[發(fā)明專利]一種基于遺傳算法的人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計方法

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• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113094836A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭棟祥;王淑妍;袁卓俊
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06N3/12;G06F111/06;G06F111/08
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11212
• 代理人: 劉宇波

一種基于遺傳算法的人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計方法，步驟是：(1)分析齒輪傳動系統(tǒng)嚙合過程中常見的故障問題及其引起的因素特征；(2)對人字齒輪副進行綜合仿真和接觸分析，查看以上各指標(biāo)優(yōu)劣情況，結(jié)合齒輪嚙合傳動過程實際遇到的問題，從而確定需優(yōu)化目標(biāo)；(3)齒向修鼓形改善傳動誤差效果明顯，齒向斜度修形改善偏載問題效果明顯，根據(jù)需優(yōu)化目標(biāo)針對性地選擇修形方式作為設(shè)計變量；(4)對比常用群體智能優(yōu)化算法適用性和優(yōu)缺點，結(jié)合所需優(yōu)化實例，選擇恰當(dāng)合理的算法對優(yōu)化目標(biāo)進行方案設(shè)計；(5)運行優(yōu)化算法，得到候選方案，選擇最優(yōu)方案設(shè)定到齒面目標(biāo)設(shè)計形態(tài)中，對比優(yōu)化前后各指標(biāo)的結(jié)果。本發(fā)明可以檢測人字齒輪傳動系統(tǒng)潛在的故障問題，并且可以快速高效的對其修形優(yōu)化解決故障，及時規(guī)避了齒輪嚴(yán)重失效的風(fēng)險。

本發(fā)明屬于機械傳動領(lǐng)域，涉及一種基于遺傳算法的人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計方法，尤其是涉及到機械設(shè)備齒輪故障問題的優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

人字齒輪傳動系統(tǒng)憑借著其體積小、質(zhì)量輕、軸向力小、傳動比大、承載能力強、傳動效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、礦山機械和艦船等高速精密重載傳動領(lǐng)域。

人字齒輪可看成由兩個旋向相反的斜齒輪組成，由于制造誤差、安裝精度等因素，常導(dǎo)致傳動過程中出現(xiàn)輪齒斷裂、振動噪聲大、速度波動、傳動不平穩(wěn)等現(xiàn)象。因此，有必要精確地對齒輪齒面進行優(yōu)化設(shè)計使其正常工作。但精確判斷引起齒輪故障的因素以及采取何種方式修形優(yōu)化是一大難題，且修形量的確定和優(yōu)化結(jié)果的計算，需要根據(jù)國標(biāo)查取大量數(shù)值進行計算做對比研究，較大的工作量會導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計變量具有一定的局限性，不能充分大范圍地進行取值，造成設(shè)計優(yōu)化效率低下，因此提出一種人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計方法，利用計算機技術(shù)分析人字齒輪傳動系統(tǒng)潛在的故障問題，并且可以快速高效的確定修形量對其優(yōu)化解決故障，及時規(guī)避了齒輪嚴(yán)重失效的風(fēng)險。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對以上公知技術(shù)存在的問題和缺陷，提供一種基于遺傳算法的人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計方法。該方法可以在任意工況和設(shè)計要求下分析人字齒輪傳動系統(tǒng)潛在的故障問題，并且可以快速高效的對其修形優(yōu)化解決故障，及時規(guī)避了齒輪嚴(yán)重失效的風(fēng)險。本發(fā)明可以方便快捷的得到修形量，克服了現(xiàn)有修形方法中確定修形量需要進行大量繁瑣計算的缺點。且該發(fā)明利用的遺傳算法，有比較強的全局搜索能力，特別是當(dāng)交叉概率比較大時，產(chǎn)生大量的新個體，提高全局搜索范圍，能夠更加簡潔、快速、全面地得到最優(yōu)的人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計變量參數(shù)。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種基于遺傳算法的人字齒輪齒面優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：

步驟1：分析齒輪傳動系統(tǒng)嚙合過程中常見的故障問題，如果傳動誤差過大，則可能導(dǎo)致齒輪嚙入嚙出沖擊大，傳動不平穩(wěn)；如果齒面赫茲接觸應(yīng)力過大，則可能會加劇齒面磨損情況，增加噪聲和系統(tǒng)功率損耗；如果是法向載荷分布不均勻，則引起齒輪偏載，容易出現(xiàn)輪齒一端折斷的問題；

步驟2：對人字齒輪副進行綜合仿真和接觸分析，查看以上各指標(biāo)優(yōu)劣情況，結(jié)合齒輪嚙合傳動過程實際遇到的問題，從而確定需優(yōu)化目標(biāo)；

步驟3：齒向修鼓形改善傳動誤差效果明顯，齒向斜度修形改善偏載問題效果明顯，根據(jù)需優(yōu)化目標(biāo)針對性地選擇修形方式作為設(shè)計變量；

步驟4：對比常用群體智能優(yōu)化算法適用性和優(yōu)缺點，結(jié)合所需優(yōu)化實例，選擇恰當(dāng)合理的算法對優(yōu)化目標(biāo)進行方案設(shè)計；

步驟5：運行優(yōu)化算法，得到候選方案，選擇最優(yōu)方案設(shè)定到齒面目標(biāo)設(shè)計形態(tài)中，對比優(yōu)化前后各指標(biāo)的結(jié)果。

通過本發(fā)明實施例提供的齒面優(yōu)化方法，能夠快速有效的判斷齒輪嚙合傳動中潛在的故障問題并對其進行修形優(yōu)化，大大提高了優(yōu)化設(shè)計效率，并及時規(guī)避齒輪失效的風(fēng)險。

優(yōu)選地，所述的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)仿真結(jié)果各指標(biāo)的優(yōu)劣確定的，本例根據(jù)仿真分析結(jié)果，選取傳動誤差和齒面單位長度法向載荷為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

優(yōu)選地，所述的設(shè)計變量是根據(jù)確定優(yōu)化目標(biāo)后再進行合理選擇的，本例選取受載齒面的齒向斜度和齒向修鼓形為設(shè)計變量。