提高漸開線齒輪強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、齒輪是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分。齒輪形狀被認(rèn)為是影響齒輪質(zhì)量，比如振動(dòng)、噪聲、可靠性、承載能力等的主要因素之一。目前已經(jīng)有許多關(guān)于齒輪強(qiáng)度測(cè)量以及齒牙形狀的分析的研究。本文比較系統(tǒng)地建立提高漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合特性表面特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，包括基于補(bǔ)償分析的齒項(xiàng)修正，基于應(yīng)力再分布的應(yīng)力消除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　首先，基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(MOPSO)提出了漸開線直齒圓柱齒輪的齒頂修正系數(shù)（AMC）

2、的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有效改善嚙合特性。齒輪齒形修形和齒頂修正有利于改善直齒輪副的輸出特性。齒頂修正系數(shù)法一般用于齒輪嚙合設(shè)計(jì)，通常用來(lái)盡可能地減小齒輪嚙合過(guò)程中的齒面磨損、振動(dòng)與沖擊。影響齒輪變位系數(shù)的優(yōu)化選擇的約束條件很多，與齒輪的嚙合原理、強(qiáng)度條件和制造工藝有關(guān)。此外，齒輪滑動(dòng)現(xiàn)象會(huì)直接影響齒面磨損。為了提高齒頂修正法的應(yīng)用效果，提出了漸開線直齒輪的齒頂修正系數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高傳動(dòng)效率及降低齒面磨損與沖擊噪音。在這個(gè)優(yōu)化算法中，以

3、小齒輪和大齒輪的兩個(gè)齒項(xiàng)修正系數(shù)x1和x2作為設(shè)計(jì)變量，以兩個(gè)齒輪嚙合的效率和平衡后的滑動(dòng)作為優(yōu)化目標(biāo)。第一設(shè)計(jì)目標(biāo)使用Niemann-公式得到兩個(gè)齒輪的嚙合效率，而第二個(gè)目標(biāo)使用Li-公式得到均衡滑動(dòng)。優(yōu)化分析采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(MOPSO)算法。
　　其次，提出了綜合考慮齒項(xiàng)修正系數(shù)（AMC）、平衡齒形系數(shù)、平衡滑動(dòng)系數(shù)以及遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高漸開線直齒圓柱齒輪抗彎強(qiáng)度。注意到，齒頂修正系數(shù)直接影響齒輪形狀。例如

4、，可以控制齒高的長(zhǎng)短。對(duì)于修正輪廓的齒輪，為了提高齒輪強(qiáng)度，小齒輪以及齒輪系都采用正修正。齒輪使用正修正后，齒根厚會(huì)增加，從而使齒輪具有更大的負(fù)載能力。齒形系數(shù)也受校正曲線的影響，可以改變齒根最大應(yīng)力。基于此，將齒頂修正系數(shù)（AMC）、齒形系數(shù)、滑動(dòng)系數(shù)和遺傳算法整合到漸開線直齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。利用該優(yōu)化方法，可以改進(jìn)漸開線直齒圓柱齒輪強(qiáng)度和均衡齒輪副的抗擾強(qiáng)度。在優(yōu)化模型中，設(shè)計(jì)變量的選取需要基于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)保證滿足必須的嚙合約束條件。優(yōu)

5、化模型通過(guò)遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行求解。建模過(guò)程中，齒輪的輪廓由AutoCAD的編程語(yǔ)言產(chǎn)生（包括前后優(yōu)化），再?gòu)腁utoCAD轉(zhuǎn)移到Ansys中，建立嚙合齒輪的有限元模型。將本文所提算法得到靜態(tài)應(yīng)力（齒根應(yīng)力，齒面接觸應(yīng)力）與Ansys計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
　　最后，基于應(yīng)力重分布技術(shù)在應(yīng)力集中區(qū)設(shè)計(jì)了應(yīng)力消除孔，提出了應(yīng)力消除孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以有效減小直齒圓柱齒輪根圓角應(yīng)力。該方法分為兩部分。在第一部分中，建立了小齒