“机械设计理论与方法”读书报告
摘要：机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备的重要任务。机械工业的生产水平是
一个国家现代化建设水平的重要标志，因此通过了解机械设计理论与方法的发展历程，深刻体
会机械设计理论和方法的研究现状，并掌握机械设计理论与方法的发展趋势，才能不断强化自
己的能力，为提升我国工业技术水平做出一份贡献。
关键词：机械设计理论发展趋势优化方法齿轮传动
一、引言：
作为一名车辆工程专业的大三学生，我通过学习机械原理和机械设计（正在学习）这两门课程，初步了解了机械行业这个领域，但是，仅仅是从这两本书上学到的容是远远不够的，于是，我在课余时间查阅了很多机械行业的书籍，现在对其设计理论和方法有了一个比较细致的了解，在这篇文章当中，我将结合我课堂上学到的知识和从图书馆查阅到的一些容，对中国机械设计理论与方法的发展和中国机械行业形势进行系统的阐述。
二、机械设计理论与方法的发展历程
设计方法的发展进程大致可划分为机械设计起源和古代机械设计、近代机械设计、现代机械设计三个阶段，其第一阶段是从古代社会到17世纪，这段时期我国在武器，纺织机械，农具、船舶等方面都有发明，设计制造水平处在世界领先地位，在世界机械工程史上占有十分重要的位置；从17世纪到第二次世界大战结束这段时间是近代机械设计阶段，在这一阶段，古典力学为机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持，机械设计在计算方法和数据积累上也有了很大的发展；从第二次世界大战之后，机械设计进入了现代机械设计阶段。计算机和自动化在设计过程当中占得比重越来越大，机械设计的速度和质量也有了大幅度的提升，具有了明显的现代化特色。
按其容来分，机械设计理论与方法又可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。这两种划分是一一对应的，只是从不同角度来划分机械设计的发展史。
三、机械设计理论与方法的研究现状
现代产品设计理论与传统的设计方法是截然不同的，现代产品设计理论与方法是利用计算机辅助进行优化设计和可靠性计算。与传统的强度、刚度原则不同，现代产品设计提出绿色设计、全生命周期优化设计、虚拟设计等方法，既节省了设计时间，又能得到更好的产品质量，大大提高了产品的设计效率。
但是，现代产品设计理论实施起来又存在着一定的难度，比如说全生命周期优化设计，虽然能够更好地利用原材料，生产出效率更高的产品，但是因为其目标函数和约束条件太多，部分原始数据很难获取，使得设计实施过程中还是比较困难的。
现在比较流行的机械设计方法还有虚拟设计、创新设计、网络设计、并行设计、动态设
计、智能设计、可视化设计、绿色设计和基于质量功能展开的（QFD）设计和三次优化设计等等。
很多的现代设计理论和方法都有一定的局限性，对于功能集成化越来越高的产品需求，机械设计理论和方法显然还需要进一步的提升。
四、机械设计理论与方法的未来趋势
1、机械设计的未来发展趋势从市场需求角度来说的话主要有以下几个方面：
设计将在满足需求的同时面向制造和经营管理发展；
设计将不仅仅满足于其功能需求，还要满足生态与环境的需要；
设计将从产品质量成本第一的竞争策略转向快速响应市场的竞争策略；
设计将从传统的串行向并行工作模式、协同工作方式发展；
设计将使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位，激发主动创造性。
2、但如果从设计方法来考虑，未来的机械设计理论与方法主要有以下几个发展趋势：
a.设计理论与方法的集成
现代设计理论中不同的设计方法有自己适合的应用领域，而随着社会的进步，产品变得越来越复杂，单一的设计理论无法满足产品设计的要求，因此需要把不同设计理论中的设计工具集成为统一的设计模型以适应产品设计过程中的各阶段，这是未来设计理论与方法的发展方向。
b.设计过程的虚拟化
信息技术的发展已经使设计过程虚拟化成为可能，并成为降低设计成本的重要方法。实行设计的虚拟化，不仅可以减短设计时间，降低涉及成本，还能够让产品得到优化，另外设计过程的虚拟化使得不同企业间的协同设计、智力资源互补成为可能，这将会大大提高产品设计的成功率。
另外，设计方法的科学化也是未来机械设计的一种趋势，现代设计过程对在规律的研究进展不大，设计方法的科学化可以摆脱以经验为主的传统设计方法，从而极提高设计效率。
五、机械设计理论与方法在齿轮传动问题上的具体应用
现代产品设计理论与方法是一种新兴的设计理论与方法，特别是利用计算机进行优化分析、辅助设计和可靠性计算等设计理论与方法，使得机械设计过程更加精确，设计结果更加贴近实际情况，而且现在这一领域出现了很多具有着各自独特特点的理论，下面我将就我们生活中最常见的齿轮传动的优化设计来阐述一下机械设计理论与方法在机械设计问题上的
应用。
齿轮设计的基本流程：
1、设计变量：齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对提。
高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减小其体积和重量等方面都具有重要的技术。
价值和经济意义。
对于给定齿数比u 的一对直齿圆柱齿轮传动，当中心距不确定时，其独立的参数有齿数。
1z （或2z ）、齿宽系数d ψ（或齿宽b ）、模数m 以及变位系数1x 和2x 。当中心距给定时，
其独立参数有1z （或2z ）、d ψ
（或b ）、m 以及变位系数1x （或2x ）。因此，不同情况下，一对圆柱齿轮传动优化设计的设计变量如表所示。 2、目标函数：齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。
齿轮传动的体积最小：圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和齿宽的乘积、故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和：
(2)齿轮传动传递的功率最大：若以弯曲疲劳强度为限制条件，由公式可知，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为：
若以接触疲劳强度为限制条件，则由公式可知圆柱齿轮传动能传递的最大功率为：
由此，极小化目标函数为：
3．约束条件：齿轮传动的优化设计中，约束条件包括：
(1)为防止齿面接触疲劳点蚀失效，齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件，即
b z z m x f ?+=)(4
1)(min 22212πε
βασπY Y Y K K K K bm d n P Sa Fa v A F
??=61111060][)
1(1060][62
2112+??=u K K K K bu d n P v A H
βασπ)
(min x f )
,m in()(21P P x f -=0
][≤-H H σσ
头防止齿根弯曲疲劳折断、齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件，即
(3)根切的限制：
(4)其他一些极限位的限制：
(a)模数的限制
(b)齿轮直径的限制
(c)中心距的限制
(d)齿宽的限制
调用《常用优化方法程序库0PB 》，就能获得在满足约束条件下，使目标函数达到最小的最优解。整个优化设计的程序框图如图所示。
][11≤-F F σσ0
][22≤-F F σσ0
min 1≥-z z 0
min ≤-m m 0
max ≤-m m 0
max 2≤-d d a 0
1min ≤-a d d 0
max ≤-a a 0
max ≤-b b 0
min ≤-b
b
下面我们看一个三级圆锥—圆柱齿轮减速器的工程优化实例：
一煤矿运输机用三级圆锥一圆柱
齿轮减速器。其中第1、第3级为圆柱
齿轮传动。已知第2级的输入功率为P
＝37．26kW ，半动轮转速为1n ＝664r
／min ，齿数比为u ＝3.4667，啮合角
n α＝o
20，原动机为电动机，工作机
载荷有中等冲击，支承形式如图所示，
齿轮材料为20MnVB ，渗碳淬火，HRC
＝58，齿轮精度为7级．齿面粗糙度
Rz ＝6.3，润滑油动力粘度为s Pa ??-31083，要求齿轮的使用寿命
为2000h ，试以体积最小为目标，对此
齿轮传动进行优化设计。
根据上述优化设计数学模型，调
用《常用优化方法程序库OPB 》，计算结果如表所示。优化结果表明中心距由原来的174mm 减小到157mm ，缩短了10％左右。
由此可以看出，通过现代机械设计理论——优化设计来对齿轮进行优化，即减小了人的工作量（主要工作有电脑承担），又能够得到比传统方法更好的参数，所以，机械设计理论是否先进将直接影响着一个国家机械工业的发展。
另外，值得指出的是，在齿轮传动优化设计中，由于齿数是整型变量，而模数是离散型变量。所以用连续变量的优化方法获得最优解后，要圆整和取标准值，或直接用混合离散变量的优化方法进行求解。此外，现在在齿轮传动优化设计问题中，已经开始将振动和噪声方面的要求列入优化数学模型之中，进行动态优化设计。同时也有将有限元分析与优化结合起来，例如寻求对轮齿弯曲强度最有利的齿根过渡曲线的圆角半径值。为了弥补常规优化设计的缺点，将优化设计与可靠性设计相结合，称为可靠性优化设计法。
六、总结
通过做这一次的机械设计大作业，我对我国的机械行业有了比较细致的了解，随着社会的进步，机械设计理论在不断地改进，我国近几年来在这一方面也取得了一些进步，但总体
来说，我国的机械行业还落后与很多工业发达国家。机械理论与方法直接决定着设计产品的质量，对一个国家机械水平有着及其重要的作用。目前，很多现行的设计理论已经不能满足设计需求了，我们应该抓住这个机遇，致力于新的机械设计理论研究，来促进我国机械行业的进步。
我认为我国机械行业存在的主要问题有以下几点：
国对机械设计新理论不能够很快的接受并应用，导致设计产品落后。据调查，虽然现在国有很多企业已经购买了一些国际上比较通用的CAD/CAE软件，但大多少企业只是用它们来绘制图纸，而不是用它们来做仿真实验，做优化设计，因此，机械设计理论与方法是我们目前亟待解决的问题。
与机械行业并行的其他行业落后，比如材料工业，有很多产品我们也可以设计的很漂亮，一些复杂的机械结构我们也可以设计出来，但是由于材料工业的落后，我们制造出来的产品质量就有可能大打折扣。
毋庸置疑，机械行业是国民经济的一大支柱产业，其重要性不可言喻。我国要想真正在世界立足，机械技术这个硬实力就一定要取得突破。作为一名车辆专业的大学生，我们应该肩负起振兴中国机械行业的责任，扎实的学好理论知识，《机械原理》及《机械设计》教材主要讲述的是常规设计技术。它是我们学习、应用、发展现代设计技术的基础，课后我们还应该多关注其他的机械行业资料，加强对机械设计方法和设计思想的研究。正如德国一位专家所说的—设计工作的质量，直接关系到机械产品的质量性能、研究周期和技术经济效益等。我们现在只有将基础学扎实了，才能在将来工作中游刃有余，最终为中国机械技术进步做出自己的贡献。
参考文献：
[1] 闫邦椿．机械设计手册（第五版）第六卷[M]．：机械工业，2010．