CN104298814A - 一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其步骤如下：一：装配参数类型确定；二：敏感参数类型确定；三：敏感参数响应面分析；四：齿轮系统性能可靠度计算。本发明弥补了传统性能可靠度计算方法在对装配累积误差影响考虑不足的缺点，通过对齿轮系统模型建立坐标并进行模型偏移和旋转处理，使模型装配形式接近实际情况，实现了模型装配敏感参数在其误差范围内的连续变换；针对各组设计点的应力仿真由软件在在控制了其他仿真条件后自动进行，保证了条件的一致性同时也提高了计算效率；通过对响应面的分析确定齿轮系统不同装配下的安全因子分布，由此来确定性能可靠度，减少了仿真次数，提高了效率。
Description
技术领域
本发明提供一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，本计算方法主要考虑齿轮系统在多种装配参数误差累计影响下的性能可靠度。属于机械产品可靠度设计分析技术领域。
背景技术
产品的装配偏差在实际加工装配时必然存在，装配偏差是产品性能可靠度的一个重要的影响因素。目前，机械产品的性能可靠度计算，很少考虑由于装配偏差产生的影响。针对产品装配误差累积的性能可靠度计算方法也比较少。在齿轮性能可靠度计算方法的研究，还没有综合考虑齿轮中心距偏差和齿轮轴线平行度误差的性能可靠度计算方法。
发明内容
(1)目的：本发明的目的是提供一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，基于装配参数在各自公差范围所产生的误差积累，综合考虑装配参数之间的耦合关系，通过多次有限元仿真分析建立响应面及对响应面进行抽样，拟合基于材料屈服极限的安全因子分布，得到多参数综合作用下齿轮系统的性能可靠度。
(2)技术方案：
本发明是通过以下技术方案实现的，首先对齿轮系统进行分析，得出齿轮系统的具体结构尺寸信息，根据公差与配合使用手册，确定齿轮装配时存在偏差的参数类型，并确定参数的公差范围；其次，通过传统的应力分析确定齿轮系统受力薄弱位置，对齿轮系统处于极限公差装配的模型进行应力分析，通过敏感性分析确定敏感参数；针对敏感参数进行抽样仿真，形成安全因子的响应面，并对响应面进行抽样得到安全因子的分布，计算产品的性能可靠度。
本发明是一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其步骤如下：
步骤一：装配参数类型确定
对齿轮系统进行结构分析，测量得出齿轮系统的具体结构尺寸信息，根据公差与配合使用手册，计算确定齿轮装配时存在偏差的参数类型，并确定存在偏差参数的公差范围；
步骤二：敏感参数类型确定
对齿轮系统中存在的装配参数类型利用计算机仿真软件进行单偏差参数应力仿真分析，并分别与无偏差状态下的应力仿真分析结果进行比较，确定每种参数类型对齿轮系统影响的敏感程度。并对齿轮系统中存在的装配偏差类型利用计算机仿真软件进行组合双偏差参数应力仿真分析，并分别与无偏差状态下的应力仿真分析结果进行比较，确定参数类型组合对齿轮系统的影响；
综合以上结果将敏感程度高的参数类型作为齿轮系统的性能可靠度仿真的输入参数；
步骤三：敏感参数响应面分析
选择Latin Hypercube Sampling Design(LHS)超拉丁法为设计点抽样方法，设定抽取样本设计点的数量，利用计算机对各设计点进行自动应力仿真，得出齿轮系统模型在各组设计点所对应的装配偏差状态下的应力输出参数(主要为安全因子)；设置响应面类型，利用各组设计点的应力仿真结果生成响应面；
步骤四：齿轮系统性能可靠度计算
在所生成的响应面上，利用Latin Hypercube Sampling Design(LHS)超拉丁法进行样本点的抽样，得到样本点应力输出参数的分布，将满足产品设计要求的安全系数百分比，作为齿轮系统的性能可靠度计算结果。
其中，在步骤一中所述的“对齿轮系统进行分析，得出齿轮系统的具体结构尺寸信息”，其作法如下：
1)对齿轮系统的各组成齿轮进行基本尺寸的测量；
2)结合所得的尺寸测量数据，对齿轮系统的装配形式进行分析；
3)综合尺寸数据及装配形式确定齿轮系统的结构尺寸信息。
其中，在步骤二中所述的“计算机仿真软件”，是指ANSYS有限元分析软件。
其中，在步骤二中所述的“敏感参数类型确定”，主要包括四个步骤：
1)针对齿轮系统模型进行坐标系的建立，结合装配参数类型及坐标系对模型进行偏移旋转的设置；
2)施加分析条件，对无偏差齿轮系统模型进行应力仿真分析，提取出啮合区域齿根处的应力仿真结果；
3)对齿轮系统模型进行单个装配参数的修改，保持分析条件不变，对修改后的模型进行应力仿真分析，提取出啮合区域齿根处的应力仿真结果；
4)对齿轮系统装配参数两两组合后对模型进行装配参数进行的修改，保持分析条件不变，对修改后的模型进行应力仿真分析，提取出啮合区域齿根处的应力仿真结果。
其中，在步骤二中所述的“应力仿真分析”是指应用计算机仿真软件(ANSYS)对齿轮系统模型进行静力仿真，得到模型正常工作状态下的应力状态，并对所得结果进行分析。
其中，在步骤三中所述的“应力输出参数”是指通过对齿轮系统模型进行应力仿真模拟后得到的，齿轮啮合区域齿根处最大等效应力以及根据材料属性确定的齿轮安全因子。
其中，在步骤三中所述的“安全因子”指的是材料的屈服极限与计算所得的最大等效应力之比。
其中，在步骤四中所述的“性能可靠度”是指在允许装配误差范围内齿轮系统实际的安全因子在设计安全系数范围内的百分比。
(3)优点及功效：本发明提供一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，具有以下优点：
1)本发明基于装配参数在各自公差范围所产生的误差累积，综合考虑装配参数之间的耦合关系，弥补了传统性能可靠度计算方法在对装配累积误差影响考虑不足的缺点。
2)本发明通过对齿轮系统模型建立坐标并进行模型偏移和旋转处理，使模型装配形式接近实际情况，实现了模型装配敏感参数在其误差范围内的连续变换；
3)本发明针对参数所在的公差范围及分布情况选择的样本点抽取方法，所得的样本点能反映出参数分布类型的真实情况，各组样本设计点更为合理。
4)本发明针对各组设计点的应力仿真由软件在在控制了其他仿真条件后自动进行，保证了条件的一致性同时也提高了计算效率；
5)本发明通过对响应面的分析确定齿轮系统不同装配下的安全因子分布，由此来确定性能可靠度，减少了仿真次数，提高了效率。
附图说明
图1为本发明所述方法流程框图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明做进一步的详及细说明。
本发明是一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，见图1所示，该方法具体步骤如下：
步骤一：装配参数类型确定
对齿轮系统进行分析，得出齿轮系统的具体结构尺寸信息，根据公差与配合使用手册，确定齿轮装配时存在偏差的参数类型，并确定参数的公差范围。
根据齿轮对的实物及互换性的分析，一对齿轮的装配偏差参数包括齿轮中心距偏差及齿轮轴线平行度误差。结合齿轮系统结构尺寸和装配尺寸，查找互换性手册后易得出：齿轮对的中心距极限偏差为0.02mm，齿轮轴线平行度为：轴线平行度△Y公差为0.027mm，轴线平行度△X公差为0.054mm。利用反三角函数，将齿轮轴线平行度公差转化为角度。齿轮中心距偏差，齿轮轴线平行度误差分别对应参数fa，fy，fx。具体参数情况如下表1所示：
表1输入参数列表
步骤二：敏感参数类型确定
对齿轮系统中存在的装配参数类型进行单因素仿真分析，并分别与无偏差状态下的应力仿真分析结果进行比较，确定每种参数类型对齿轮系统影响的敏感程度。并对齿轮系统中存在的装配偏差类型进行组合双因素仿真分析，并分别与无偏差状态下的应力仿真分析结果进行比较，确定参数类型组合对齿轮系统的影响。综合以上结果将敏感程度高的参数类型作为齿轮系统的性能可靠度仿真的输入参数。
利用步骤一种中的结果，以齿轮A的中心为坐标原点，以由齿轮A中心指向齿轮B的中心为H方向，以齿轮轴的轴线方向为Z方向，第三方向为V。以建立的坐标轴为基础，将沿H轴负方向偏移距离设为fa，单位mm；将绕H的旋转角度设为fy，单位为°；将绕V的旋转角度设为fx，单位为°。以fa，fy，fx均为0时的模型为齿轮的标准(无偏差)装配模型。
首先对无偏差装配模型利用Ansys进行静力仿真，得出应力分析结果。在仿真过程中，将两齿轮啮合区域设置为摩擦接触，对齿轮分别添加旋转副；将啮合部分齿面的网格进行细化；在齿轮A上添加700N·M，在齿轮B上施加固定约束，将齿根处屈服极限设为1200MPa用以计算安全因子。
分别对fa，fy，fx三个参数进行单独修改，实现模型以不同的单个装配偏差的装配，保持上述应力分析条件不变，分别对修改后模型进行静力仿真，针对每个参数变化，共得出六组应力参数结果。将六组参数结果依次与无偏差装配模型应力参数结果进行比较。经比较得出模型在三个参数变换后，静力仿真后所得应力分析结果均有较大的改变，因此确定此三个参数为影响齿轮性能可靠度的敏感参数。
将三个参数fa，fy，fx两两组合并进行修改，实现模型以不同的组合装配偏差的装配，保持上述应力分析条件不变，分别对修改后模型进行静力仿真，针对每组组合参数的变化，共得出六组应力参数结果。将六组参数结果依次与无偏差装配模型应力分析结果进行比较。经比较得出模型在三个参数进行两两组合变换后，静力仿真后所得应力参数结果仍有较大的改变，因此确定此三个参数对齿轮对性能可靠度的影响并未彼此抵消。具体结果如下表2所示：
表2仿真应力汇总
步骤三：敏感参数响应面分析
选择Latin Hypercube Sampling Design(LHS)超拉丁法为设计点抽样方法，设定抽取样本设计点的数量，利用计算机对各设计点进行自动应力仿真，得出齿轮系统模型在各组设计点所对应的装配偏差状态下的应力输出参数(主要为安全因子)。设置响应面类型，利用各组设计点的应力仿真结果生成响应面。
在参数的分布范围内利用超拉丁法进行30次随机样本的抽取，，然后利用Ansys进行样本自动应力仿真，得出30组样本的啮合区域齿根处和齿面处最大等效应力及对应安全因子。利用样本的应力仿真结果，将响应面类型设置为Kriging，进行响应面生成。
步骤四：性能可靠度计算
选择Latin Hypercube Sampling Design(LHS)超拉丁法为设计点抽样方法，设定抽取样本设计点的数量，利用计算机对各设计点进行自动应力仿真，得出模型在各组设计点所对应的装配偏差状态下的应力输出参数。设置响应面类型，利用各组设计点的应力仿真结果生成响应面。
利用超拉丁法，针对生成的响应面进行10000次样本点的抽取。针对样本点的抽取结果，对样本点的应力分布进行分析。在齿根处的样本最大等效应力分布中输入应力极限1200MPa，可得样本的应力均在应力极限之内；在安全因子的分布中输入安全系数1.5，在安全系数范围内的百分比(性能可靠度)为96.1％。
Claims (8)
1.一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：其步骤如下：
步骤一：装配参数类型确定
对齿轮系统进行结构分析，测量得出齿轮系统的具体结构尺寸信息，根据公差与配合使用手册，计算确定齿轮装配时存在偏差的参数类型，并确定存在偏差参数的公差范围；
步骤二：敏感参数类型确定
对齿轮系统中存在的装配参数类型利用计算机仿真软件进行单偏差参数应力仿真分析，并分别与无偏差状态下的应力仿真分析结果进行比较，确定每种参数类型对齿轮系统影响的敏感程度；并对齿轮系统中存在的装配偏差类型利用计算机仿真软件进行组合双偏差参数应力仿真分析，并分别与无偏差状态下的应力仿真分析结果进行比较，确定参数类型组合对齿轮系统的影响；
综合以上结果将敏感程度高的参数类型作为齿轮系统的性能可靠度仿真的输入参数；
步骤三：敏感参数响应面分析
选择Latin Hypercube Sampling Design即LHS超拉丁法为设计点抽样方法，设定抽取样本设计点的数量，利用计算机对各设计点进行自动应力仿真，得出齿轮系统模型在各组设计点所对应的装配偏差状态下的应力输出参数，即为安全因子；设置响应面类型，利用各组设计点的应力仿真结果生成响应面；
步骤四：齿轮系统性能可靠度计算
在所生成的响应面上，利用Latin Hypercube Sampling Design即LHS超拉丁法进行样本点的抽样，得到样本点应力输出参数的分布，将满足产品设计要求的安全系数百分比，作为齿轮系统的性能可靠度计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤一中所述的“对齿轮系统进行分析，得出齿轮系统的具体结构尺寸信息”，其作法如下：
1)对齿轮系统的各组成齿轮进行基本尺寸的测量；
2)结合所得的尺寸测量数据，对齿轮系统的装配形式进行分析；
3)综合尺寸数据及装配形式确定齿轮系统的结构尺寸信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤二中所述的“计算机仿真软件”，是指ANSYS有限元分析软件。
4.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤二中所述的“敏感参数类型确定”，包括四个步骤：
1)针对齿轮系统模型进行坐标系的建立，结合装配参数类型及坐标系对模型进行偏移旋转的设置；
2)施加分析条件，对无偏差齿轮系统模型进行应力仿真分析，提取出啮合区域齿根处的应力仿真结果；
3)对齿轮系统模型进行单个装配参数的修改，保持分析条件不变，对修改后的模型进行应力仿真分析，提取出啮合区域齿根处的应力仿真结果；
4)对齿轮系统装配参数两两组合后对模型进行装配参数进行的修改，保持分析条件不变，对修改后的模型进行应力仿真分析，提取出啮合区域齿根处的应力仿真结果。
5.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤二中所述的“应力仿真分析”，是指应用计算机仿真软件即ANSYS对齿轮系统模型进行静力仿真，得到模型正常工作状态下的应力状态，并对所得结果进行分析。
6.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤三中所述的“应力输出参数”，是指通过对齿轮系统模型进行应力仿真模拟后得到的，齿轮啮合区域齿根处最大等效应力以及根据材料属性确定的齿轮安全因子。
7.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤三中所述的“安全因子”，指的是材料的屈服极限与计算所得的最大等效应力之比。
8.根据权利要求1所述的一种基于参数误差累积的齿轮系统性能可靠度计算方法，其特于征在：在步骤四中所述的“性能可靠度”，是指在允许装配误差范围内齿轮系统实际的安全因子在设计安全系数范围内的百分比。
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