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牙嵌式离合器参数的优化设计
作者:博马会官方网站    发布日期:2020-08-13 17:44


  《机床与液压》2(1l】4 Nn 3 牙嵌式离合器参数的优化设计 陈科。,宋毅。一 (1合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009;2海军蚌埠士官学校) 摘要:水义以牙嵌式离台器的优化设计为例,介绍r一种利用M?州啪n}:…I(电了表格)的规划求解命令进行数学模 型的优化求解的新方法利用水一法,存优化发计过程t扣建立数学模型后避开r较为复杂的选择优化算法和编制}r篇-机程 序,使优化世I|这现代殴计理i仑和方法更易于住机械产品设引中推Jt‘成用,井发挥其在机械设计过程r扣的优势i 关键词:牙嵌式离台器;Mj¨㈣c,n E列t、l;姚划求解;机械优化设计 optimaI Design of Structure Parameter CHEN Ke.SONG Yi of Jaw clutch (&|Imol of Machin8ry and觚lt埘nobi【e E119ineeri“g,Hefei university“TechImlogy,Hefei 230009,China) Abstract:An 8ppmach wi(1P】y LIsed was pmscnted to optimal desigllof a Mi(?州m Excel.The slral。g,avoided programmJ“g h was an th㈣)st jaw cluL【h’s stnlclur8 palameLer by of usi“g 80nwam aflached Io cf’mplicated and the mosi djm(-uli P“Ⅲ、du即R desjgll j J1 opfimal desig”一sekc Ll”g The example8 【’1nlnlal aI掣1mhm and elnciency nle【110(1吣8pply the thPm了0f opt;mal e“目nec rI“g proposed here pn)vtd the va㈦jty ofthis meth 0(1 Keywords:Jaw clutch;Mjcn懵ofL Excd;PIanni”g;Mecllanical optlmal(】csign 0引 言 幽,相当部分工程设计人员对计算机应用的不很熟 悉,特gIl是根据算法编翩计算机程序往往给广大的】‘ 程技术人员在利用优化设计这一现代方法进行工程设 计时带来了定的难度。 本文以牙嵌式离合器的优化设汁为例,介绍一种 避开计算机编程、利用Microson Ext,el的规划求解命 令来寻求数学模型的最优解的方法, 2.1优化数学模型 作为现代设计理沦和方法的重要组成部分,机械 优化设计是六十年代初计算机引入t程设汁领域后, 逐步形成并迅速发展起来的一种新的有效的工程设计 疗法,它是建赢在近代数学最优化方法和计算机程序 设计的基础上,解决复杂机械设计问题的?种有效方 法。存机械设计‘中采用的数学优化方法是一种比较严 密、精确的优化方法,它的应用是设计方法上的一次 革命,它不仅可以使工程设计的周期大大缩短,设计 精度显著提高,而且可以设计出用传统设计方法无法 得到的最优方案,从而改进产品的性能,取得较大的 经济效益。但机械优化设计在工程实际中的应用过程 中,经常遇到的问题是针对研究对象,使用合适的优 化算法,并开发相应的优化算法软件,这就要求工程 技术人员既熟悉专业,又对计算机软件编程比较熟 悉;尽管现在有很多成熟的、商品化的优化软件包, 但这些软件的使用,均需专业技术人员懂得汁算机编 程知识,限制了优化设计在工程中的广泛应用。 Microson()mce的组件之一Excel提供了一个规 划求解的软件包,利用该软件包可以较有效地解决这 个问题。 1 离合器是机械传动中的常用部件.广泛应用于各 种机械中,土要用来连接轴与轴或轴与其它回转零 件,以传递运动和动力。在机器运转过程中,可使被 连接的两部分随时接合或分离,操纵机器传动系统的 断续,以便进行变速或换向等,牙嵌式离合器是种 常用的离合器结构形式,图1是一牙嵌式离合器的结 构图。针对牙嵌式离合器进行优化设汁的目标为在满 足其强度、刚度、尺寸以及有关设计规范的条件r, 优化没计此牙嵌式离合器,使其弯}}}j应力一;最小: 牙嵌式离合器的优化设计 由于机械优化设计包括建旁优化设计问题的数学 模型和选择适当的优化方法及优化程序两个方面的内 容,而且机械优化设计是应用数学方法寻求机械设汁 的最优方案,其首要任务是根据实际的工程问题构造 出相应的数学模型。数学模型一旦建立,机械优化问 题就变成r一个数学求解问题。这就需要根据数学模 型的特点,应用数学规划论的理论,来选择适当的优 化方法、选取或自行编制计算机程序,以求得最优设 汁参数。对于建☆:数学模型,对大多数有相应专业知 汉的工程技术人员来说是比较容易的。但由于种种原 力a。应为: 图l牙嵌式结构示意图 根据牙嵌式离合器的设计原理,其齿根的弯曲应 15 6吖 叽2弓i萨雾琢i五 式中:∥.为牙嵌式离合器齿根弯曲应力(N/mm:) Ⅳ。为牙嵌式离台器传动扭矩(N?mm); 万 方数据 《机床与液压》2∞4 No 3 z为牙嵌式离合器的齿数; D为牙嵌式离合器的外经; K.结构系数D/D; K:结构系数d/D。, 没汁时齿面的挤压应力F.应满足以下条件 20.8M (1 cmsofl Excel.并建立一个适用于“规划求解”的1: 作表。表中应包括一个“目标瞥兀格”,即包含目标 函数值汁算公式的单元格。另外迩要指定一个或多个 “可变单元格”,“规划求解”可以改变这些可变单元 格的内容,以便达到既定目标。事实r,每个可变叩 元格应是目标单元格的迭代初值,这样“规划求解” 才能工作二 在Exc“I:作表中输入设计变量及其初始值,并 将目标函数和约束条件的函数公式(图中未显示出 来)输入相对应的单元格中。见图2。 K.)z(1+K)(车+o.5)∥ 妄[(r。j 式中:盯.许用挤压应力(N/mm2); M—z、D、K.、疋等系数含义同前: 另外,根据有关技术规范还有: 251Z≤35 O 7蔓K.蔓O.75 5 l/3冬K曼O 32妄D曼65 取M.,=1.02×lo’N?mm, 【盯6]=60N/mm2 则可以建藏数学模型如下: 2.1.1 .,+、 目标函数。根据要求其目标函数为: 3034772.1 (寻+0 5)I半I(1蝎)& “州引2虿忑■可ii 2.1.2设计变量。设计变量取为:牙嵌式离 合器的齿数z、外径D、结构系数墨、墨 即:壹=[Ⅳ、,x:,屯,x。]7=[z,_D,莨,,K]7。 2.1.3约束条件。根据牙嵌式离合器的齿面 许用挤压应力要求以及有关技术规范可得约束条 件为: (1一%)2(t+扎)(孚+o.5)x: 60兰0 92(x)=xl一35蔓O 岛(x)=25一xl曼0 甑(z)=z3一O.75兰0 95(x)=O.7一z3茎O 氍(x)=z4一O 5≤O 图3规划求解对话框 在工作表中,单击日标单元格(其日标函数的 计算公式要依据可变单元格来进行计算,而可变单元 格的值要由“规划求解”来确定),在“工具”菜单 中执行“规划求解”命令,打开“规划求解参数” 对线所示。由于我们已经在打开此对线一*2曼0 前,单击了目标单元格,故在“规划求解参数”对 话框的“设置目标单元格”文本框中出现的是日标 单元格的单元格引用。我们还可以根据需要在“等 于”选项中选取“最大值”或“最小值”按钮,此 例中我们选取“最小值”按钮。在“可变单元格” 文本框中输人工作表中的设计变量的单元格引用,并 两两以逗号隔开(可以通过按住ctd键单击_I_=作表 中的相应单元格实现)。在“约束”框中添加各约束 条件。在求解前,可以按“选项”按钮,打开选项 对话框进行优化方法、迭代次数、计算精度等的设 定,按“求解”按钮,可以得到优化结果。优化结 其初始设计参数为:;=[z.,z:,≈,x。r: [25,45,o.72,o.4]7,所对应的目标函数值初始弯 曲应力为矿。=2585 8N/mm2,即,(王)=2585.8。 2.2优化求解 本文避开繁琐的选择优化方法和进行计算机编程 与调试过程,利用大家所熟知的M;croson Excel来进 行规划求解。方法步骤如下: 为使用“规划求解”命令,第一步是运行Mi一 万 方数据 《机床与液压》20【J4 Nn 3 ?103 短的时问内得到优化结果,还可以创建各种优化过程 和优化结粜的报告等。这为机械优化设计中解决目前 蚺有复杂函数关系口义具有多个设计变量.多个约束 条件的非线性数学规划问题提供了非常便利的条件一 3结束语 选择合适的优化算法,并据此编制优化设汁的软 件,是机械优化设计的常规方法,但这种方法对优化 设计的使用者提出了较高的要求,限制了这一先进的 设计手段在工程中的应用。本文利用j1泛使j1I的Mi— croson Omce的组件之一Microsoft Excel软件所提供的 规划求解器探索了一种简便、易行的优化i殳计方法, H 4优化结果‘7}JJ始值对照表 并以牙嵌式离合器为例进行了实际优化设计,结果表 明了这种方法的有效性。 2.3优化结果比较与Excel能力分析 从优化结果ar看出,目标函数值由初始的 2585 8N/mm!变为现在的683 063044 N/mm2,所对 参考文献 【11何献忠,李萍等优化技术及应用(第二版).北 京:北京理I。大学出版社,1995.2. 【2l刘惟信,盍嗣宗.机械最优化设¨.北京:清华大学 出版丰』.,1986 【3】孙靖民 1998 5 应的设计变量为z=25,D=65,K.=O 75,E= O.33333333,效果非常明显.,笔者曾就此同一个问题 用复合形法进行了优化,优化结果为:z=25 01149, D=65,K,=O 7499943,墨=0.3333458,目标蛹数 值为矿。=683.427IN/mm=。跟用Excel规划求解的结 聚拉常接近。而用Emd法,却大大节省了编程时 间,速度怏,应用起来则更为方便。 实例验证,应用Excel软件进行机械优化设计, 是一种工程技术人员不用编写程序而又可以用计算机 解决工程实际问题的快速可靠、简单易行的方法。而 且,微软公司所推出的MicMofl Excel电了表格软件 在数据处理和运算方面具有非常强大的能力,同时在 使用上也非常简单、方便,使得一般工程技术人员在 解决【程设汁问题中应用优化设汁成为可能。应用 Excel进行优化设汁,可以指定500个约束条件,对 每一个变嚣来酷,可没定上限和下限,还可以另加 100个附加约束条件,设汁变量的个数多达1000个。 可方便选择规划求解的类型和方法,方便地设置规划 求解的精度和误差以及求解的迭代次数,并且能在很 (上接第54页) 【2】 wnnoh 9 机械优化设计 北京:机械T业出版社, 【4】M川h∽】Halvorson,Michael Y叫“g o佑m 97使崩大全. 北京:清华大学出版社,1998.1l 【4】』三全福,张天菊Microson Excel在机械优化设计巾的 麻用.山西机械,200l(6). 【5】陈立J爿,张英会等机械优化设计.卜海:I.海科技 出版{十,1985.10. 【6】濮良贵,纪名剐主编.机械设计北京:高等教育出 版社,2001 6. 作者简介:陈科:男,1965年lo月生.合肥J二、【k 大学机械与汽车工程学院副教授,博十。公开发表论文30 余篇,参编专著2部,曾获安徽省科技进步i等奖,主要 研究方向为机械cAl)/cAM,并行设计,现代设计理论和方 法。电线,E—Mall:Kechen@ mail.hf ah cn.. 收稿时间:2003—03—07 【5】nhⅢIDE,A. ud89awa,R. Kataoka. simul砒ion a ap— Kim,GⅢg。V种htsevanos.F眦y Proc of 1f’gic mtio for a pmach to the eⅡect of the ratio cha|l西“g 8p。ed of metal CV‘I_hdraulh呲,(1uk Sy…p.on tk 15th IEEE IntemaL V_beh CVT衄t11e vehicle resp0Ⅱse.Vehkle syste【n山一 1995.24:377—388 In¨ligent Contml,2000:151一156 D.Micuem,c a na血cs 【3】M.cuelM、】i,J transmisslon R.Bu啪ws.Maxi mlJm CvT.Transa【?ti邮nf desi甜I. 1993.1 15 enic{encv of or steel belt 【6】诸静模糊控制原理与应用.北京:机械T.业出版 社.1995 【7】杨枫.汽车金属带式无级变速传动单元建模及控制 算法.长春:吉林大学图书馆,1999. 作者简介:胡国良,男,1973年牛,浙江大学流体传 动及榨制阑家重点实验窒博土生。主要从事电液控制方面 的研究。E—mall:hu翊99@sohu com the ASME,hu Hlal mechanic8l (I)Ec):1044~1048 14】E sha㈨,M.sjmons,u l】oIIslv vanalJltl s110}'IJn 107 A Ne任,el al M0del of 1 sl a c㈨tn tr洲sm|ssion m Pm卅the IFAC Work— rlva¨ces Aut{町mflve ConIrol,1995:99一 收稿时间:2003一03—20 万 方数据 牙嵌式离合器参数的优化设计 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 陈科, 宋毅 陈科(合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥,230009), 宋毅(合肥工业大学机械与汽车工 程学院,合肥,230009;海军蚌埠士官学校) 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS 2004(3) 参考文献(7条) 1.何献忠.李萍 优化技术及其应用 1995 2.刘惟信.孟嗣宗 机械最优化设计 1986 3.孙靖民 机械优化设计 1998 4.Michael Halvorson.Michael Young Office 97使用大全 1998 5.王全福.张天菊 Microsoft Excel在机械优化设计中的应用[期刊论文]-山西机械 2002(02) 6.陈立周.张英会 机械优化设计 1985 7.濮良贵.纪名刚 机械设计 2001 本文链接:

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