论文总字数：37114字

摘 要

本文首先用MATLAB软件进行齿轮机构的常规设计，通过查阅书籍和资料得到齿轮设计相关数据以及计算公式，从而计算出齿轮常规设计结果，然后再通过建立数学模型的办法得到优化设计结果，对比。用MATLAB的GUIDE界面功能建立用户交互式界面，然后基于设计过程编写程序，用户在GUI界面中输入基本参数之后点击计算按钮显示出设计结果；之后在常规设计的基础上使用MATLAB函数再对齿轮机构进行优化设计^[1]；程序编写完成之后多次输入不同的数据对程序进行检测检查无误之后，最后通过3D设计软件ProE设计齿轮减速箱三维模型及运动仿真。

关键词：齿轮机构 MATLAB 优化设计 运动仿真 ProE

Optimization and Simulation Design of Gear Mechanism

Abstract

This paper carry out the gear mechanism of conventional design based on the MATLAB software, through access to books and materials for the gear design relevant data and calculation formula, to calculate the gear conventional design results, and by establishing the mathematical model method for optimization design of gear ,comparing the results with conventional design optimization . Using the GUI function of MATLAB to create a user interface, and then based on the design process to write programs, users in the interface input the relevant values and click the calculation to display the design results; Then, on the basis of conventional design, MATLAB function is used to optimize the design of gear mechanism After the program was written, different data were input for several times to check and verify the program. Finally, the 3D gear reduction box model and motion simulation were designed through the 3D design software ProE.

Key Words: MATLAB;Gear Mechanism;Optimal Design; ProE;Motion Simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 机构学的现状与发展趋势 1

1.1.1 机构学的概念 1

1.1.2 机构学的发展现状 1

1.1.3 机构学的发展趋势 2

1.2 MATLAB的介绍 3

1.2.1 MATLAB的基本功能 3

1.2.2 Matlab的优化工具箱 3

1.3 课题介绍 4

1.4 本课题的设计思路和内容安排 4

第二章 齿轮机构的常规设计 5

2.1直齿圆柱齿轮的设计 5

2.1.1问题的描述 5

2.1.2设计方法 5

2.1.3 界面设计 9

2.1.4 应用举例 10

2.2 斜齿圆柱齿轮设计 10

2.2.1 问题的描述 10

2.2.2 设计方法 10

2.2.3 界面设计 13

2.2.4 应用举例 13

第三章 齿轮机构的优化设计 15

3.1 单级单目标齿轮优化设计 15

3.1.1 优化设计思路 15

3.1.2 优化设计方法 15

3.1.3 优化设计的数学模型 15

3.1.4 界面设计 19

3.1.5 应用举例 20

3.2 单级多目标齿轮优化设计 20

3.2.1 优化设计思路 20

3.2.2 优化设计方法 20

3.2.3 优化设计的数学模型 21

3.2.4 界面设计 22

3.2.5 应用举例 24

3.3 单级齿轮常规设计与优化设计结果对比 25

第四章 齿轮减速箱三维建模及运动仿真 26

4.1 Pro/Engineer的简介 26

4.2 减速箱零件建模 26

4.2.1 齿轮的建模 26

4.2.2 齿轮轴的建模 31

4.2.3 箱座的建模 32

4.2.4 其他零件的建模 34

4.3 减速箱的装配 35

4.3.1 第一根传动轴转配 35

4.3.2 第二根轴装配 35

4.3.3 总体装配 36

4.4 齿轮减速箱运动仿真 37

4.4.1 减速箱简介 37

4.4.2 运动仿真概念 37

4.4.3 减速箱PRO/E运动仿真 37

第五章 总结与展望 39

5.1总结 39

5.2展望 40

致谢 42

参考文献 43

附录一 单级齿轮常规设计 45

附录二 单级单目标齿轮优化设计 57

附录三 单级多目标齿轮优化设计 59

第一章 绪论

1.1 机构学的现状与发展趋势

1.1.1 机构学的概念

机构学是将数学模型分析作为主要分析手段，综合与分析各式各类机构的组成与运动。机构学是创建在运动几何学以及几何力学的理论基础上的；机构学在现代机器的创新与改革这方面有着一份非常完善的理论基础，在此基础上进行研究，以创造出更加合理更加经济更加先进的机械设备来满足生产力的发展及生活层面上的物质需求^[2]。机构学是机械工程中十分重要的基础的一门学科；许多行业的生产设备机械化与自动化水平将直接受到机构学的影响。

1.1.2 机构学的发展现状

（1）常用机构运动分析与综合

说到常用机构，就拿如齿轮传动机构来讲，我们一般要对它进行运动的分析，它的主动件是什么，从动件又是什么。主动件的动力来源是什么，他们的啮合情况又如何，这都是我们需要进行分析的，然后分析的方式有很多，就比如计算机辅助分析。也可以使用分解分析^[3]。

1. 组合机构

说到组合机构的话，可以拿等速往返运动这个机构来举例。我们可以拿一个正弦机构。然后与另外一对非圆齿轮传动机构进行组合；组合完成之后，从动件能够跟随着主动件一起运动^[4]

（3）机构动力学

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