一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法

1.本发明涉及齿轮技术领域，具体涉及一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法。

背景技术：

2.弧齿锥齿轮因其承载能力高、传动平稳等优点，广泛应用于航空航天车辆等工程领域，且工况越来越向着高速重载发展。高速重载工况中，降低齿面摩擦有助于提升齿轮耐久性、寿命和效率，且传动系统中功率损失成为越来越重要的指标之一。而弧齿锥齿轮齿面为高阶曲面，设计参数繁多、加工复杂、计算繁琐，无论是几何设计、加工参数设计、接触分析，还是润滑计算等，都计算庞杂、工作量大，设计计算技术瓶颈高，给效率优化设计带来了困难，且传统优化设计方法耗时长、计算量大，难以奏效。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统优化算法耗时长、计算量大；齿轮设计、加工、仿真等过程涉及到多学科、多门类、多专业知识，尚未有全面的专业人士开展系统研究。
4.解决以上问题及缺陷的难度为：需要协同多学科门类知识，形成完整的效率优化设计系统方案，并保证计算结果有效性和计算效率。
5.基于此，本发明设计了一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法以解决上述问题。

技术实现要素：

6.针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法。
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
8.一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，包括以下步骤：
9.s101：基于弧齿锥齿轮啮合基本原理和基本设计参数，开展弧齿锥齿轮几何参数设计基本计算；然后进行弧齿锥齿轮加工参数初始设计和计算，得到初始加工参数及其取值范围；
10.s102：基于齿轮啮合原理开展几何接触分析；并基于数学规划法和有限元法开展承载接触分析；
11.s103：采用加密网格法，基于几何接触分析和承载接触分析计算得到的几何参数和承载接触参数，建立弧齿锥齿轮弹流润滑模型并开展计算；基于此，进行弧齿锥齿轮摩擦系数计算和传动效率计算，获得弧齿锥齿轮瞬时传动效率和平均传动效率模型；
12.s104：建立粒子-引力搜索优化算法模型，形成弧齿锥齿轮加工参数优化设计流程；基于上述优化流程，重复步骤s101～s103，直至求得效率最优的弧齿锥齿轮加工参数，从而实现最优参数设计。
13.更进一步的，所述步骤s101，具体包括以下步骤：
14.s1：根据弧齿锥齿轮设计要求和工况条件，确定并输入齿轮几何基本参数；
15.s2：根据s1中输入的弧齿锥齿轮基本参数，基于弧齿锥齿轮几何空间关系，通过编
程求解其主要几何设计参数；
16.s3：根据s2计算得到的弧齿锥齿轮基本几何参数，给定初始控制设计参数；开展弧齿锥齿轮加工参数初始设计，确定弧齿锥齿轮初始设计加工参数；
17.s4：初始化弧齿锥齿轮加工参数或控制参数粒子；
18.s5：弧齿锥齿轮齿轮离散齿面计算。
19.更进一步的，步骤s1中确定并输入齿轮几何基本参数，主要包括：齿数、模数、齿宽、压力角、轴交角、螺旋角和旋向。
20.更进一步的，步骤s2中通过编程求解其主要几何设计参数，主要包括：大小轮的锥距、齿顶角、齿根角、节锥角、冠顶距和弧齿厚。
21.更进一步的，步骤s3：给定初始控制设计参数，主要包括：设计重合度、长半轴、接触路径倾斜角、传动比一阶导数和几何传动误差啮合转换点幅值；
22.确定弧齿锥齿轮初始设计加工参数，主要包括：刀具齿形角、刀顶距、径向刀位、角向刀位、滚比、床位、垂直轮位、水平轮位和机床安装角。
23.更进一步的，所述步骤s102，具体包括以下步骤：
24.s6：基于弧齿锥齿轮啮合基本原理，开展大小轮几何接触分析，得到卷吸速度矢量、相对滑动速度矢量、接触椭圆长短半轴方向矢量和接触椭圆长短半轴曲率半径参数；
25.s7：通过建立有限元网格模型，采用有限元法和数学规划法理论，以工况载荷为条件，开展弧齿锥齿轮承载接触分析，获得齿面啮合位置处的载荷分布。
26.更进一步的，步骤s7，具体包括下列步骤：
27.步骤一、根据齿面离散点坐标以及有限元网格定义，建立实体网格模型；
28.步骤二、根据单元计算弧齿锥齿轮网格模型柔度矩阵；
29.步骤三、根据载荷条件计算单元变形，从而实现承载接触分析；得到的主要结果参数有：载荷及载荷分配系数。
30.更进一步的，所述步骤s103，具体包括以下步骤：
31.s8：油膜压力及膜厚计算，传动效率计算；具体包括：
32.①
基于s6和s7计算得到的相关数据参数，采用加密网格法和弹流润滑基本理论，开展弧齿锥齿轮润滑油膜压力及厚度参数仿真计算；
33.②
并以油膜参数以及s6和s7中的计算数据为输入条件，开展滑动摩擦力和滚动摩擦力计算，并基于此计算得到齿轮瞬时传动效率，进而对一个啮合周期内的数据取平均值，得到平均传动效率。
34.更进一步的，步骤
①
具体包括以下步骤：
35.步骤一、计算初始网格、初始压力和初始油膜厚度；
36.步骤二、迭代计算压力和载荷，并判断是否满足收敛条件，满足收敛进行下一步，否则继续迭代过程；
37.步骤三、判断是否达到网格密度，满足则输出计算结果，不满足则返回步骤二进行迭代计算；计算得到并输出的主要结果有：油膜压力和油膜厚度分布。
38.更进一步的，所述步骤s104，具体包括以下步骤：
39.s9：基于粒子-引力搜索优化算法，根据优化变量以及计算得到的目标函数结果，更新引力系数、惯性质量和全局最优粒子优化参数；
40.s10：在s9基础上，进一步更新计算粒子引力大小、加速度和速度迭代参数，以便于确定后续优化方向；
41.s11：判断最优值以及迭代次数是否满足收敛条件，若满足收敛条件，则执行s13，输出最优解及最优设计参数，否则执行s12；
42.s12：根据s9和s10进行优化设计参数的更新和迭代，并重新返回s5继续迭代优化；
43.s13：优化计算满足迭代收敛条件时，输出最优解及效率最优设计参数。
44.有益效果
45.本发明在几何设计参数确定的前提下，通过调整加工参数或控制参数，以调整接触特性参数、降低齿面摩擦，从而提升齿面啮合效率。本发明提出的方法有助于形成高效系统的弧齿锥齿轮效率优化计算模型，从而提升弧齿锥齿轮设计水平和质量。
46.本发明以粒子-引力搜索现代优化算法模型为基础，以弧齿锥齿轮啮合原理、加工参数设计、几何接触分析、承载接触分析、弹流润滑分析和效率计算为主体，形成系统的弧齿锥齿轮效率计算及优化方法，对提升弧齿锥齿轮齿面设计水平、提升弧齿锥齿轮传动效率具有重要意义。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1是本发明实施例提供的弧齿锥齿轮效率优化设计方法示意图。
49.图2是本发明实施例提供的弧齿锥齿轮效率优化设计方法流程图。
50.图3是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的相对滑动速度图。
51.图4是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的参数下的卷吸速度图。
52.图5是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的载荷分布图。
53.图6是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的最小油膜厚度曲线。
54.图7是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的最大油膜压力曲线。
55.图8是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的瞬时摩擦系数变化曲线。
56.图9是本发明实施例提供的某组最优设计参数下的瞬时传动效率变化曲线。
57.图10是本发明实施例提供的粒子-引力搜索优化适应度曲线。
具体实施方式
58.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
59.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
60.实施例1
61.请参阅说明书附图1，一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，包括以下步骤：
引力搜索算法的初始化粒子，并确定学习因子、权重系数、初始速度、迭代次数等参数。
80.s5：弧齿锥齿轮齿轮离散齿面计算；
81.具体为：根据s4中初始化的粒子(加工参数及控制参数等)，基于弧齿锥齿轮空间微分几何原理，求解弧齿锥齿轮齿面方程表达式，并基于数值计算求解弧齿锥齿轮的齿面离散点。
82.s6：弧齿锥齿轮几何接触分析(tca)；
83.具体为：基于弧齿锥齿轮啮合基本原理，开展大小轮几何接触分析，得到卷吸速度矢量(与转速相关)、相对滑动速度矢量(与转速相关)、接触椭圆长短半轴方向矢量、接触椭圆长短半轴曲率半径等参数。
84.s7：通过建立有限元网格模型，采用有限元法和数学规划法等理论，以工况载荷为条件，开展弧齿锥齿轮承载接触分析(ltca)，获得齿面啮合位置处的载荷分布；
85.开展施加载荷条件下的承载接触分析，包括下列步骤：
86.步骤一、根据齿面离散点坐标以及有限元网格定义，建立实体网格模型；
87.步骤二、根据单元计算弧齿锥齿轮网格模型柔度矩阵；
88.步骤三、根据载荷条件计算单元变形，从而实现承载接触分析；
89.通过弧齿锥齿轮承载接触分析(ltca)计算得到的主要结果参数有：载荷及载荷分配系数等。
90.s8：油膜压力及膜厚计算，传动效率计算；
91.具体包括：
92.①
基于s6和s7计算得到的相关数据参数，采用加密网格法和弹流润滑基本理论，开展弧齿锥齿轮润滑油膜压力及厚度等参数仿真计算；包括以下步骤：
93.步骤一、计算初始网格、初始压力和初始油膜厚度；
94.步骤二、迭代计算压力和载荷，并判断是否满足收敛条件，满足收敛进行下一步，否则继续迭代过程；
95.步骤三、判断是否达到网格密度，满足则输出计算结果，不满足则返回步骤二进行迭代计算；
96.计算得到并输出的主要结果有：油膜压力和油膜厚度分布等；
97.②
并以油膜参数以及s6和s7中的计算数据为输入条件，开展滑动摩擦力和滚动摩擦力计算，并基于此计算得到齿轮瞬时传动效率(目标函数)，进而对一个啮合周期内的数据取平均值，得到平均传动效率。
98.s9：更新引力系数、惯性质量、全局最优粒子等；
99.具体为：计算粒子适应度，并根据粒子适应度情况更新参数；基于粒子-引力搜索优化算法，根据优化变量以及计算得到的目标函数结果，更新引力系数、惯性质量、全局最优粒子等优化参数。
100.s10：计算粒子引力大小、加速度、速度等；
101.具体为：在s9基础上，进一步更新计算粒子引力大小、加速度、速度等迭代参数，以便于确定后续优化方向。
102.s11：判断最优值以及迭代次数等是否满足收敛条件，若满足收敛条件，则执行s13，输出最优解及最优设计参数，否则执行s12；
103.s12：优化设计，优化参数，粒子更新；
104.具体为：根据s9和s10进行优化设计参数的更新和迭代，并重新返回s5继续迭代优化；
105.s13：优化计算满足迭代收敛条件时，输出最优解及效率最优设计参数。
106.本技术通过粒子-引力搜索优化算法实现弧齿锥齿轮几何接触分析、承载接触分析、弹流润滑计算以及效率优化的迭代循环求解，可以计算得到满足约束条件的最优设计参数以及最优解。
107.其中，图3、图4分别是本发明实施例提供的某算例最优设计参数下的相对滑动速度图和卷吸速度图；
108.图5、图6、图7分别为本发明实施例提供的某算例最优设计参数下的载荷分布图、最小油膜厚度曲线、最大油膜压力曲线；
109.图8、图9分别为本发明实施例提供的某算例最优设计参数下的瞬时摩擦系数曲线和瞬时传动效率变化曲线，其中平均传动效率为本发明的优化目标，优化后得到的平均传动效率为99.58％；
110.图10是本发明实施例提供的粒子-引力搜索优化适应度曲线，体现了本优化算例的优化迭代过程。
111.本技术以弧齿锥齿轮基本参数为输入条件，开展基本几何设计；以弧齿锥齿轮基本加工参数或控制参数为可调变量，开展加工参数设计；对弧齿锥齿轮特定加工参数下的齿面模型进行求解和几何接触分析(tca)，求得齿面接触椭圆、接触路径、主曲率主方向等参数；开展承载接触分析(ltca)，获得齿面载荷分布曲线；基于几何接触分析(tca)和承载接触分析(ltca)所得参数，采用加密网格法，开展弧齿锥齿轮弹流润滑计算，获得油膜厚度及油膜压力等，并基于此计算弧齿锥齿轮瞬时传动效率和平均传动效率；以粒子-引力搜索耦合智能优化算法为基础，以加工参数或控制参数为设计变量，开展以传动效率最优为目标的优化，从而获得一定范围内传动效率最优的加工参数设计。
112.本发明的实施方式可以通过不同优化算法、不同编程语言、不同计算平台来实现，其中开展承载接触分析、弹流润滑计算、效率计算的方法也并不唯一。
113.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：s101：基于弧齿锥齿轮啮合基本原理和基本设计参数，开展弧齿锥齿轮几何参数设计基本计算；然后进行弧齿锥齿轮加工参数初始设计和计算，得到初始加工参数及其取值范围；s102：基于齿轮啮合原理开展几何接触分析；并基于数学规划法和有限元法开展承载接触分析；s103：采用加密网格法，基于几何接触分析和承载接触分析计算得到的几何参数和承载接触参数，建立弧齿锥齿轮弹流润滑模型并开展计算；基于此，进行弧齿锥齿轮摩擦系数计算和传动效率计算，获得弧齿锥齿轮瞬时传动效率和平均传动效率模型；s104：建立粒子-引力搜索优化算法模型，形成弧齿锥齿轮加工参数优化设计流程；重复步骤s101～s103，直至求得效率最优的弧齿锥齿轮加工参数。2.根据权利要求1所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，所述步骤s101，具体包括以下步骤：s1：根据弧齿锥齿轮设计要求和工况条件，确定并输入齿轮几何基本参数；s2：根据s1中输入的弧齿锥齿轮基本参数，基于弧齿锥齿轮几何空间关系，通过编程求解其主要几何设计参数；s3：根据s2计算得到的弧齿锥齿轮基本几何参数，给定初始控制设计参数；开展弧齿锥齿轮加工参数初始设计，确定弧齿锥齿轮初始设计加工参数；s4：初始化弧齿锥齿轮加工参数或控制参数粒子；s5：弧齿锥齿轮齿轮离散齿面计算。3.根据权利要求2所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，步骤s1中确定并输入齿轮几何基本参数，主要包括：齿数、模数、齿宽、压力角、轴交角、螺旋角和旋向。4.根据权利要求2所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，步骤s2中通过编程求解其主要几何设计参数，主要包括：大小轮的锥距、齿顶角、齿根角、节锥角、冠顶距和弧齿厚。5.根据权利要求2所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，步骤s3：给定初始控制设计参数，主要包括：设计重合度、长半轴、接触路径倾斜角、传动比一阶导数和几何传动误差啮合转换点幅值；确定弧齿锥齿轮初始设计加工参数，主要包括：刀具齿形角、刀顶距、径向刀位、角向刀位、滚比、床位、垂直轮位、水平轮位和机床安装角。6.根据权利要求2所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，所述步骤s102，具体包括以下步骤：s6：基于弧齿锥齿轮啮合基本原理，开展大小轮几何接触分析，得到卷吸速度矢量、相对滑动速度矢量、接触椭圆长短半轴方向矢量和接触椭圆长短半轴曲率半径参数；s7：通过建立有限元网格模型，采用有限元法和数学规划法理论，以工况载荷为条件，开展弧齿锥齿轮承载接触分析，获得齿面啮合位置处的载荷分布。7.根据权利要求6所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，步骤s7，具体包括下列步骤：步骤一、根据齿面离散点坐标以及有限元网格定义，建立实体网格模型；
步骤二、根据单元计算弧齿锥齿轮网格模型柔度矩阵；步骤三、根据载荷条件计算单元变形，从而实现承载接触分析；得到的主要结果参数有：载荷及载荷分配系数。8.根据权利要求6所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，所述步骤s103，具体包括以下步骤：s8：油膜压力及膜厚计算，传动效率计算；具体包括：
①
基于s6和s7计算得到的相关数据参数，采用加密网格法和弹流润滑基本理论，开展弧齿锥齿轮润滑油膜压力及厚度参数仿真计算；
②
并以油膜参数以及s6和s7中的计算数据为输入条件，开展滑动摩擦力和滚动摩擦力计算，并基于此计算得到齿轮瞬时传动效率，进而对一个啮合周期内的数据取平均值，得到平均传动效率。9.根据权利要求8所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，步骤
①
具体包括以下步骤：步骤一、计算初始网格、初始压力和初始油膜厚度；步骤二、迭代计算压力和载荷，并判断是否满足收敛条件，满足收敛进行下一步，否则继续迭代过程；步骤三、判断是否达到网格密度，满足则输出计算结果，不满足则返回步骤二进行迭代计算；计算得到并输出的主要结果有：油膜压力和油膜厚度分布。10.根据权利要求8所述的一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，其特征在于，所述步骤s104，具体包括以下步骤：s9：基于粒子-引力搜索优化算法，根据优化变量以及计算得到的目标函数结果，更新引力系数、惯性质量和全局最优粒子优化参数；s10：在s9基础上，进一步更新计算粒子引力大小、加速度和速度迭代参数，以便于确定后续优化方向；s11：判断最优值以及迭代次数是否满足收敛条件，若满足收敛条件，则执行s13，输出最优解及最优设计参数，否则执行s12；s12：根据s9和s10进行优化设计参数的更新和迭代，并重新返回s5继续迭代优化；s13：优化计算满足迭代收敛条件时，输出最优解及效率最优设计参数。

技术总结

本发明公开了一种弧齿锥齿轮效率优化设计方法，属于齿轮技术领域，包括以下步骤：S101：基于基本参数开展弧齿锥齿轮几何设计；基于加工参数开展弧齿锥齿轮加工参数设计；S102：开展几何接触分析，得到几何接触特性参数；开展承载接触分析，得到承载接触特性参数；S103：采用加密网格法，开展弧齿锥齿轮弹流润滑计算，获得油膜参数；基于油膜参数计算瞬时传动效率及平均传动效率；S104：建立粒子-引力搜索优化算法模型，重复步骤S101～S103，直至求得效率最优的弧齿锥齿轮加工参数。通过上述方式，本发明提出的方法有助于形成高效系统的弧齿锥齿轮效率优化计算模型，从而提升弧齿锥齿轮设计水平和质量。锥齿轮设计水平和质量。锥齿轮设计水平和质量。