一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法，包括S1：基于齿轮啮合理论推导精确的齿面方程和齿轮参数约束条件；S2：基于精确的齿面方程，对齿轮副承载能力、动力学性能、传动效率以及功率密度四个方面性能进行评估；S3：在考虑齿轮副能够正确啮合并具有足够的性能下，以齿轮齿数，工作侧和非工作侧的压力角，齿顶高系数，变位系数，螺旋角，齿宽参数为设计变量，以提高齿轮的承载能力、动力学性能、效率以及功率密度为设计目标，对齿轮参数进行正向设计；S4：多次迭代设计，通过归一化处理和综合评价函数获得多目标权衡解作为齿轮参数的设计结果。本发明专利技术相较于传统设计方法更省时，且设计出的齿轮性能更优。且设计出的齿轮性能更优。且设计出的齿轮性能更优。

【技术实现步骤摘要】
一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法


[0001]本专利技术属于齿轮设计
，具体涉及一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法。

技术介绍

[0002]齿轮传动是工程中最重要的机械传动形式之一，被广泛应用于制造、军工、航空等关系国计民生的领域。齿轮性能的优劣直接决定机械设备的效能与可靠性，进而影响机械设备的产品竞争力和经济效益。
[0003]在现有技术中，齿轮参数设计方法需要查询一系列的图像、表格，然后通过试算、校核等多重步骤才得出所需齿轮参数。传统设计方法计算过程繁琐复杂，且对设计人员的经验要求较高，同时所设计的齿轮性能不一定是最优的。因此，如何方便快捷地设计出高性能传动齿轮，一直是该领域持续进取和突破的焦点。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法，设计者只需要输入齿轮副工况、目标权重，即可对齿轮参数进行正向设计，省却了传统齿轮设计方法大量繁琐的试算、校核过程。
[0005]为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：
[0006]一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
[0007]S1：齿轮展成加工原理和齿轮啮合理论推导精确的齿面方程和齿轮参数约束条件；
[0008]S2：基于精确的齿面方程，对齿轮副承载能力、动力学性能、传动效率以及功率密度四个方面性能进行评估；
[0009]其中，以齿面接触应力和齿根弯曲应力相结合来构造承载能力评价因子；
[0010]以啮合刚度峰峰值来评价齿轮的动力学性能；
[0011]以一个啮合周期下平均啮合功率损耗和经验公式计算的其余功率损耗来计算齿轮副传动效率；
[0012]S3：在考虑齿轮副能够正确啮合并具有足够的性能下，以齿轮齿数，工作侧和非工作侧的压力角，齿顶高系数，变位系数，螺旋角，齿宽参数为设计变量，以提高齿轮的承载能力、动力学性能、效率以及功率密度为设计目标，对齿轮参数进行正向设计；
[0013]S4：通过多次迭代设计，获得齿轮参数的Pareto最优解集，最后，通过归一化处理和综合评价函数获得多目标权衡解作为齿轮参数的设计结果。
[0014]优选的，所述步骤S1包括以下子步骤：
[0015]S1.1基于齿轮展成加工原理和齿轮啮合理论推导精确的齿面方程
[0016]建立3个笛卡尔坐标系，分别是：固定坐标系S
f
(O
f x
f y
f z
f
)、动坐标系S1(O1x1y1z1)和动坐标系S2(O2x2y
2 z2)，其中，将固定坐标系S
f
(O
f x
f y
f z
f
)固连在机架上，动
坐标系S1(O1x1y1z1)固连在齿坯上，动坐标系S2(O2x2y
2 z2)固连在齿条刀具上；
[0017]基于展成法加工渐开线齿轮，齿坯和齿条刀具等同一对啮合的齿轮，齿条刀具刃口在加工过程中运动包络而成的曲线，就是被加工齿轮的齿廓曲线；对于单圆弧齿条刀具齿廓由右侧直线AB、右侧刀尖圆弧BC、左侧刀尖圆弧CD以及左侧直线DE组成；右侧直线AB和刀尖圆弧BC分别加工出齿轮工作侧的渐开线齿廓和齿根过渡曲线，左侧直线DE和刀尖圆弧CD分别加工出齿轮非工作侧的渐开线齿廓和齿根过渡曲线；
[0018]齿条坐标系S2中的单圆弧通用齿条刀具齿廓上任意一点位置矢量切矢量以及法矢量可表示为下列方程：
[0019]右侧直线AB
[0020][0021][0022]右侧刀尖圆弧BC
[0023][0024][0025]左侧刀尖圆弧CD
[0026][0027][0028]左侧直线DE
[0029][0030][0031]其中，m为模数；α
d
、α
c
为单圆弧通用齿条刀具工作侧与非工作侧的廓形角，当α
d
≠α
c
时，加工出来的齿形即为非对称齿形；为齿条刀具工作侧与非工作侧的齿顶高系数，对应齿轮工作侧和非工作侧的齿根高系数；为齿条工作侧与非工作侧的顶隙系数，对应齿轮工作侧和非工作侧的顶隙系数；x
*
为变位系数；R
f
为刀尖圆弧半径；
[0032]从齿条坐标系S2中的齿条齿廓在齿轮坐标系S1中形成的曲面族Σ1由矩阵方程表示：
[0033][0034]式中，表示齿轮坐标系S1中曲面族Σ1任意一点位置矢量；M
12
描述从S2到S1的坐标变换，M
12
为：
[0035][0036]齿条刀具与齿轮绕平行轴线作回转运动的啮合方程如下：
[0037][0038]故，右侧直线AB啮合方程
[0039][0040]右侧刀尖圆弧BC啮合方程
[0041][0042]左侧刀尖圆弧CD啮合方程
[0043][0044]左侧直线DE啮合方程
[0045][0046]齿轮轮齿齿廓是由齿条坐标系S2中的齿条齿廓在齿轮坐标系S1中形成的曲面族Σ1包络而成的，那么由曲面族Σ1和啮合方程联立即可确定齿轮一个轮齿的齿廓，最终阵列可得齿轮端面齿廓；
[0047]设端面齿廓在S
f
中用参数方程r
f
表示，端面齿廓做螺旋运动所形成的斜齿轮全齿廓r
h
即可由下式表达：
[0048][0049]螺旋运动的转角和轴向位移分别为ψ和pψ，H为螺距；β为螺旋角，p为单位转角对应的轴向位移，B为齿宽；
[0050]S1.2：基于齿轮啮合理论推导精确的齿轮参数约束条件
[0051]最小齿轮齿厚约束条件
[0052][0053]式中，d
a
为齿顶圆的直径，单位mm；S为端面齿廓分度圆处的齿厚，单位mm；z为齿数；α
d
、α
c
为轮齿工作侧与非工作侧分度圆处的压力角，单位rad；α
ad
、α
ac
非对称齿轮工作侧与非工作侧齿顶圆处的压力角，单位rad；
[0054]无侧隙啮合方程约束条件
[0055][0056]式中α
d
',α
c
'为齿轮工作侧与非工作侧啮合角，单位rad；x1,x2为主动轮1和从动轮2的变位系数；
[0057]轮齿不发生根切约束条件
[0058][0059]齿轮不发生啮合干涉约束条件
[0060][0061][0062][0063][0064]优选的，所述步骤S2包括以下子步骤：
[0065]S2.1：由齿面接触应力和齿根弯曲应力两者结合构造承载能力评价因子；
[0066]以接触应力和弯曲应力构建承载能力评价因子LC作为承载能力的直接设计指标，由于承载能力的目标是希望承载能力越强越好，而应力值大意味着承载能力差，故：承载能力评价因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法，其方法在于，包括以下步骤：S1：基于齿轮展成加工原理和齿轮啮合理论推导精确的齿面方程和齿轮参数约束条件；S2：基于精确的齿面方程，对齿轮副承载能力、动力学性能、传动效率以及功率密度四个方面性能进行评估；其中，以齿面接触应力和齿根弯曲应力相结合来构造承载能力评价因子；以啮合刚度峰峰值来评价齿轮的动力学性能；以一个啮合周期下平均啮合功率损耗和经验公式计算的其余功率损耗来计算齿轮副传动效率；S3：在考虑齿轮副能够正确啮合并具有足够的性能下，以齿轮齿数，工作侧和非工作侧的压力角，齿顶高系数，变位系数，螺旋角，齿宽参数为设计变量，以提高齿轮的承载能力、动力学性能、效率以及功率密度为设计目标，对齿轮参数进行正向设计；S4：通过多次迭代设计，获得齿轮参数的Pareto最优解集，最后，通过归一化处理和综合评价函数获得多目标权衡解作为齿轮参数的设计结果。2.根据权利要求1所述的基于性能驱动的齿轮参数正向设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：S1.1基于齿轮展成加工原理和齿轮啮合理论推导精确的齿面方程建立3个笛卡尔坐标系，分别是：固定坐标系S
f
(O
f x
f y
f z
f
)、动坐标系S1(O1x1y1z1)和动坐标系S2(O2x2y
2 z2)，其中，将固定坐标系S
f
(O
f x
f y
f z
f
)固连在机架上，动坐标系S1(O1x1y1z1)固连在齿坯上，动坐标系S2(O2x2y
2 z2)固连在齿条刀具上；基于展成法加工渐开线齿轮，齿坯和齿条刀具等同一对啮合的齿轮，齿条刀具刃口在加工过程中运动包络而成的曲线，就是被加工齿轮的齿廓曲线；对于单圆弧齿条刀具齿廓由右侧直线AB、右侧刀尖圆弧BC、左侧刀尖圆弧CD以及左侧直线DE组成；右侧直线AB和刀尖圆弧BC分别加工出齿轮工作侧的渐开线齿廓和齿根过渡曲线，左侧直线DE和刀尖圆弧CD分别加工出齿轮非工作侧的渐开线齿廓和齿根过渡曲线；齿条坐标系S2中的单圆弧通用齿条刀具齿廓上任意一点位置矢量切矢量以及法矢量可表示为下列方程：右侧直线AB右侧直线AB右侧刀尖圆弧BC
左侧刀尖圆弧CD左侧刀尖圆弧CD左侧直线DE左侧直线DE其中，m为模数；α
d
、α
c
为单圆弧通用齿条刀具工作侧与非工作侧的廓形角，当α
d
≠α
c
时，加工出来的齿形即为非对称齿形；h
ad*
、h
ac*
为齿条刀具工作侧与非工作侧的齿顶高系数，对应齿轮工作侧和非工作侧的齿根高系数；c
d*
、c
c*
为齿条工作侧与非工作侧的顶隙系数，对应齿轮工作侧和非工作侧的顶隙系数；x
*
为变位系数；R
f
为刀尖圆弧半径；从齿条坐标系S2中的齿条齿廓在齿轮坐标系S1中形成的曲面族Σ1由矩阵方程表示：式中，表示齿轮坐标系S1中曲面族Σ1任意一点位置矢量；M
12
描述从S2到S1的坐标变换，M
12
为：齿条刀具与齿轮绕平行轴线作回转运动的啮合方程如下：故，右侧直线AB啮合方程右侧刀尖圆弧BC啮合方程左侧刀尖圆弧CD啮合方程
左侧直线DE啮合方程齿轮轮齿齿廓是由齿条坐标系S2中的齿条齿廓在齿轮坐标系S1中形成的曲面族Σ1包络而成的，那么由曲面族Σ1和啮合方程联立即可确定齿轮一个轮齿的齿廓，最终阵列可得齿轮端面齿廓；设端面齿廓在S
f
中用参数方程r
f
表示，端面齿廓做螺旋运动所形成的斜齿轮全齿廓r
h
即可由下式表达：螺旋运动的转角和轴向位移分别为ψ和pψ，H为螺距；β为螺旋角，p为单位转角对应的轴向位移，B为齿宽；S1.2：基于齿轮啮合理论推导精确的齿轮参数约束条件最小齿轮齿厚约束条件式中，d
a
为齿顶圆的直径，单位mm；S为端面齿廓分度圆处的齿厚，单位mm；z为齿数；α
d
、α
c
为轮齿工作侧与非工作侧分度圆处的压力角，单位rad；α
ad
、α
ac
非对称齿轮工作侧与非工作侧齿顶圆处的压力角，单位rad；无侧隙啮合方程约束条件式中α
d
',α
c
'为齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长钊，吴南泽，陈树鑫，李峥琪，向永刚，吕昌，孙丹丹，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：