一种基于遗传算法的人字齿轮齿面优化设计方法

摘要

一种基于遗传算法的人字齿轮齿面优化设计方法，步骤是：(1)分析齿轮传动系统啮合过程中常见的故障问题及其引起的因素特征；(2)对人字齿轮副进行综合仿真和接触分析，查看以上各指标优劣情况，结合齿轮啮合传动过程实际遇到的问题，从而确定需优化目标；(3)齿向修鼓形改善传动误差效果明显，齿向斜度修形改善偏载问题效果明显，根据需优化目标针对性地选择修形方式作为设计变量；(4)对比常用群体智能优化算法适用性和优缺点，结合所需优化实例，选择恰当合理的算法对优化目标进行方案设计；(5)运行优化算法，得到候选方案，选择最优方案设定到齿面目标设计形态中，对比优化前后各指标的结果。本发明可以检测人字齿轮传动系统潜在的故障问题，并且可以快速高效的对其修形优化解决故障，及时规避了齿轮严重失效的风险。

说明书

本发明属于机械传动领域，涉及一种基于遗传算法的人字齿轮齿面优化设计方法，尤其是涉及到机械设备齿轮故障问题的优化设计方法。

背景技术

人字齿轮传动系统凭借着其体积小、质量轻、轴向力小、传动比大、承载能力强、传动效率高等优点，广泛应用于汽车、航空航天、矿山机械和舰船等高速精密重载传动领域。

人字齿轮可看成由两个旋向相反的斜齿轮组成，由于制造误差、安装精度等因素，常导致传动过程中出现轮齿断裂、振动噪声大、速度波动、传动不平稳等现象。因此，有必要精确地对齿轮齿面进行优化设计使其正常工作。但精确判断引起齿轮故障的因素以及采取何种方式修形优化是一大难题，且修形量的确定和优化结果的计算，需要根据国标查取大量数值进行计算做对比研究，较大的工作量会导致优化设计变量具有一定的局限性，不能充分大范围地进行取值，造成设计优化效率低下，因此提出一种人字齿轮齿面优化设计方法，利用计算机技术分析人字齿轮传动系统潜在的故障问题，并且可以快速高效的确定修形量对其优化解决故障，及时规避了齿轮严重失效的风险。

发明内容

本发明的目的是针对以上公知技术存在的问题和缺陷，提供一种基于遗传算法的人字齿轮齿面优化设计方法。该方法可以在任意工况和设计要求下分析人字齿轮传动系统潜在的故障问题，并且可以快速高效的对其修形优化解决故障，及时规避了齿轮严重失效的风险。本发明可以方便快捷的得到修形量，克服了现有修形方法中确定修形量需要进行大量繁琐计算的缺点。且该发明利用的遗传算法，有比较强的全局搜索能力，特别是当交叉概率比较大时，产生大量的新个体，提高全局搜索范围，能够更加简洁、快速、全面地得到最优的人字齿轮齿面优化设计变量参数。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种基于遗传算法的人字齿轮齿面优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：分析齿轮传动系统啮合过程中常见的故障问题，如果传动误差过大，则可能导致齿轮啮入啮出冲击大，传动不平稳；如果齿面赫兹接触应力过大，则可能会加剧齿面磨损情况，增加噪声和系统功率损耗；如果是法向载荷分布不均匀，则引起齿轮偏载，容易出现轮齿一端折断的问题；

步骤2：对人字齿轮副进行综合仿真和接触分析，查看以上各指标优劣情况，结合齿轮啮合传动过程实际遇到的问题，从而确定需优化目标；

步骤3：齿向修鼓形改善传动误差效果明显，齿向斜度修形改善偏载问题效果明显，根据需优化目标针对性地选择修形方式作为设计变量；

步骤4：对比常用群体智能优化算法适用性和优缺点，结合所需优化实例，选择恰当合理的算法对优化目标进行方案设计；

步骤5：运行优化算法，得到候选方案，选择最优方案设定到齿面目标设计形态中，对比优化前后各指标的结果。

通过本发明实施例提供的齿面优化方法，能够快速有效的判断齿轮啮合传动中潜在的故障问题并对其进行修形优化，大大提高了优化设计效率，并及时规避齿轮失效的风险。

优选地，所述的优化设计目标是根据仿真结果各指标的优劣确定的，本例根据仿真分析结果，选取传动误差和齿面单位长度法向载荷为优化设计目标。

优选地，所述的设计变量是根据确定优化目标后再进行合理选择的，本例选取受载齿面的齿向斜度和齿向修鼓形为设计变量。

优选地，所述的人字齿轮齿面优化设计方法是综合评估修形方式和各算法优缺点、适用性后选取的，本例采取优化算法为为遗传算法。

本发明具有以下有益效果：本发明可以在任意工况和设计要求下分析人字齿轮传动系统潜在的故障问题，并且可以快速高效的对其修形优化解决故障，及时规避了齿轮严重失效的风险。本发明可以方便快捷的得到修形量，克服了现有修形方法中确定修形量需要进行大量繁琐计算的缺点。本发明利用的遗传算法，有比较强的全局搜索能力，特别是当交叉概率比较大时，产生大量的新个体，提高全局搜索范围，克服传统优化设计不能大范围取值的缺点，能够更加简洁、快速、全面地得到最优的人字齿轮齿面设计变量参数。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为齿向鼓形修形原理图。

图3为齿向斜度修形原理图。

图4为修形前仿真分析传动误差曲线。

图5为采用本发明修形优化后的齿轮传动误差仿真曲线。

图6为修形前齿轮齿面单位长度法向载荷载荷分布云图。

图7为采用本发明修形优化后的齿轮齿面单位长度法向载荷分布云图。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种基于遗传算法的人字齿轮齿面优化方法，包括如下步骤：

步骤1：分析齿轮传动系统啮合过程中常见的故障问题，如果传动误差过大，则可能导致齿轮啮入啮出冲击大，传动不平稳；如果齿面赫兹接触应力过大，则可能会加剧齿面磨损情况，增加噪声和系统功率损耗；如果是法向载荷分布不均匀，则引起齿轮偏载，容易出现轮齿一端折断的问题；

步骤2：对人字齿轮副进行综合仿真和接触分析，查看以上各指标优劣情况从而确定需优化目标，本例选取传动误差和齿面单位长度法向载荷为优化设计目标，如图4所示为齿轮副传动误差曲线图，传动误差为11.97um；如图6所示为齿面单位长度法向载荷分布图，轮齿左端面最大载荷3447N/mm，右端面最大载荷783N/mm，齿面应力分布不均匀，出现偏载现象；

步骤3：齿向修鼓形改善传动误差效果明显，齿向斜度修形改善偏载问题效果明显，根据步骤2优化目标本例选取受载齿面的齿向斜度和齿向修鼓形为设计变量，来改善传动误差过大和齿轮偏载问题；

步骤4：对比常用群体智能优化算法适用性和优缺点，结合步骤3修形方式本例采取优化算法为为遗传算法，进化代数选择20代，交叉概率设置为0.2，突变概率设置为0.3，种群规模选择50；

步骤5：运行优化算法，得到候选方案，选择最优方案设定到齿面目标设计形态中，对比优化前后各指标的结果，如图5为修形优化后的传动误差曲线图，相比修形前减小了66.39%；如图7为修形优化后的齿面单位长度法向载荷分布图，可以看出齿面载荷分布居中均匀，偏载现象得到很大改善。

理论上，修改上述步骤中的优化方法、变量范围都可以优化目标。因此，以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。任何符合本方法的实施例，在不偏离本发明的精神和范围下进行修改或替换，也应属于本发明的保护范围。