一种改进的变速器斜齿轮主参数噪声优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变速器齿轮的噪声优化设计领域，更确切地说，本发明是一种基于改 进石川法的斜齿轮主参数噪声优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 变速器齿轮啮合过程中由于变形、间隙等产生的噪声，对整车噪声都有很大影响， 对变速器齿轮进行降噪设计，能够减小齿轮啮合冲击、提高齿轮可靠性和寿命，并能提升汽 车的舒适性和驾乘品质。目前，研究界和工程界均是通过对齿轮进行修形处理提高齿轮啮 合品质、减小啮合噪声，属于齿轮主要参数确定后的后期设计和处理。事实上，在变速器齿 轮设计初期，齿轮的齿数、模数、螺旋角等对齿轮啮合过程中的噪声亦有重要影响，不过目 前对齿轮设计主参数的处理都是通过尽可能地提高重合度作为降低啮合噪声的手段。
[0003] 研究发现，啮合过程中的动态传递误差，是直接影响变速器啮合过程中的噪声的 主要原因，并可作为其啮合噪声的直接衡量指标。通常，计算传递误差是通过变速器设计专 用软件，如MASTA等进行计算，抑或是开放式有限元软件ANSYS。这些软件具有计算准确的 特点，但MSTA等专用设计软件不能对传递误差进行优化设计，设计中需要手动修改参数 反复尝试，以获得能够接受的传递误差波动范围，且修改参数过程中对变速器其他指标也 有影响，因此修改繁琐且结果不尽人意，而ANSYS等有限元软件基于有限元的计算原理，建 模复杂、计算过程漫长，单次计算还能接受，而如果要进行灵敏度分析或是优化设计，在极 繁重的参数迭代过程中，时间长度太长。基于材料力学理论、计算速度较快的石川法适用于 直齿轮的动态传递误差计算，而如今绝大多数的变速器齿轮采用斜齿轮，但尚无针对斜齿 轮传递误差快速计算方法的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题是，提供一种计算快速、修改方便的变速器斜齿轮主参数噪 声优化设计方法，辅助变速器设计。针对现有技术存在的不足之处，本发明对传统直齿轮的 石川法进行改进，得到适用于斜齿轮动态传递误差的改进石川法，该方法具有计算速度快、 参数修改方便的特点，并将其用于变速器斜齿轮的主参数优化设计中，在变速器齿轮设计 初期就尽可能提高噪声品质，并保证齿轮必要的可靠性、强度和相应的法规要求。具体地， 本发明采用如下技术方案，一种改进的变速器斜齿轮主参数噪声优化设计方法，包括以下 几个步骤：
[0005] 步骤一：采用改进石川法，建立斜齿轮啮合过程中的啮合动刚度和动态传递误差 的计算模型，并计算动态传递误差的最大波动值；
[0006] 步骤二：基于斜齿轮副动态传递误差波动值计算模型和齿轮设计法规要求，建立 以减小噪声、减少体积为目标，同时保证强度和使用过程中可靠性的变速器斜齿轮主参数 的优化设计模型；
[0007] 步骤三：，通过将优化前、后的齿轮参数输入专业齿轮计算软件MASTA中进行计算 和对比，检验优化模型得可行性和有效性，以确保优化后的参数能满足约束条件、优化后的 齿轮的传递误差相比优化前有降低。
[0008] 技术方案中，步骤一所述的改进石川法计算斜齿轮动态传递误差最大波动值包括 如下步骤：
[0009] 1.基于传统石川法和轮体周向变形，计算斜齿轮对应端面直齿轮的单个轮齿的形 变量S j，石川法考虑轮齿近似梯形的长方形部分弯曲变形量δ&、梯形部分的弯曲变形量 s Bt、剪力产生的变形量δ 3和基础部分倾斜产生的变形量δ ^，轮体周向变形δ "考虑轮复 板近似曲边梯形的剪切变形量和弯曲变形量，计算公式为(S j?
[0010] 2.根据轮齿嗤合的相互作用力Fn (hx, ω x)和一对轮齿嗤合的总变形量 δ (hx，ωχ)，计算单个轮齿对的啮合动刚度
>其中
[0011] 3.计算斜齿轮对应端面直齿轮从进入啮合到离开啮合，即走过一个基圆齿距的完 整过程中，该端面直齿轮副整体啮合动刚度时间函数1? (t)，包括如下步骤：
[0012] 4.把斜齿轮副近似看作是N个具有相同端面参数小直齿轮副的叠加，每对小直齿 轮副的宽度为B/N，相邻小直齿轮副啮合的角度相位差为#，根据权利要求2的第3)步骤的 斜齿轮对应端面直齿轮副的整体啮合动刚度时间函数Ki (t)，计算各个小直齿轮副的啮合 动刚度Mt);
[0013] 5.对所有小直齿轮副的啮合动刚度kjt)求和取极限，得到斜齿轮的整体啮合动 刚度K ft (t)，计算公式如下：
[0014]
[0015] 6.根据斜齿轮的整体啮合动刚度K斜⑴和整个齿轮受到的周向力匕，计算斜齿轮 的动态传递误差TE (t):
[0016] 7.计算斜齿轮啮合的动态传递误差最大波动值：△ TEO = maxTE (t) -minTE (t);
[0017] 8.通过MASTA计算得到基于有限元计算的传递误差，得到修正系数n， 对本发明提出的改进石川法计算的斜齿轮动态传递误差波动值进行修正：ATE = η · (maxTE-minTE)〇
[0018] 上述技术方案步骤一的第3步，斜齿轮对应端面直齿轮完整啮合过程的副啮合动 刚度时间函数1? (t)的计算具体包括以下步骤：
[0019] (1)计算端面重合度ε。，根据ε α的大小，将啮合轨迹划分为三段：双齿啮合区 B2C,单齿啮合区CD和双齿啮合区DB1;
[0020] (2)将三段啮合区间分别等分为n份（n需具有一定规模），以i表示啮合点序列 中某一点，根据几何关系，利用权利要求2的第2)步骤计算的单个轮齿对的啮合动刚度计 算公式计算该点处轮齿对的啮合刚度，设B2C段啮合点E1处的刚度为k E1 (i)，CD段啮合点E 的刚度为kE(i)，DB1段啮合点E 2处的刚度为kE2(i);
[0021] (3)根据各区间轮齿对的啮合刚度，计算斜齿轮对应端面直齿轮副的整体啮合动 刚度1(直（1) :双齿啮合区82(：和081段1(直（1)=1^1(1)+1^ 2(1)，单齿啮合区〇)段：1(直（1)= kE(i)；
[0022] (4)计算各啮合点的啮合时刻函数：
[0023]
[0024] (5)根据Ks⑴和t(i)的一一对应关系，进行多项式拟合，即可得出斜齿轮对应 端面直齿轮副的整体啮合动刚度时间函数1? (t)。
[0025] 技术方案中，步骤二所述的斜齿轮主参数优化设计模型包括以下优化变量、优化 目标和约束条件：
[0026] 1.优化变量：主动轮齿数、模数、压力角、螺旋角、主动轮变位系数、齿宽、主动轮 齿顶高系数、从动轮齿顶高系数、主动轮顶隙系数、从动轮顶隙系数；
[0027] 2.优化目标：包括尽量降低能够表征齿轮噪声的传递误差波动值和尽量减少齿 轮体积两个目标，采用线性权重加权法将双优化目标转化为综合单优化目标，数学表达式 为：
[0028]
其中(X)为斜齿轮啮合传递误差最大波动值，Ai(X)为传 递误差波动单目标优化结果，f2(X)为斜齿轮副的体积，穴(X)为体积单目标优化结果；
[0029] 3.约束条件：优化变量的上下限范围约束；名义中心距约束；中间轴轴向力平衡 约束；不发生根切的最小变位系数约束；齿顶齿厚约束；控制滑动比和摩擦力突变的噪声 指标的约束；齿根弯曲强度约束；齿面接触强度约束。
[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0031] 1.本发明建立了适用于斜齿轮的动态传递误差快速计算模型，该模型基于直齿轮 石川法计算啮合刚度的思想，并对其进行补充和改进，具有计算速度快的特点，同时还具有 能够反映齿轮主要基本参数与斜齿轮动态传递误差之间的关系和影响趋势的特点，为斜齿 轮主参数噪声优化设计奠定模型基础。
[0032] 2.本发明对变速器斜齿轮主要参数进行了噪声优化设计，以主要噪声影响来源传 递误差和齿轮体积最小为目标，在保证必要的强度、可靠性等要求的前提下，在法规规定的 范围内，对变速器斜齿轮的主要结构参数进行优化，这样，在主要结构参数设计时就将噪声 的优化考虑在内，从而在齿轮结构设计初期就在一定程度上保证了啮合过程的噪声品质。
【附图说明】
[0033] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0034] 图1是基于改进石川法的变速器斜齿轮主参数噪声优化设计总流程图；
[0035] 图2是基于改进石川法的斜齿轮动态传递误差波动值计算流程图；
[0036] 图3是石川法计算直齿轮啮合变形的几何示意图；
[0037] 图4是齿轮轮体的周向变形的计算原理几何示意图；
[0038] 图5是啮合点的位置变化示意图；
[0039] 图6是斜齿轮与小直齿轮之间的关系；
[0040] 图7是相邻小直齿轮间的角度相位差关系；
[0041] 图8是改进石川法计算的变速器斜齿轮动态传递误差-啮合时间曲线；
[0042] 图9是MASTA软件计算的变速器斜齿轮动态传递误差-啮合时间曲线；
[0043] 图10是斜齿轮啮合动态传递误差波动值计算模型数据流；
[0044] 图11是采用遗传算法工具箱进行斜齿轮主参数噪声优化设计流程图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和实施例，对本发明所述的改进的变速器斜齿轮主参数噪声优化设 计的过程进行详细说明。
[0046] 本发明所述改进的变速器斜齿轮主参数噪声优化设计的总体流程图如图1所示， 主要步骤包括：首先基于改进石川法，建立斜齿轮动态传递误差及其波动值的计算模型； 然后以斜齿轮传递误差最大波动值最小为优化目标之一，以斜齿轮体积最小为另一优化目 标，并考虑国标对齿轮强度的要求以及其他约束条件，建立基于遗传算法的变速器斜齿轮 主参数噪声优化设计数学模型，对变速器斜齿轮的主要结构参数进行优化；最后，对优化前 后的参数进行强度、噪声等计算，对优化结果进行验证。
[0047] 作为优选，选择一汽混合动力客车变速器5BB080的四档圆柱斜齿轮作为实施例， 进行基于改进石川法的斜齿轮主参数噪声优化设计，假设变速器的输入轴齿轮副的参数已 经确定，四档齿轮副的原始参数如下表所示。
[0048] 表1斜齿轮原始参数
[0049]
[0050] CN 105138734 A IX m "ti 5/17 页
[0051] 为进行后面的计算，需要利用以上基本参数