弧齿锥齿轮动态稳健设计方法研究

作     者：狄琳杰 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛正浩;薛向珍

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：弧齿锥齿轮副 安装误差 动态承载接触分析 稳健设计 灵敏度矩阵 

摘      要：随着先进制造业的高速发展,弧齿锥齿轮的应用越来越广泛,各行业在追求数量的同时对于弧齿锥齿轮的质量也有了较高要求,希望弧齿锥齿轮在运行过程中传动平稳,噪声小且使用寿命长。但是弧齿锥齿轮在加工过程中会存在加工误差,安装过程中会出现安装误差,运行过程中会由于支撑元件的弹性变形而产生误差,这些误差激励都会影响弧齿锥齿轮的啮合轨迹,使其接触迹线偏离预期的位置,最终导致弧齿锥齿轮在运行过程中产生噪音,引起较大的振动,严重降低弧齿锥齿轮的使用寿命。基于此,本文研究了弧齿锥齿轮在实际啮合过程中的动态承载接触分析,为了简化计算过程,将所有的误差等效到安装误差上,考虑安装误差对弧齿锥齿轮的动态承载进行了接触分析,并基于深度学习法进行了弧齿锥齿轮动态稳健设计,目的是为了设计出对安装误差灵敏性低的齿面,为我国航空弧齿锥齿轮的精准设计和减震降噪研究提供借鉴和参考。本文的主要工作内容如下所示:(1)建立弧齿锥齿轮齿面方程并进行计及安装误差的轮齿接触分析。首先,基于局部综合法,建立了弧齿锥齿轮大轮与小轮之间的加工坐标系,通过各个子坐标系之间的相互转化,完成了大轮与小轮的切削加工过程;而后借助计算机辅助设备,在MATLAB中运行程序,得到了传动误差曲线与接触印痕图形;最后考虑到两齿轮啮合过程中支撑元件引起的变形以及存在的误差激励,在接触分析过程中引入了安装误差,并对其进行定义,分析了计及安装误差的弧齿锥齿轮轮齿接触分析。(2)弧齿锥齿轮动态承载接触分析研究。首先,建立了弧齿锥齿轮动力学模型,提出了一种新的计算方法,来求解时变啮合刚度;其次,将求解得到的结果与已知的一些参数代入编写的动力学程序中,运行MATLAB,得到弧齿锥齿轮相互啮合的法向动态力;最后,将法向动态力带入到轮齿接触分析中,获得了动态承载接触分析结果。(3)量化传动误差曲线并建立灵敏度矩阵。首先,为了建立灵敏度矩阵以反映弧齿锥齿轮啮合时对四种安装误差影响因素的灵敏性,对传动误差曲线进行了量化处理;其次,将传动误差曲线所表达的对称性、陡峭度以及边缘化以数学公式的形式来展现,从而建立了 3×4的灵敏度矩阵;最后,分析了传动误差曲线对单一切齿参数变化时的灵敏性影响。(4)采用深度学习算法优化切齿参数。本文运用深度学习算法来优化切齿参数,以期设计出对安装误差低灵敏性的齿面。首先,本文以切齿参数为设计变量,以灵敏性为目标函数;其次,通过优化之后与优化之前的结果对比,发现优化之后的切齿参数加工出来的齿面,进行动态承载接触分析之后,得到的齿面对安装误差的灵敏性相较于未优化之前的敏感有所下降;最后,通过调整大轮切齿参数获得较为合理的接触齿面,从而为我国弧齿锥齿轮的精准设计以及提高使用寿命提供借鉴和参考。本文研究了弧齿锥齿轮动态承载接触设计的方法,分析了安装误差对弧齿锥齿轮接触区域啮合性能的灵敏性影响,基于深度学习算法优化弧齿锥齿轮的切齿参数,从而设计出对安装误差低灵敏性的齿面,为实际加工应用提供理论技术支撑。