NGW型行星齒輪傳動的優化設計的分析

何會來

(卓輪(天津)機械有限公司,天津 300457)

NGW型行星齒輪傳動的優化設計的分析

何會來

(卓輪(天津)機械有限公司,天津 300457)

作為機械傳動中至關重要的一種,齒輪傳動的效率更高,且具有較強的可靠性,再加上其結構比較緊湊,因此,經常被用于我國航空發動機、直升機減速器等其他相關裝置中.為了有效保障NGW型行星齒輪傳動的強度及其運行的安全性和可靠性,需要結合實際情況對其進行優化設計.基于此,嘗試以NGW型行星齒輪為例,簡要分析和研究該型號行星齒輪傳動的優化設計,以期為日后的工作提供參考.

NGW型行星齒輪;齒輪傳動;載荷;優化函數

積極吸收和借鑒前輩們和相關學者的研究經驗、理論成果,筆者發現,國內外研究人員和工程設計人員已經先后在基于最小接觸應力條件下齒廓的最佳幾何形狀,以及齒輪泵、斜齒圓柱齒輪等方面的優化設計中取得了一定的研究成果.但是,關于NGW型行星齒輪傳動的優化設計方面的研究相對比較少,因此,本文將重點圍繞NGW型行星齒輪傳動的優化設計進行探究,希望為相關研究人員提供必要參考和研究思路.

1 NGW型行星齒輪傳動優化設計構想

為了有效研究齒輪傳動的優化設計,本文以NGW型行星齒輪傳動系統為主要研究對象,運用優化技術手段簡化NGW型行星齒輪傳動的優化設計問題,將設計要求與相關變量以及實際設計準則分別用f(x)、X和g(X)來表示.此后,根據目標函數f(X)找出NGW型行星齒輪傳動的各項約束條件,建立起相應的數學模型,在對相關函數進行優化之后即可得到具體的NGW型行星齒輪傳動的優化設計方案,以延長NGW行星齒輪傳動的工作質量及其使用壽命,減少故障發生率.

2 NGW型行星齒輪傳動的優化設計

2.1 目標函數

為了節約成本,便于安裝等,在對NGW型行星齒輪傳動進行優化設計,先要有效控制其體積.而鑒于其體積直接受到太陽輪和其他行星輪體積的影響,且行星齒輪傳動本身所需要承受的載荷也會在一定程度上影響其體積,所以,體積最小的行星齒輪傳動目標函數為:

式(1)中:Vc和Va為NGW型行星齒輪和太陽輪的體積;da和B為太陽輪的節圓直徑和齒數;dc為行星輪的節圓直徑;Np為行星輪的個數[1].

NGW型行星齒輪只有擁有較大的重合度,也就是說,在太陽輪與行星輪完美嚙合的情況下,齒輪才能實現高效、平穩傳動.因此,在對其進行優化設計時,本文將行星齒輪的重合度也視作一個目標函數.根據式(2)可以完成包含齒頂高系數、半徑、太陽輪變位系數和齒頂圓壓力角等在內的重合度目標函數的推導,即:

在判斷NGW型行星齒輪傳動性能的過程中,人們通常會參照齒輪的傳動效率.因此,在對NGW型行星齒輪傳動進行優化設計時,要注重提升其傳動性能.考慮到軸承摩擦和齒輪嚙合副等情況下都會產生不同程度的損失,因此,如果用ηaH代表行星齒輪的傳動效率,則將其滾動摩擦、齒輪嚙合摩擦系數等數值代入其中可以得到效率目標函數為:

式(3)中:Za和Zc分別為齒輪副當中大小齒輪的具體齒數.

2.2 設計變量

行星齒輪傳動系統本身比較復雜,而且其應用范圍比較廣,其往往擁有較多的參數,需要從中挑選出直接影響設計質量并且具有較高控制性的參數作為設計變量,將其他參數設為常數,以此實現對最終NGW型行星齒輪傳動優化設計的有效控制.在本文的優化設計中,行星齒輪傳動設計參數包括太陽輪和行星輪齒數、模數、螺旋角與壓力角,等等.為了確保齒輪具有良好的承載能力,筆者還將行星輪、太陽輪和內齒輪的變位系數等納入到設計參數的范疇中[2].每一種目標函數都有著與之相對應的設計變量,以NGW型行星齒輪體積最小的目標函數為例,進行優化設計的NGW型行星齒輪傳動設計變量用X代替,有X={x1,x2,x3,z1,z2,m,α,β,φd}T.其中,x1,x2,x3分別為變位系數,z1和z2分別為太陽輪和行星輪齒數,α,β為壓力角和螺旋角,m和φd為模數與齒寬系數.

2.3 約束條件

在對NGW型行星齒輪傳動進行優化設計的過程中,其約束條件可以分為線性不等式、非線性不等式和非線性等式三類.在非線性等式約束條件中,無論是太陽輪還是行星輪、內齒輪,其嚙合齒輪副中心距完全一致,也就是說:

特別是在行星傳動中,為了確保其具備足夠的承載能力,要盡量減小其嚙合過程中產生的徑向力,通常會選擇使用多個行星輪,并且2個中心輪的齒數和能夠整除行星輪數.在線性不等式約束條件下,對太陽輪的齒數與齒寬進行約束,要求z1≥zmin,b1≥bmin.通常情況下,z和b的最小值分別等于17和10,因此,太陽輪最小齒數與齒寬的約束條件分別為

在對模數進行約束的過程中,有m≥mmin,且通常情況下m的最小值取1.25,則最小模數的約束條件則為:f3(x)=mmin-m≤0.

2.4 函數優化

為了對本文設計的NGW型行星齒輪傳動系統進行函數優化,本文將選擇使用fminion函數,其數學模型為:

對該函數的調用格式進行優化后,假設其初始值為x0,并將AeqXx=beq和AXx≤b作為其約束條件,lb和ub則是設計變量的下界和上界.使用專業的函數優化軟件,我們可以獲得優化后的太陽輪和行星輪齒數為15.84和43.05,齒寬和模數經過優化之后分別為15.18和2.33,太陽輪和行星輪的變位系數在優化后則分別為0.42與0.50,而兩者的嚙合角在優化之后為24,優化之后的行星輪和內齒圈嚙合角則為17.50.在公式zb=pza=(ip-1)za中,行星輪的傳動特性參數為p,行星齒輪傳動給定傳動比為ip,根據文中給出的函數公式可以得到zb的值大約為105.

分別計算太陽輪、行星輪和內齒輪優化后的接觸強度、彎曲強度和膠合強度安全系數,發現太陽輪的3種強度安全系數分別為1.27,2.24和2.24;行星輪的3種強度安全系數分別為3.5,2.79和4.38;而內齒輪在優化后的3種強度安全系數分別為5.69,26.7和5.25.將計算得到的優化參數與之前NGW型行星齒輪傳動各項參數進行對比后,發現NGW型行星齒輪的整體體積相較以往減小了大約1/2,而重合度和傳動效率均得到明顯增加,這意味著行星齒輪的材料成本得到有效控制,但其傳動性能和承載能力則大幅提升.

3 結束語

經過相關分析研究,我們可以明確了解NGW型行星齒輪傳動優化設計的關鍵要素包括目標函數、設計變量、約束條件等.而本文分別將NGW型行星齒輪傳動的體積、效率和重合度作為目標函數,同時,采用數學建模的方式建立起了相應的數學模型;使用Fminion函數在對其進行優化計算后得到了效率更高但體積更小的優化設計結果,這對于提升NGW型行星齒輪的傳動性能有十分重要的作用.

[1]張東浩.NGW行星齒輪傳動可靠性優化設計及其動力學仿真[D].太原:太原理工大學,2013.

[2]陳興強,何華,劉春景.NGW型行星齒輪傳動扳手的參數優化設計[J].機械傳動,2017,41(07):66-69.

〔編輯:白潔〕

TH132.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.095

2095-6835(2017)22-0095-02