基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法

摘要

本发明专利公开了基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法，具体涉及三分流减速器斜齿轮修形优化设计领域。利用ROMAX建立三分流减速器斜齿轮模型，基于定轴轮系功率分流和齿轮啮合原理计算啮合过程中斜齿轮副的传动误差并获得斜齿轮系统响应加速度，对三分流减速器各级齿轮逐级修形逐级优化各级斜齿轮副的修形参数，以减小啮合冲击、降低三分流斜齿轮副的传动误差，降低三分流减速器振动噪声。本发明可通过改变每一级齿轮副的不同修形参数降低三分流减速器斜齿轮副传动误差、改善三分流减速器斜齿轮齿面载荷分布不均现象以及降低三分流减速器振动噪声，为工程实践中三分流减速器斜齿轮副的修形、优化设计与使用提供理论指导与方法支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及三分流减速器斜齿轮修形优化设计领域，特别涉及基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法。

背景技术

三分流减速器具有多级同时承担输入功率的结构特点，承载能力强；而斜齿轮传动在实际工程中具有传动精度高、稳定性好、传动效率高等优点，是机械传动中极其重要的传动形式。因此，以斜齿轮为传动部件的三分流减速器被广泛应用于运行在高速重载等极端工况下的水下舰艇和水下武器等装备中。在高速重载等极端工况下，由于多个输出轴负载情况的不同，引起三分流减速器斜齿轮产生啮合错位，引起三分流减速器斜齿轮副传动误差增大，从而造成三分流减速器传动系统振动噪声较大。同时，由于三分流减速器多个输出轴承受不同的负载，极易造成三分流齿轮偏载，引起齿面载荷分布不均现象。

由于齿轮传动系统的传动误差和振动噪声与轮齿修形参数之间没有明确的解析表达式，而且修形参数与优化目标之间关系比较复杂，传统的基于求导的优化方法并不适用，同时传统的减速器斜齿轮副大多基于单对齿轮啮合，仅对主动齿轮进行修形，很少考虑这种多对齿轮相互啮合的情形，且由于三分流减速器具有多级输出，对每一级修形参数的确定是一大难题，因此目前，尚无有效的三分流减速器斜齿轮修形优化的降噪方法，所以实现基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪是技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明意在提供基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法，解决了三分流减速器斜齿轮没有明确降噪方法的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法，包括如下步骤：

S1、在ROMAX中建立三分流减速器斜齿轮模型；

S2、基于定轴轮系功率分流和齿轮啮合原理计算三分流减速器斜齿轮模型中斜齿轮副在其啮合过程中的几何、运动及受力情况；

S3、运行微观几何分析计算三分流减速器各级未修形斜齿轮传动误差、斜齿轮齿面载荷分布以及振动响应加速度，计算未修形时三分流减速器振动噪声；

S4、分别对三分流减速器输入级、分流级和汇流级齿轮进行逐级修形逐级优化以确定各级斜齿轮副微观几何修形参数；

S5、运行微观几何分析计算修形后三分流减速器各级斜齿轮传动误差、斜齿轮齿面载荷分布并获得修形后的振动响应加速度；

S6、通过编写程序将获得的振动响应加速度转换为振动能级噪声，对比修形前后三分流减速器各级斜齿轮副传动误差以及修形前后的振动噪声，满足要求则输出基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法的修形参数结果，否则继续调整三分流减速器各级齿轮修形参数。

进一步的，步骤S4中先确定三分流减速器输入级齿轮的修形优化参数，再确定三分流减速器分流级齿轮的修形优化参数，最后确定三分流减速器汇流级齿轮的修形优化参数。

进一步的，步骤S4中：

齿轮修形包括齿向修鼓和齿顶修形，修形参数包括主从动齿轮的齿向修鼓量Cbmax、齿顶修形量Camax、齿顶修形长度lmax，Cbmax为齿轮副中齿向修鼓量的最大值，Camax为齿轮副中齿顶修形量的最大值，lmax为齿轮副中齿顶修形长度的最大值；各修形量及修形长度取值范围为：0≤Cbmax≤30mm，0≤Camax≤40mm，0≤lmax≤300mm；

优化方法通过遗传算法对轮齿修形参数进行优化求解：(1)对修形参数进行基因编码，确定种群数量；(2)设置种群的应用基因书、繁殖代数、交叉算子及变异算子；(3)评价种群，优化修形参数。

进一步的，步骤S6中：通过编写程序将振动响应加速度转化为振动噪声并计算一段频率区间下的振动噪声。

进一步的，步骤S6中以三分流减速器各级斜齿轮副传动误差以及振动噪声作为遗传算法的优化目标。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1、本方案可在考虑三分流减速器多级多对齿轮啮合的基础上，逐级组合三分流减速器各级斜齿轮副轮齿修形优化参数，并将得到的修形参数应用于齿轮微观几何分析中，实现三分流减速器各级斜齿轮副传动误差的降低，从而降低三分流减速器的振动噪声。

2、本方案可为工程实践中三分流减速器渐开线圆柱斜齿轮的修形、优化设计和使用提供理论指导，为准确分析三分流斜齿轮接触等性能提供方法指导，进而对延长斜齿轮副使用寿命、降低斜齿轮副振动噪声以及提高机械系统可靠性是有益的。

附图说明

图1是本实施例中定轴式三分流减速器斜齿轮啮合的正面轴测视图；

图2是本实施例中定轴式三分流减速器斜齿轮啮合的背面轴测视图；

图3是本实施例中定轴式三分流减速器斜齿轮单齿齿向修形的示意图；

图4是本实施例中定轴式三分流减速器斜齿轮单齿齿顶修形的示意图；

图5是本发明基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法流程图；

图6是本实施例中三分流减速器斜齿轮修形和未修形传动误差对比图；

图7是本实施例中三分流减速器斜齿轮修形和未修形振动噪声对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

实施例

如附图1和图2所示，本实施例采用典型的定轴式三分流减速器斜齿轮系统，图中三分流减速器斜齿轮系统包含三级减速齿轮以及三个分流输出齿轮，主要包括输入级齿轮副(输入级主动轮和输入级从动轮)、分流级齿轮副(分流级主动轮、分流级从动轮1、分流级从动轮2、分流级从动轮3)和汇流级齿轮副(汇流级主动轮1、汇流级主动轮2、汇流级主动轮3和汇流级从动轮)，分流级主动轮带动分流级从动轮1、分流级从动轮2和分流级从动轮3转动，从而将作用到主动轮上的总功率按需分配到三个分流级从动轮上，从而同时实现三分流减速器的减速与功率分配两功能。

如附图3至图5所示：基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法，包括如下步骤：

S1、在ROMAX中设置三分流减速器斜齿轮副的结构、材料与工况等参数，并建立三分流减速器斜齿轮模型。

S2、基于定轴轮系功率分流和齿轮啮合原理计算三分流减速器斜齿轮模型中斜齿轮副在其啮合过程中的几何、运动及受力情况。

S3、运行微观几何分析计算三分流减速器各级未修形斜齿轮传动误差、斜齿轮齿面载荷分布以及振动响应加速度，计算未修形时三分流减速器振动噪声。

S4、分别对三分流减速器输入级、分流级和汇流级齿轮进行逐级修形逐级优化以确定各级斜齿轮副微观几何修形参数；逐级修形逐级优化的方法是先确定三分流减速器输入级齿轮的修形优化参数，再确定三分流减速器分流级齿轮的修形优化参数，最后确定三分流减速器汇流级齿轮的修形优化参数，三分流减速器各级齿轮修形优化层层递进。

上述的齿轮修形包括齿向修鼓和齿顶修形，修形参数包括主从动齿轮的齿向修鼓量Cbmax、齿顶修形量Camax、齿顶修形长度lmax，Cbmax为齿轮副中齿向修鼓量的最大值，Camax为齿轮副中齿顶修形量的最大值，lmax为齿轮副中齿顶修形长度的最大值；各修形量及修形长度取值范围为：0≤Cbmax≤30mm，0≤Camax≤40mm，0≤lmax≤300mm；

优化方法通过遗传算法对轮齿修形参数进行优化求解：(1)对修形参数进行基因编码，确定种群数量；(2)设置种群的应用基因书、繁殖代数、交叉算子及变异算子；其中应用基因数为50、繁殖代数为20、交叉算子为0.2、变异算子为0.3；(3)评价种群，优化修形参数。

S5、运行微观几何分析计算修形后三分流减速器各级斜齿轮传动误差、斜齿轮齿面载荷分布并获得修形后的振动响应加速度。

S6、通过编写程序将获得的振动响应加速度转换为振动能级噪声，对比修形前后三分流减速器各级斜齿轮副传动误差以及修形前后的振动噪声，满足要求(即满足三分流减速器斜齿轮副传动误差和振动噪声降低的要求)则输出基于逐级修形逐级优化的三分流减速器降噪方法的修形参数结果，否则继续调整三分流减速器各级齿轮修形参数。

优选的，步骤S1、S2和S3中，需要在ROMAX中建立三分流减速器斜齿轮模型，其结构特征比较复杂，包含三级减速齿轮以及多个输出轴，其中分流级和汇流级齿轮副不是简单的单对齿轮啮合，而是多对齿轮相互啮合；运行微观几何分析，计算三分流减速器斜齿轮啮合过程的圆周力、啮合刚度、传动误差、齿面载荷分布以及振动响应加速度和噪声。

通过本方法修形优化后的三分流减速器斜齿轮副传动误差峰峰值由修形前的2.27mm降低为1.14mm，降幅达到50％，减小了振动噪声的激励源，修形后三分流减速器各级斜齿轮副振动噪声降低1～2dB，具体如图6和图7所示。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。