齒輪是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從一個軸到另一個軸的齒形構(gòu)件。在圓柱體的外側(cè)具有平行于圓柱體軸線的齒，這種齒輪叫做圓柱齒輪。盡管這種齒輪結(jié)構(gòu)比較簡單，但它的應(yīng)用較為廣泛。圓柱齒輪的設(shè)計(jì)取決于輸入?yún)?shù)，如功率、速度、運(yùn)行條件、疲勞壽命，其計(jì)算需要迭代過程。

該研究旨在為特定的正齒輪設(shè)計(jì)選擇最佳材料。一種稱為Ashby的先進(jìn)材料選擇技術(shù)（文中Figure 1.）可用于根據(jù)材料指數(shù)確定合適的材料。該方法需要目標(biāo)函數(shù)、約束和自由變量。目標(biāo)函數(shù)可基于彎曲強(qiáng)度，這樣可使質(zhì)量最小化，而彎曲疲勞破壞可作為約束條件。設(shè)計(jì)過程中的所有輸入?yún)?shù)和修改因子都視為自由變量。根據(jù)它們的數(shù)值，對合適的材料進(jìn)行排序，然后進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)。使用不同類型的材料進(jìn)行了多種齒輪設(shè)計(jì)，以計(jì)算不同零件重量之間的差異。將模塊和面寬度結(jié)果也相互比較，從而找到適合于正齒輪設(shè)計(jì)的輕質(zhì)和高強(qiáng)度材料。與傳統(tǒng)齒輪材料相比，重量減輕達(dá)63%，候選材料性能見文中的Figure 4。

Figure 1：Ashby Material Selection Strategy

Figure 4：Candidate materials for high strength and low weight spur gear design

根據(jù)本文，應(yīng)用先進(jìn)的材料選擇技術(shù)（如Ashby方法）對優(yōu)化相關(guān)的工程問題非常有用，該方法可以解決以往傳統(tǒng)方法對近似材料的選擇而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)優(yōu)化不夠充分的問題。特別是在航空航天或醫(yī)療領(lǐng)域等重量要求嚴(yán)格的工程中，高強(qiáng)度的適當(dāng)輕質(zhì)材料選擇已成為優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)問題的關(guān)鍵。在本文中，Ashby方法被用來研究用于齒輪設(shè)計(jì)的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。確定基于彎曲疲勞強(qiáng)度的材料并分級材料的指數(shù)值。該排名也與正齒輪設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)成了很好的一致。因此，與傳統(tǒng)齒輪材料相比，鈦合金或鈹合金等新一代材料的重量減輕約36%至63%。