齿轮是动力传动系统中最关键的组成部分。齿轮形状被认为是影响齿轮质量，比如振动、噪声、可靠性、承载能力等的主要因素之一。目前已经有许多关于齿轮强度测量以及齿牙形状的分析的研究。本文比较系统地建立提高渐开线直齿圆柱齿轮的啮合特性表面特性和结构强度的设计方法，包括基于补偿分析的齿项修正，基于应力再分布的应力消除结构设计，以及相关的优化设计。　　首先，基于多目标粒子群优化算法(MOPSO)提出了渐开线直齿圆柱齿轮的齿顶修正系数（AMC）的优化设计方法，有效改善啮合特性。齿轮齿形修形和齿顶修正有利于改善直齿轮副的输出特性。齿顶修正系数法一般用于齿轮啮合设计，通常用来尽可能地减小齿轮啮合过程中的齿面磨损、振动与冲击。影响齿轮变位系数的优化选择的约束条件很多，与齿轮的啮合原理、强度条件和制造工艺有关。此外，齿轮滑动现象会直接影响齿面磨损。为了提高齿顶修正法的应用效果，提出了渐开线直齿轮的齿顶修正系数的多目标优化设计，提高传动效率及降低齿面磨损与冲击噪音。在这个优化算法中，以小齿轮和大齿轮的两个齿项修正系数x1和x2作为设计变量，以两个齿轮啮合的效率和平衡后的滑动作为优化目标。第一设计目标使用Niemann-公式得到两个齿轮的啮合效率，而第二个目标使用Li-公式得到均衡滑动。优化分析采用多目标粒子群优化算法(MOPSO)算法。　　其次，提出了综合考虑齿项修正系数（AMC）、平衡齿形系数、平衡滑动系数以及遗传算法的优化设计方法，提高渐开线直齿圆柱齿轮抗弯强度。注意到，齿顶修正系数直接影响齿轮形状。例如，可以控制齿高的长短。对于修正轮廓的齿轮，为了提高齿轮强度，小齿轮以及齿轮系都采用正修正。齿轮使用正修正后，齿根厚会增加，从而使齿轮具有更大的负载能力。齿形系数也受校正曲线的影响，可以改变齿根最大应力。基于此，将齿顶修正系数（AMC）、齿形系数、滑动系数和遗传算法整合到渐开线直齿轮优化设计模型。利用该优化方法，可以改进渐开线直齿圆柱齿轮强度和均衡齿轮副的抗扰强度。在优化模型中，设计变量的选取需要基于设计标准保证满足必须的啮合约束条件。优化模型通过遗传算法进行多目标优化进行求解。建模过程中，齿轮的轮廓由AutoCAD的编程语言产生（包括前后优化），再从AutoCAD转移到Ansys中，建立啮合齿轮的有限元模型。将本文所提算法得到静态应力（齿根应力，齿面接触应力）与Ansys计算的结果进行对比分析。　　最后，基于应力重分布技术在应力集中区设计了应力消除孔，提出了应力消除孔的优化设计方法，可以有效减小直齿圆柱齿轮根圆角应力。该方法分为两部分。在第一部分中，建立了小齿轮和从动齿轮两个齿轮部分的有限元模型并分析了弯曲应力。在第二部分中，应力消除孔的尺寸和位置通过优化设计，达到减小齿根圆角应力的目标。在优化的过程中，为了减小有限元的计算成本，使用数值模拟的结果和Ansys建立了代理模型。建立代理模型的过程中，使用最佳空间填充设计(SFD)方法选取设计空间中样本点。利用这些样本点，使用多项式响应面(PRS)法得出设计目标σmax。然后，使用遗传算法(GA)优化在齿根圆角附件设计的应力消除孔的位置和尺寸。