一種改進(jìn)的變速器斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于變速器齒輪的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更確切地說，本發(fā)明是一種基于改 進(jìn)石川法的斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變速器齒輪嚙合過程中由于變形、間隙等產(chǎn)生的噪聲，對整車噪聲都有很大影響， 對變速器齒輪進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，能夠減小齒輪嚙合沖擊、提高齒輪可靠性和壽命，并能提升汽 車的舒適性和駕乘品質(zhì)。目前，研究界和工程界均是通過對齒輪進(jìn)行修形處理提高齒輪嚙 合品質(zhì)、減小嚙合噪聲，屬于齒輪主要參數(shù)確定后的后期設(shè)計(jì)和處理。事實(shí)上，在變速器齒 輪設(shè)計(jì)初期，齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角等對齒輪嚙合過程中的噪聲亦有重要影響，不過目 前對齒輪設(shè)計(jì)主參數(shù)的處理都是通過盡可能地提高重合度作為降低嚙合噪聲的手段。
[0003] 研究發(fā)現(xiàn)，嚙合過程中的動(dòng)態(tài)傳遞誤差，是直接影響變速器嚙合過程中的噪聲的 主要原因，并可作為其嚙合噪聲的直接衡量指標(biāo)。通常，計(jì)算傳遞誤差是通過變速器設(shè)計(jì)專 用軟件，如MASTA等進(jìn)行計(jì)算，抑或是開放式有限元軟件ANSYS。這些軟件具有計(jì)算準(zhǔn)確的 特點(diǎn)，但MSTA等專用設(shè)計(jì)軟件不能對傳遞誤差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中需要手動(dòng)修改參數(shù) 反復(fù)嘗試，以獲得能夠接受的傳遞誤差波動(dòng)范圍，且修改參數(shù)過程中對變速器其他指標(biāo)也 有影響，因此修改繁瑣且結(jié)果不盡人意，而ANSYS等有限元軟件基于有限元的計(jì)算原理，建 模復(fù)雜、計(jì)算過程漫長，單次計(jì)算還能接受，而如果要進(jìn)行靈敏度分析或是優(yōu)化設(shè)計(jì)，在極 繁重的參數(shù)迭代過程中，時(shí)間長度太長?；诓牧狭W(xué)理論、計(jì)算速度較快的石川法適用于 直齒輪的動(dòng)態(tài)傳遞誤差計(jì)算，而如今絕大多數(shù)的變速器齒輪采用斜齒輪，但尚無針對斜齒 輪傳遞誤差快速計(jì)算方法的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的問題是，提供一種計(jì)算快速、修改方便的變速器斜齒輪主參數(shù)噪 聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，輔助變速器設(shè)計(jì)。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明對傳統(tǒng)直齒輪的 石川法進(jìn)行改進(jìn)，得到適用于斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差的改進(jìn)石川法，該方法具有計(jì)算速度快、 參數(shù)修改方便的特點(diǎn)，并將其用于變速器斜齒輪的主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在變速器齒輪設(shè)計(jì) 初期就盡可能提高噪聲品質(zhì)，并保證齒輪必要的可靠性、強(qiáng)度和相應(yīng)的法規(guī)要求。具體地， 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種改進(jìn)的變速器斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下 幾個(gè)步驟：
[0005] 步驟一：采用改進(jìn)石川法，建立斜齒輪嚙合過程中的嚙合動(dòng)剛度和動(dòng)態(tài)傳遞誤差 的計(jì)算模型，并計(jì)算動(dòng)態(tài)傳遞誤差的最大波動(dòng)值；
[0006] 步驟二：基于斜齒輪副動(dòng)態(tài)傳遞誤差波動(dòng)值計(jì)算模型和齒輪設(shè)計(jì)法規(guī)要求，建立 以減小噪聲、減少體積為目標(biāo)，同時(shí)保證強(qiáng)度和使用過程中可靠性的變速器斜齒輪主參數(shù) 的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；
[0007] 步驟三：，通過將優(yōu)化前、后的齒輪參數(shù)輸入專業(yè)齒輪計(jì)算軟件MASTA中進(jìn)行計(jì)算 和對比，檢驗(yàn)優(yōu)化模型得可行性和有效性，以確保優(yōu)化后的參數(shù)能滿足約束條件、優(yōu)化后的 齒輪的傳遞誤差相比優(yōu)化前有降低。
[0008] 技術(shù)方案中，步驟一所述的改進(jìn)石川法計(jì)算斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差最大波動(dòng)值包括 如下步驟：
[0009] 1.基于傳統(tǒng)石川法和輪體周向變形，計(jì)算斜齒輪對應(yīng)端面直齒輪的單個(gè)輪齒的形 變量S j，石川法考慮輪齒近似梯形的長方形部分彎曲變形量δ&、梯形部分的彎曲變形量 s Bt、剪力產(chǎn)生的變形量δ 3和基礎(chǔ)部分傾斜產(chǎn)生的變形量δ ^，輪體周向變形δ "考慮輪復(fù) 板近似曲邊梯形的剪切變形量和彎曲變形量，計(jì)算公式為(S j?
[0010] 2.根據(jù)輪齒嗤合的相互作用力Fn (hx, ω x)和一對輪齒嗤合的總變形量 δ (hx，ωχ)，計(jì)算單個(gè)輪齒對的嚙合動(dòng)剛度
>其中
[0011] 3.計(jì)算斜齒輪對應(yīng)端面直齒輪從進(jìn)入嚙合到離開嚙合，即走過一個(gè)基圓齒距的完 整過程中，該端面直齒輪副整體嚙合動(dòng)剛度時(shí)間函數(shù)1? (t)，包括如下步驟：
[0012] 4.把斜齒輪副近似看作是N個(gè)具有相同端面參數(shù)小直齒輪副的疊加，每對小直齒 輪副的寬度為B/N，相鄰小直齒輪副嚙合的角度相位差為#，根據(jù)權(quán)利要求2的第3)步驟的 斜齒輪對應(yīng)端面直齒輪副的整體嚙合動(dòng)剛度時(shí)間函數(shù)Ki (t)，計(jì)算各個(gè)小直齒輪副的嚙合 動(dòng)剛度Mt);
[0013] 5.對所有小直齒輪副的嚙合動(dòng)剛度kjt)求和取極限，得到斜齒輪的整體嚙合動(dòng) 剛度K ft (t)，計(jì)算公式如下：
[0014]
[0015] 6.根據(jù)斜齒輪的整體嚙合動(dòng)剛度K斜⑴和整個(gè)齒輪受到的周向力匕，計(jì)算斜齒輪 的動(dòng)態(tài)傳遞誤差TE (t):
[0016] 7.計(jì)算斜齒輪嚙合的動(dòng)態(tài)傳遞誤差最大波動(dòng)值：△ TEO = maxTE (t) -minTE (t);
[0017] 8.通過MASTA計(jì)算得到基于有限元計(jì)算的傳遞誤差，得到修正系數(shù)n， 對本發(fā)明提出的改進(jìn)石川法計(jì)算的斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差波動(dòng)值進(jìn)行修正：ATE = η · (maxTE-minTE)〇
[0018] 上述技術(shù)方案步驟一的第3步，斜齒輪對應(yīng)端面直齒輪完整嚙合過程的副嚙合動(dòng) 剛度時(shí)間函數(shù)1? (t)的計(jì)算具體包括以下步驟：
[0019] (1)計(jì)算端面重合度ε。，根據(jù)ε α的大小，將嚙合軌跡劃分為三段：雙齒嚙合區(qū) B2C,單齒嚙合區(qū)CD和雙齒嚙合區(qū)DB1;
[0020] (2)將三段嚙合區(qū)間分別等分為n份（n需具有一定規(guī)模），以i表示嚙合點(diǎn)序列 中某一點(diǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系，利用權(quán)利要求2的第2)步驟計(jì)算的單個(gè)輪齒對的嚙合動(dòng)剛度計(jì) 算公式計(jì)算該點(diǎn)處輪齒對的嚙合剛度，設(shè)B2C段嚙合點(diǎn)E1處的剛度為k E1 (i)，CD段嚙合點(diǎn)E 的剛度為kE(i)，DB1段嚙合點(diǎn)E 2處的剛度為kE2(i);
[0021] (3)根據(jù)各區(qū)間輪齒對的嚙合剛度，計(jì)算斜齒輪對應(yīng)端面直齒輪副的整體嚙合動(dòng) 剛度1(直（1) :雙齒嚙合區(qū)82(：和081段1(直（1)=1^1(1)+1^ 2(1)，單齒嚙合區(qū)〇)段：1(直（1)= kE(i)；
[0022] (4)計(jì)算各嚙合點(diǎn)的嚙合時(shí)刻函數(shù)：
[0023]
[0024] (5)根據(jù)Ks⑴和t(i)的一一對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，即可得出斜齒輪對應(yīng) 端面直齒輪副的整體嚙合動(dòng)剛度時(shí)間函數(shù)1? (t)。
[0025] 技術(shù)方案中，步驟二所述的斜齒輪主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型包括以下優(yōu)化變量、優(yōu)化 目標(biāo)和約束條件：
[0026] 1.優(yōu)化變量：主動(dòng)輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角、主動(dòng)輪變位系數(shù)、齒寬、主動(dòng)輪 齒頂高系數(shù)、從動(dòng)輪齒頂高系數(shù)、主動(dòng)輪頂隙系數(shù)、從動(dòng)輪頂隙系數(shù)；
[0027] 2.優(yōu)化目標(biāo)：包括盡量降低能夠表征齒輪噪聲的傳遞誤差波動(dòng)值和盡量減少齒 輪體積兩個(gè)目標(biāo)，采用線性權(quán)重加權(quán)法將雙優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合單優(yōu)化目標(biāo)，數(shù)學(xué)表達(dá)式 為：
[0028]
其中(X)為斜齒輪嚙合傳遞誤差最大波動(dòng)值，Ai(X)為傳 遞誤差波動(dòng)單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，f2(X)為斜齒輪副的體積，穴(X)為體積單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果；
[0029] 3.約束條件：優(yōu)化變量的上下限范圍約束；名義中心距約束；中間軸軸向力平衡 約束；不發(fā)生根切的最小變位系數(shù)約束；齒頂齒厚約束；控制滑動(dòng)比和摩擦力突變的噪聲 指標(biāo)的約束；齒根彎曲強(qiáng)度約束；齒面接觸強(qiáng)度約束。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0031] 1.本發(fā)明建立了適用于斜齒輪的動(dòng)態(tài)傳遞誤差快速計(jì)算模型，該模型基于直齒輪 石川法計(jì)算嚙合剛度的思想，并對其進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)，具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，同時(shí)還具有 能夠反映齒輪主要基本參數(shù)與斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差之間的關(guān)系和影響趨勢的特點(diǎn)，為斜齒 輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定模型基礎(chǔ)。
[0032] 2.本發(fā)明對變速器斜齒輪主要參數(shù)進(jìn)行了噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)，以主要噪聲影響來源傳 遞誤差和齒輪體積最小為目標(biāo)，在保證必要的強(qiáng)度、可靠性等要求的前提下，在法規(guī)規(guī)定的 范圍內(nèi)，對變速器斜齒輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這樣，在主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)就將噪聲 的優(yōu)化考慮在內(nèi)，從而在齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就在一定程度上保證了嚙合過程的噪聲品質(zhì)。
【附圖說明】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：
[0034] 圖1是基于改進(jìn)石川法的變速器斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)總流程圖；
[0035] 圖2是基于改進(jìn)石川法的斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差波動(dòng)值計(jì)算流程圖；
[0036] 圖3是石川法計(jì)算直齒輪嚙合變形的幾何示意圖；
[0037] 圖4是齒輪輪體的周向變形的計(jì)算原理幾何示意圖；
[0038] 圖5是嚙合點(diǎn)的位置變化示意圖；
[0039] 圖6是斜齒輪與小直齒輪之間的關(guān)系；
[0040] 圖7是相鄰小直齒輪間的角度相位差關(guān)系；
[0041] 圖8是改進(jìn)石川法計(jì)算的變速器斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差-嚙合時(shí)間曲線；
[0042] 圖9是MASTA軟件計(jì)算的變速器斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差-嚙合時(shí)間曲線；
[0043] 圖10是斜齒輪嚙合動(dòng)態(tài)傳遞誤差波動(dòng)值計(jì)算模型數(shù)據(jù)流；
[0044] 圖11是采用遺傳算法工具箱進(jìn)行斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明所述的改進(jìn)的變速器斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè) 計(jì)的過程進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0046] 本發(fā)明所述改進(jìn)的變速器斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體流程圖如圖1所示， 主要步驟包括：首先基于改進(jìn)石川法，建立斜齒輪動(dòng)態(tài)傳遞誤差及其波動(dòng)值的計(jì)算模型； 然后以斜齒輪傳遞誤差最大波動(dòng)值最小為優(yōu)化目標(biāo)之一，以斜齒輪體積最小為另一優(yōu)化目 標(biāo)，并考慮國標(biāo)對齒輪強(qiáng)度的要求以及其他約束條件，建立基于遺傳算法的變速器斜齒輪 主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，對變速器斜齒輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后，對優(yōu)化前 后的參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度、噪聲等計(jì)算，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
[0047] 作為優(yōu)選，選擇一汽混合動(dòng)力客車變速器5BB080的四檔圓柱斜齒輪作為實(shí)施例， 進(jìn)行基于改進(jìn)石川法的斜齒輪主參數(shù)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)，假設(shè)變速器的輸入軸齒輪副的參數(shù)已 經(jīng)確定，四檔齒輪副的原始參數(shù)如下表所示。
[0048] 表1斜齒輪原始參數(shù)
[0049]
[0050] CN 105138734 A IX m "ti 5/17 頁
[0051] 為進(jìn)行后面的計(jì)算，需要利用以上基本參數(shù)