圆柱齿轮承载能力设计缺陷辨识模型与方法

摘要

圆柱齿轮承载能力设计缺陷的辨识是保证齿轮设计质量、缩短齿轮设计周期、提高齿轮安全性和可靠性的关键。本文在深入分析圆柱齿轮承载能力设计缺陷产生原因的基础上,对齿轮强度设计缺陷辨识、齿轮刚度设计缺陷辨识和齿轮安装误差设计缺陷辨识进行了较为深入和系统的研究。　　圆柱齿轮的强度是衡量齿轮承载能力的重要指标。在齿轮的强度设计过程中,设计约束条件复杂,常规的求解方法很难保证设计变量同时满足所有的约束条件。利用BP神经网络非线性映射能力,将圆柱齿轮设计参数与结构特性之间的物理关系反映为神经网络输入与输出之间的数学关系,建立了基于BP神经网络的圆柱齿轮承载能力设计缺陷辨识模型。利用遗传算法对于复杂问题具有并行化处理的特性,对学习后的BP神经网络模型进行全局寻优,得到了满足齿轮强度设计要求的设计变量空间,从而实现了对齿轮强度设计缺陷的优化修正。　　提出了一种基于改进的能量法与有限元法相结合的圆柱齿轮刚度设计缺陷辨识方法。首先将齿轮剪切刚度和基体变形刚度加入了传统的能量法之中,利用改进的能量法计算出圆柱齿轮综合时变啮合刚度。对计算得到齿轮综合时变啮合刚度进行傅里叶变换,将其展开为一系列由正弦波叠加组成的周期激励,并利用有限元软件分析周期性的刚度激励对齿轮应力分布的影响。通过验证齿轮在刚度激励作用下,齿轮静强度和疲劳强度是否满足设计要求来判定原设计是否存在刚度设计缺陷。最后通过优化修正齿轮设计参数,减小了齿轮综合时变啮合刚度,从而减小了齿轮应力集中,降低了齿轮啮合过程中的交变应力,实现了对齿轮刚度设计缺陷的修正。　　过大的齿轮安装误差将会导致齿轮在啮合过程中产生剧烈的冲击和振动,是齿轮轮齿折断、齿面磨损和齿面点蚀等齿轮失效的重要原因。根据渐开线齿面几何学及现代啮合理论,推导出渐开线圆柱齿轮齿面方程,建立了含有安装误差的轮齿接触分析模型。通过对轮齿接触分析模型进行求解,得到了齿轮齿面接触迹线和啮合域,发现齿轮安装误差会对齿轮齿面啮合域的位置和啮合域的大小造成影响。通过验证齿轮齿面啮合域的位置和大小是否满足设计准则规定的极限值,判定原设计是否存在安装误差设计缺陷。以齿轮齿面啮合域的位置函数和面积函数为目标函数,齿轮各项安装误差为设计变量,求出齿轮允许的安装误差容差范围。将安装误差调整到允许的容差范围内,可实现对圆柱齿轮安装误差设计缺陷的修正。　　本文建立的圆柱齿轮强度设计缺陷辨识模型、刚度设计缺陷辨识模型以及安装误差设计缺陷辨识模型为圆柱齿轮承载能力设计缺陷辨识与优化修正提供了有效的理论方法和技术支撑。

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第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2机械产品设计缺陷辨识的研究现状

1.3圆柱齿轮承载能力设计缺陷辨识的研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

第二章 齿轮承载能力设计缺陷辨识模型的基础理论

2.1齿轮常见的失效形式及其分析

2.2圆柱齿轮强度设计缺陷辨识模型中的关键技术

2.3圆柱齿轮刚度设计缺陷辨识模型中的关键技术

2.4圆柱齿轮安装误差设计缺陷辨识模型中的关键技术

2.5本章小结

第三章 圆柱齿轮强度设计缺陷辨识与优化修正

3.1引言

3.2基于BP神经网络的圆柱齿轮强度设计缺陷辨识模型

3.3基于BP-GA算法的齿轮强度设计缺陷的优化修正

3.4圆柱齿轮强度设计缺陷辨识与优化修正实例

3.5本章小结

第四章 圆柱齿轮刚度设计缺陷辨识

4.1引言

4.2基于改进能量法的齿轮时变啮合刚度计算

4.3刚度激励作用下齿轮应力分布情况的有限元分析

4.4齿轮刚度设计缺陷辨识与优化修正

4.5圆柱齿轮刚度设计缺陷辨识与优化修正实例

4.6本章小结

第五章 圆柱齿轮安装误差设计缺陷辨识与修正

5.1引言

5.2渐开线圆柱齿轮齿面方程

5.3含有安装误差的轮齿接触分析模型的建立及求解

5.4齿轮安装误差设计缺陷辨识及修正

5.5齿轮安装误差设计缺陷辨识及修正实例

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文的总结

6.2论文的展望

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果