一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法技术

本发明专利技术提供了一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法，通过标准齿面人字齿轮副几何接触分析获得啮合路径和几何传动误差，借助承载接触分析获得承载传动误差；采用小轮修形方式，通过小轮刀具附加位移量实现齿面修形，将小轮修形参数为各个啮合点处的附加位移，各个啮合点处啮合齿数不同，附加运动量不同，可以得到按啮合周期波动的小轮修形齿面。本发明专利技术以几何传动误差为优化设计变量，承载传动误差波动幅值为优化目标，通过修形优化获得承载传动误差最小的几何传动误差，进而得到按啮合周期波动的修形量分布。本发明专利技术可实现不同啮合区修形设计波动变化，抵消不同啮合区不同的变形量，达到人字齿轮副理想的减振降噪目的。目的。目的。

【技术实现步骤摘要】
一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法


[0001]本专利技术属于齿轮设计
，具体涉及一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法。

技术介绍

[0002]舰船主动力齿轮传动装置多采用宽斜人字齿轮，为降低装置的振动噪声，均进行了齿轮修形设计。常规齿轮修形一般采用齿廓及螺旋线方向中凸形状，这种修形对于重合度小于2的人字齿轮具有较好的减振降噪效果，因为中凸的修形方式可在齿根和齿顶啮合刚度较大的双齿啮合区修形，使得双齿啮合区和单齿啮合区的承载传动误差趋于接近，波动量减小，达到减振降噪效果。但舰船主动力齿轮传动的重合度一般较大(大于10)，因此啮合特性变化比较复杂，在一个啮合周期存在多齿(甚至大于10齿)的啮合区，各个啮合区的刚度不同，产生的齿轮副相对变形不同，因此常规的中凸修形，难以取得理想的减振降噪效果。
[0003]齿轮传动过程中由于轮齿变形会引起承载传动误差波动，承载传动误差波动是产生齿轮振动噪声的一种重要激励，因此降低承载传动误差波动就成了减少齿轮振动噪声的主要方法。为进一步降低舰船齿轮传动装置的振动噪声，需要接合齿轮啮合理论，设计一种随啮合周期波动的齿轮修形形式，使传动误差波动幅值降至最低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法。
[0005]一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：确定齿面修形参数；
[0007]由人字齿轮副的几何传动误差可见，一个啮合周期内经历了三齿啮合区
‑
两齿啮合区
‑
三齿啮合区
‑
两齿啮合区
‑
三齿啮合区；对于三齿啮合区来说，刚度大变形小，应当修形量大；对于两齿啮合区来说，刚度小变形大，应当修形量小；通过这样的修形，齿面修形量随啮合周期呈波动状，使各啮合点承载传动误差趋于接近，大幅度减少了承载传动误差波动幅值；所述啮合周期为一个轮齿从进入啮合到退出啮合的时间；
[0008]采用小轮修形的方法，通过齿条刀在小轮加工过程中的附加运动实现在标准齿面上附加修形量，因此以各啮合位置的小轮刀具附加运动作为修形参数；
[0009]步骤2：带有刀具附加位移的人字齿轮副齿面建模及几何接触分析；
[0010]小轮左右两侧斜齿轮修形参数对称；对于左侧斜齿轮，按修形小齿轮加工坐标系，d为刀具附加位移，通过该附加位移可以实现齿面修形；
[0011]由于刀具的附加位移，小齿轮的修形齿面方程表示为：
[0012][0013]其中，和为小轮坐标系S1中小轮齿面的位置矢量和法向矢量；和为小轮刀具坐标系S
t1
中小轮刀具的位置矢量和单位法向矢量；[M]1,t1
表示从坐标系S
t1
到S1的转换矩阵，[L]1,t1
为其中的转换子矩阵；当d为零时可以建立标准小轮齿面；
[0014]大齿轮和小齿轮建模方法相同，但是没有附加运动量；
[0015]几何接触分析TCA的计算公式表示为：
[0016][0017]其中，和为固定坐标系S
f
中小轮齿面的位置矢量和法向矢量，通过小轮坐标系S1中小轮齿面的位置矢量和法向矢量坐标转换得到；和为固定坐标系S
f
中大轮齿面的位置矢量和法向矢量，通过大轮坐标系中大轮齿面的位置矢量和法向矢量坐标转换得到；u1、l1、d、u2、l2、按照啮合顺序依次给出，当d和已知时只剩下5参数，而公式(2)为5个独立的标量方程，因此可以求解；
[0018]步骤3：人字齿轮几何传动误差和承载传动误差的求解；
[0019]采用几何接触分析TCA得到人字齿轮副啮合路径和几何传动误差，几何传动误差定义为空载下当小轮转过一定角度时，大轮转过的实际角度与理想角度之差；不考虑小轮和大轮的初始转角，几何传动误差的计算公式为：
[0020][0021]其中，为大轮的实际转角背离理论转角之值，即几何传动误差；和分别为小轮和大轮的即时转角；N1和N2分别为小轮和大轮的齿数；
[0022]承载传动误差定义为载荷下当小轮转过一定角度时，大轮转过的实际角度与理想角度之差；通过承载接触分析LTCA得到承载传动误差，进一步计算承载传动误差波动幅值A
LTE
；
[0023]A
LTE
＝max{LTE1,...,LTE
m
}
‑
min{LTE1,...,LTE
m
}
[0024]其中，LTE1,...,LTE
m
为各个啮合位置的承载传动误差；A
LTE
为承载传动误差波动幅值修形优化设计；
[0025]当d取值d
i
，取值时，由公式(2)得到再由公式(3)得到相应的几何传动误差相反，如果几何传动误差和已知时，可以反求d
i
；在TCA计算时，为给定值，这时几何传动误差和d
i
相关，可以求出d
i
；
[0026]步骤4：人字齿轮优化修形设计；
[0027]选择几何传动误差x做为优化变量，优化目标为承载传动误差波动幅值最小，目标函数为：
[0028][0029]进一步地，所述步骤4中采用遗传算法进行人字齿轮优化修形设计，优化变量的优化范围为A
LTE0
为标准齿面设计载荷时承载传动误差波动幅值。
[0030]本专利技术的有益效果在于：
[0031]本专利技术通过标准齿面人字齿轮副几何接触分析(TCA)获得啮合路径和几何传动误差，借助承载接触分析(LTCA)获得承载传动误差；采用小轮修形方式，通过小轮刀具附加位移量实现齿面修形，将小轮修形参数为各个啮合点处的附加位移，各个啮合点处啮合齿数不同，附加运动量不同，可以得到按啮合周期波动的小轮修形齿面。本专利技术以几何传动误差为优化设计变量，承载传动误差波动幅值为优化目标，通过修形优化获得承载传动误差最小的几何传动误差，进而得到按啮合周期波动的修形量分布。本专利技术可实现不同啮合区修形设计波动变化，抵消不同啮合区不同的变形量，达到人字齿轮副理想的减振降噪目的。
附图说明
[0032]图1是人字齿轮几何传动误差示意图。
[0033]图2是修形小齿轮加工坐标系示意图。
[0034]图3是修形量优化设计流程图。
[0035]图4是本专利技术的实施例中人字齿轮副修形前后承载传动误差对比图。
[0036]图5是本专利技术的实施例中人字齿轮副小轮修形前后啮合点处曲率对比图。
[0037]图6是本专利技术的实施例中人字齿轮副小轮齿面修形量分布图。
具体实施方式
[0038]下面结合附图对本专利技术做进一步描述。
[0039]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的不足之处，提供了一种沿着人字齿轮啮合路径修形量波动变化的优化设计方法。该方法使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种按啮合周期波动的人字齿轮修形量优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定齿面修形参数；由人字齿轮副的几何传动误差可见，一个啮合周期内经历了三齿啮合区
‑
两齿啮合区
‑
三齿啮合区
‑
两齿啮合区
‑
三齿啮合区；对于三齿啮合区来说，刚度大变形小，应当修形量大；对于两齿啮合区来说，刚度小变形大，应当修形量小；通过这样的修形，齿面修形量随啮合周期呈波动状，使各啮合点承载传动误差趋于接近，大幅度减少了承载传动误差波动幅值；所述啮合周期为一个轮齿从进入啮合到退出啮合的时间；采用小轮修形的方法，通过齿条刀在小轮加工过程中的附加运动实现在标准齿面上附加修形量，因此以各啮合位置的小轮刀具附加运动作为修形参数；步骤2：带有刀具附加位移的人字齿轮副齿面建模及几何接触分析；小轮左右两侧斜齿轮修形参数对称；对于左侧斜齿轮，按修形小齿轮加工坐标系，d为刀具附加位移，通过该附加位移可以实现齿面修形；由于刀具的附加位移，小齿轮的修形齿面方程表示为：其中，和为小轮坐标系S1中小轮齿面的位置矢量和法向矢量；和为小轮刀具坐标系S
t1
中小轮刀具的位置矢量和单位法向矢量；[M]
1,t1
表示从坐标系S
t1
到S1的转换矩阵，[L]
1,t1
为其中的转换子矩阵；当d为零时可以建立标准小轮齿面；大齿轮和小齿轮建模方法相同，但是没有附加运动量；几何接触分析TCA的计算公式表示为：其中，和为固定坐标系S
f
中小轮齿面的位置矢量和法向矢量，通过小轮坐标系S1中小轮齿面的位置矢量和法向矢量坐标转换得到；和为固定坐标系S
f
中大轮齿面的位置矢量和法向矢量，通过大轮坐标系中大轮齿面的位置矢量和法向矢量坐标转换得到；u1、l1、d、u2、l...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾海涛，闫沈松，邵钢，张润博，尹逊民，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零三研究所，
类型：发明
国别省市：