文献综述-%ba于有限元分析的变速器齿轮优化设计

制造业信总彬李涵武尔滨150050)舭肼、竹V 1：啊一畸嵋咿叼_叶州_p：文中用有限元分析方法，在静态分析的基础上，以各齿轮的体积为目标函数，以齿轮结构尺寸和设计许用应力条件，建立了各齿轮的优化数学模型，采用制用于复杂结构的优化设计程序，实现了自动的优化设计过程。：变速器：齿轮：有限元；结构优化设计类号三Tt龇。；文献标识码：e，耐毒气亭章编号：10022333(2009)070073一哩。妇商础嗣晒曲幽黝of U I U(50050,y on of of as a8 aS to of by in a ey 档频繁，磨损严重，是汽车早期损坏的主要部件之一。研究它的静力学特性，对其进行优化设计，对节省材料，降低成本，缩短研发周期，提高变速器的性能寿命和工作效率，都是非常必要和重要的。本文针对这一问题，在静态特性分析的基础上，对汽车变速器齿轮进行了结构优化设计。1结构优化的基本概念优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量，面积，体积，应力，费用等)最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，如：尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的大小)、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。本设计的主要任务之一就是根据变速器齿轮的静力学分析结果对齿轮进行结构参数优化设计，使其在结构尺寸和许用应力满足的情况下体积最小。2齿轮变速器的结构及主要参数简介本文研究的变速器主要用于轻型卡车或专用车上，主要由3根轴组成，即第一轴、第二轴和中间轴，动力由第一轴的花键部分传入，第二轴输出。变速器的传动如图l，齿轮7与齿轮9为一体，与轴整体加工制造。其主要技术参数最大输入转距为3724Nm，有5个前进档、1个倒档，各档变速比为5591、2870、1607、l、0742、5045，根据汽车变速器的常规设计方法，利用上面参数经计算得到各个齿轮的参数，计算过程中所需的参数轴承的传动效率为O99，齿轮的传动效率096。本课题中齿轮的材料都采用铬锰合金钢20速器一档、倒档齿轮许用弯曲应力上限为850啮合和高档齿轮许用应力上限250度为7850kg性模量为2松比为03。3变速器齿轮的优化设计本文运用现完整的参数化建模、有限元分析、参数灵敏度分析和优化设计。3J 变速器齿轮优化设计数学模型的建立根据变速器齿轮的使用情况和相关技术的要求，本设计中选择体积为目标函数。在考虑约束条件时，除了考虑设计变量的上下限约束(侧面约束)外，还要考虑静态特性条件的约柬。这样，优化的数学模型可建立为：求x=6使体积V。(6)菇。且盯一盯在设计中根据齿轮模数的大小来选定齿宽：直齿b=k。齿宽系数，取为4580；斜齿6=矗m。，k。取为685。在上面的数学模型中，齿宽标函数机械工程师2009年第7期I 73万方数据制造业信总化是齿轮的体积儿，矿为材料的许用应力。根据齿轮实际结构，取设计变量与应力的约束条件为：直齿：18632，口850齿：24632，盯2502变速器齿轮的参数化模型建立与有限元分析由于各齿轮的建模、分析与优化方法类似，本文只介绍图1中的齿轮2的优化过程。建立齿轮2的数学模型后，在立齿轮的参数化模型如图2所示。然后采用自由网格形式划分齿轮，各齿轮用实体单元(行构造，生成了齿轮的有限元模型。图3为齿轮2网格划分后的参数化有限元模型。而后对齿轮的参数化有限元模型施加载荷求解，变速器齿轮的载荷按齿轮传递的转矩转化成力进行施加。经计算齿轮2所受的转矩5556Nm，齿轮2的法向力F,a=953856N。斜齿轮法向力向力齿轮安装孔表面上的节点进行零位移约束，不考虑齿轮的制造误差和安装误差，假设载荷沿啮合线是均匀的。通过用有限元分析软件到各齿轮有限元模型在外载荷下的节点应力云图和位移云图。齿轮2应力云图见图4，位移云图见图5。由图4可看出齿根处所受应力为整个齿轮受力最大处，与实际过程中齿轮的常见断齿处吻合。齿根以下受力很小，所以在齿轮结构设计过程中为了节省材料而制成腹板式是可行的。查询计算结果应力表可知第4210节点应力最大，其等效应力为89968三主应力是一10082号代表压应力，远小于许用应力250较大的优化余量。所以，对齿轮进行优化是很有必要的。由图5可以看出齿顶处的节点位移变化大，查询计算结果位移表可知第23节点的位移最大，是00076133此结果可知齿轮的变形非常小，刚度没有问题，在优化时不需要用变形作为约束。取并指定设74 态变量和目标函数，选择零阶方法对齿轮进行优化，经过6次迭代，求得齿轮2的优化结果，见图6。其初始设计方案和最优设计方案的比较如表轮2的优化结果表明，与原始设计方案相比，其体积减少了1966。该方案既满足设计变量的上下限值和应力衷1齿轮2的初始设计方案和最优设计方案的比较项目 下界上界初始方案最优方案4 32 30 24113盯250 10082 12639 85168的要求，又使齿轮的体积有较大的降低。4结语本文根据汽车变速器的结构与机械性能的要求，利用有限元法和优化设计理论。在静态分析的基础上，以各齿轮的体积作为目标函数，以结构尺寸和许用应力作为约束条件，建立了各齿轮的优化数学模型，采用制用于复杂结构的优化设计程序，实现了变速器齿轮的优化设计过程。优化结果与原设计方案相比。优化效果明显，这样的结构对变速器的轴系及轴的驱动系统的设计都有重要的指导作用。(参考文献】1李常义，卢耀辉，周继伟基于机械传动，2004。28(6)：252张悦刊，钟佩思。杨俊茹对直齿圆柱齿轮参数化设计及煤矿机械200627(4)：6283郭庆基于的渐开线斜齿轮三维参数化设计J机械研究及应用，2004，17：95964邢玮汽车减速器齿轮参数化建模与有限元分析n J长春：吉林大学，2006：51525杨汾爱，龙小乐鲍务均斜齿轮的精度建模及有限元分析J武汉大学学报(机电工程技术版)20023l(6)：7辑立明)作者简介：赵雨叻(1971一)女，剜教授，硕士。研究方向为车辆工程、汽车稿日期：2009赵雨旸， 鲁彬， 李涵武， 黑龙江工程学院,哈尔滨,150050刊名： 机械工程师英文刊名： (期)： 2009，(7)被引用次数： 0次参考文献(5条)于刊论文6)直齿圆柱齿轮参数化设计及刊论文006(04)于的渐开线斜齿轮三维参数化设计期刊论文车减速器齿轮参数化建模与有限元分析 齿轮的精度建模及有限元分析 2002(06)相似文献(10条)车变速器齿轮制造缺陷的声频特征提取 2(1)汽车变速器齿轮制造缺陷声频特征的提取,齿轮制造缺陷的噪声差谱,于汽车科技2009(5)针对汽车变速器齿轮参数选择复杂,校核计算过程繁琐的问题,在言相结合,廓、变位参数、传动比的分配、接触强度和弯曲强度校核等各项计算模块和常用设计参数数据库,通过对初始条件的设定,可方便地选取设计参数,进行结构参数计算,于机械工程师2009(11)变速器是汽车传动系统的重要零部件之一,变速器齿轮又是变速器的关键部分,其品质好坏直接形响着传动的质量,后通过接口传递数据,用有限元分析软件志权 汽车变速器齿轮啮合瞬态性能分析研究 2005汽车变速器是影响汽车各项性能的关键部件之一，作为其主要组成部分的齿轮传动系统工作性能的好坏将直接影响到汽车的各项性能指标。齿轮传动系统的工作情况极为复杂，相对于传统的齿轮设计分析方法和齿轮的有限元静态分析方法，齿轮副啮合动态性能分析能够得到更多的信息，比较全面的分析齿轮系统在啮合传动过程中的各项性能。在对国内外变速器齿轮传动系统动力学研究概况分析的基础上，本文针对某越野汽车变速器中五档斜齿轮副啮合系统，对其啮合过程的瞬态性能进行了分析。本文运用弹性接触有限元动态分析方法，在对齿轮副啮合传动模拟计算中关键的边界条件和载荷的施加以及齿轮间的接触的定义等问题探讨的基础上，建立了三维完整齿轮副啮合传动系统的有限元分析模型，并对该模型进行了瞬态模拟计算。由该动态模拟计算结果可以得到啮合齿轮副各处任意时刻的位移、速度和加速度信息，以及应力、应变信息，能够为研究齿轮副动态响应、啮合性能和承载能力等提供所需信息,使得对齿轮啮合瞬态性能的分析更加直接而全面。本文对模拟计算结果进行了详细的分析，得到了在齿轮副啮合过程中各瞬时时刻齿轮各处的应力分布和振动情况，以及随时间推移啮合齿轮各处应力和振动状态的变化情况；在此基础上，对沿轮齿齿宽和齿高方向的瞬时应力分布情况以及齿轮的动强度进行了较为详细的分析。应用上述完整齿轮副的三维接触有限元动态分析方法，分别对啮合齿轮副结构参数中的变位系数和螺旋角的改变以及齿轮修形对啮合瞬态性能的影响进行了分析，通过动态模拟计算，模拟结果清楚地显示了结构参数的变化引起的齿轮啮合瞬态性能的变化趋势以及精确修形后的齿轮啮合传动的瞬态性能得到了较大的改善，表明在齿轮设计时，该动态模拟分析方法对齿轮结构参数的选取以及齿轮修形有很好的指导作用。型汽车变速器的齿轮机械传动2008,32(5)5挡是3个轴的定轴传动,给出了相应的速器齿轮传递误差分析与优化 2)介绍了一种降低变速器啸叫的方法,现传递误差值偏大,形后齿面单位长度载荷从484 N/,i 大重合度汽车变速器齿轮的接触应力与噪声分析 )根据齿轮重合度计算公式提出了增加齿顶高系数和减小压力角的齿轮降噪设计方案,重合度齿轮不仅性能可靠,而且传动平稳、噪声更低,于四川兵工学报2006,27(6)变速器是汽车动力传递的重要部件,对汽车变速器传动系齿轮副进行了齿面接触区域的洪建 基于变速器齿轮系多目标可靠性优化设计 2010变速器是汽车传动系统的重要组成部分，它对汽车的动力性与经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有直接的影响。汽车变速器的齿轮是结构复杂的零部件，设计一个在一定使用期限内可靠工作的变速器，并且对各档齿轮参数进行优化，需要开展汽车变速器齿轮系多目标可靠性优化设计。传统的多目标优化方法在某些复杂的多目标优化问题中存在不足，因此渐渐地被一些优越的多目标遗传算法所替代。带精英策略的快速非支配排序遗传算法(可以得到分布均匀的非劣最优解，在多目标优化领域表现出很强的优势。本文介绍了遗传算法的基本概念和理论，论述了基本原理、算法流程与算法采用的基本策略。根据应力析了齿轮的可靠性计算理论，并以某微型车变速器为研究对象，在变速器结构已确定、传动比最佳的条件下，以可靠性为主要约束，以齿轮系总体积最小、中心距最小和总重合度最大为目标建立变速器齿轮系多目标可靠性优化的数学模型。基于以上理论，利用制出了法和汽车变速器齿轮系多目标可靠性优