 约束分析－强度问题
对称循环变应力
脉动循环变应力
非对称循环变应力
静应力
机械设计
第二章 约束分析－强度问题
3、变应力的五个特性参数
● 最大应力σmax m a
● 最小应力σmin m a
● 应力幅σa max min （总为正）
循环特征
r min 300 0.652 max 460
应力幅
a
max
min
2
460 300 80MPa 2
属于哪一种类型？
机械设计
问 题： 变应力是否一定由变载荷引起？
变载荷 → 变应力 静载荷 → 静应力 ？或 变应力
第二章 约束分析－强度问题
静载荷 F
n
●
为什么要将应力分成许多类？
2
● 平均应力σm max min
2
已知任意两个参数， 可确定其余参数
● 循环特征 r
min max
m a m a
1 r 1 即：| r | 1
定义规则：
σmax 总为正，且其值不小于σmin 的绝对值； σmax、σmin 在横轴同侧时，r 取“＋”号; 否则，r 取“－”号
01-2 机械设计约束和结构设计
2.造型设计准则
造型设计是用美学的形式和手段去发挥和体现产 品的功能特点及其科学性、先进性。造型的基本 要素包括功能基础（如产品的功能范围、工作精 度、可靠性和宜人性等，体现了产品的实用性）、 技术基础（如材料、结构和工艺等为产品功能服 务的物质技术基础）和艺术形象（产品具有造型 美观、形态优美的艺术性）。 机械产品的造型设计，属于“工业设计”范畴， 它应用工程技术和艺术手段设计、塑造产品的形 象，并将其最后统一在产品的功能、结构、工艺、 宜人性、视觉传达、市场关系等而取得人—产 品—环境和谐的一项创造性设计。 在产品造型设计中，须着重考虑色彩和比例设计 两个原则问题。
能力训练案例1-6 : 图1-17所示的轴毂联接
中，采用过盈配合和键联接的双重配置。试分 析该结构设计的作用原理是否明确。
1.5.3 结构设计的构型变换
从功能的观点，零件承担功能要求的
表面可称为功能面。因此，零件是由 一些功能面通过边棱邻接而成。从结 构的观点，这些功能面是零件的构型 元素。通过对这些构型元素的变换， 可以派生出不同的结构方案。
进行结构设计时，对两个零件直接相关的部位，必 须同时考虑合理地选择材料与热处理方式、形状和 尺寸、制造精度和表面质量等；而且必须满足间接 相关条件，如进行尺寸链和精度的计算基本要求是明确、简单和安全可靠 1.明确:功能、作用原理和工作状况明确。
图1-15 轴毂联接的定位结构
1.4.3 标准化约束
标准化是指在进行机械产品设计的全过程中，都要 遵循现行的国家标准、部标准和企业标准，有利于 提高生产技术水平和管理水平。 1.概念标准化：包括名词、术语、符号、计量单位 等的使用符合规范。 2.实物形态标准化：包括产品、零部件、原材料、 设备及能源的结构形式、尺寸、性能等都要按照标 准进行选用和设计。 3.技术标准化：与生产技术有关的操作、测量、试 验、检验、成本核算和管理等方法，都应该按照规 定实施。 4.技术文件标准化：包括产品设计过程中形成的可 行性研究报告、试验报告、图纸、设计任务书、设 计说明书和工艺规程等，都应该按照规定执行。
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２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4
3）变应力下，
S =1.3～1.7
材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
接触应力作用下的强度问题
对于高副机构(如齿轮传动、滚动轴承等)，理论上，载荷 是通过点或线接触传递的。实际上，零件受载后，由于在 接触部分要产生局部的弹性变形，从而形成面接触。这种 接触，接触面积很小，但表层产生的局部应力却很大，这 种局部应力称之为接触应力。这时零件强度称为接触强度。 接触应力作用下的强度约束条件是最大接触应力不超过其 许用值，即
机械设计综合约 束问题
概述
经济性约束 主要是指尽可能的降低产品成本，将它控制 在规定的成本目标的范围之内。
社会性约束 是指所设计的产品必须能对社会带来效益，而 不对社会造成不良影响。
技术性约束 是以设计能否满足技术性能要求为目标，主要 包括：技术性能约束、标准化约束、可靠性约束、安全性约 束等。技术性约束是机械设计中应重点考虑的方面。
Hmax[H]
根据赫兹公式，可求出两圆柱体接触最大接触应力为
11
Hmax
Fca ( 1 2 ) (1 12 1 22 )L
E1
E1
机械中的摩擦、磨 损及润滑
摩擦 是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 磨损 是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； 润滑 是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。
机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
计算应力-----按名义载荷计算所得之应力： σ、τ
强度判 定条件：
[] []
冲蚀磨损 流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体 冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损。
各系数均可机械设计手册中查得。
有限寿命时，用σ-1N代入得：[1]
1
kS
m
N0 N
四、安全系数 S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 铸钢件：S =1.５～２.5
当N<N0 时, 有近似公式： m 1NN m 1N0C
对应于N
的弯曲疲劳极限：1N
1m
N0 N
2、许用应力
当应力是对称循环变化时，许用应力为：[1]
1
k S
当应力是脉动循环变化时，许用应力为：[
0
]
0
k S
σ0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上
二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形
塑 作为性极材限料应，力取屈,许服用极应限力σ为S ：[
]
s
S
脆 作为性极材限料应：力取强,许度用极应限力σ为B ：[
]
B
S
三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂 具有以下特征： 1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
（４）混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合 状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时 要小得多。
磨损
1. 磨损的过程
零件的磨损过程大致分 为三个阶段，即磨合阶 段、稳定磨损阶段和剧 烈磨损阶段。
在设计和使用机器时，应 力求达到缩短磨合期、延 长稳定磨损期、推迟剧烈 磨损的到来。
低，甚至比屈服极限低; 2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
1、疲劳曲线
应力σ与应力循环次数N
之间的关系曲线称为：疲
劳曲线
当N>N0 时,试件将不会断裂。
N0 ----循环基数 N0 对应的应力称为：疲劳极限
用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。
磨损类型
2. 磨损类 型
根据磨损机理不一致，大体上可概括为：
磨粒磨损 也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离 硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。
疲劳磨损 也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在 交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引 起的磨损。
粘附磨损 也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用 的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对 运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附 磨损。
摩擦
一、摩擦的机理 “机械说” 产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；
二、摩擦的分类
内 摩 擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外 摩 擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。
静 摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动 摩 擦：在相对运动进行中的摩擦。
滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。
摩擦状态
４种滑动摩擦状态
（１）干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触 时的摩擦。 （２）边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩 擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。
Hale Waihona Puke 4种摩擦状态 （2）（３）流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流 体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且 不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。
axm
2
in
变应力的循环特性:
r min max
T -1 =0
+1
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力 a σa
σmin
m a x
（ a）
（ b）
m a x m i n
m
（ c）
（ d）
（a）静应力；（b）对称循环应力； （c）非对称循环应力；（d）脉动循环应力
其中
[
]
lim
S
[ ] lim
S
[σ]=、[τ]-----许用应力 S-----安全系数
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
一、应力的种类
静应力: σ=常数
变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
m
axm
2
in
应力幅:
a
m