CN104408239A - 一种基于精准约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法及cad优化设计系统 - Google Patents

一种基于精准约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法及cad优化设计系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于精准约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法及CAD优化设计系统，属于优化设计方法及CAD优化设计系统领域。本发明的目的是克服现有齿轮优化方法中将各关键系数作为常量处理的弊端，从而有效地提高优化结果的准确性。一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法，包括如下步骤：原始参数输入、计算配置保存、关键系数计算、重新构造齿面接触强度约束条件、重新构造齿根弯曲强度约束条件、优化迭代；一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，包括如下模块：原始参数输入模块、计算配置保存模块、关键系数计算模块、齿面接触强度约束条件重构模块、齿根弯曲强度约束条件重构模块、优化迭代模块。

Description

一种基于精准约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法及CAD优化设计系统
技术领域
本发明涉及一种优化设计方法及一种CAD优化设计系统领域；尤其是一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法及CAD优化设计系统。
背景技术
作为各种传动系统的核心部件，圆柱齿轮传动在工程机械领域中的用途十分广泛。圆柱齿轮传动在设计过程中，为保证必要的强度和足够高的安全系数，通常会造成齿数、模数、齿宽等参数的冗余，这使得按照传统方法设计出来的齿轮，体积和重量都比较大。因此，有必要对齿轮进行结构优化设计。但齿轮优化问题涉及到齿轮的强度约束条件的计算，在精确计算齿轮强度所需要的各关键系数时，需要根据国标查取大量的图表、曲线，导致计算的工作量非常大，因此现有方法在进行齿轮优化问题时，均将强度约束条件中的关键系数作为常量处理，或进行一定程度的简化和近似，导致了优化结果不彻底和不准确。
发明内容
本发明的目的就是根据现有圆柱齿轮转动优化设计不彻底和不准确的不足，提出了一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法及CAD优化设计系统，可根据给定的工况条件以及不同的初始设计参数，在每次优化迭代的过程中，实时、精确地计算齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度中的各关键系数，并重新精确构造约束条件，以便进行下一次迭代。从而在优化迭代完成后，得到优化更加彻底的圆柱齿轮传动优化设计参数。
本发明采用如下技术方案：
一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法，包括：
步骤1：原始参数输入，根据工况要求，输入圆柱齿轮副的齿形参数、工况参数及材料参数，其中齿形参数包括齿数、模数、齿宽、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数；工况参数包括输入转矩、输入功率、使用系数等；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限；
步骤2：计算配置保存步骤，对步骤1中输入的参数，按照齿形参数、工况参数、材料参数的类别分别保存至参数文件，以供后续步骤调用；
步骤3：关键系数计算，读取步骤2中的参数文件，计算并更新齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件中所需要的关键系数，这些系数包括修正载荷系数、修正计算应力系数、修正许用应力系数；
步骤4：重新构造齿面接触强度约束条件，使用步骤3中计算的关键系数，生成齿面接触强度配置文件，重新构造齿面接触强度约束条件；生成齿根弯曲强度配置文件，重新构造齿根弯曲强度约束条件；
步骤5：优化迭代循环，生成新的优化结果。如果达到收敛条件，则迭代终止，生成最终的圆柱齿轮传动优化设计方案；如果没有达到收敛条件，则重复执行上述步骤中的步骤3、步骤4及优化迭代步骤，直到达到收敛条件，迭代终止。
一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，基于Visual C++2005和MATLAB开发，包括原始参数输入模块、计算配置保存模块、关键系数计算模块、齿面接触强度约束条件重构模块、齿根弯曲强度约束条件重构模块、优化迭代模块，所述原始参数输入模块的输出作为计算配置保存模块的输入，所述计算配置保存模块的输出作为关键系数计算模块的输入，所述关键系数计算模块的输出作为齿面接触强度约束条件重构模块与齿根弯曲强度约束条件重构模块的输入，齿面接触强度约束条件重构模块与齿根弯曲强度约束条件重构模块的输出作为优化迭代模块的输入。
优选地，所述原始参数输入模块，用于设计人员根据工况要求，输入圆柱齿轮副的齿形参数、工况参数及材料参数，其中齿形参数包括齿数、模数、齿宽、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数；工况参数包括输入转矩、输入功率、使用系数；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限。
优选地，所述计算配置保存模块，对参数输入模块中的各类参数进行保存，以供后续步骤调用。
优选地，所述关键系数计算模块，用于调用计算配置保存模块中保存的参数文件，计算并更新涉及齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件中的修正载荷系数、修正计算应力系数、修正许用应力系数。
优选地，所述齿面接触强度约束条件重构模块，用于调用关键系数计算模块中计算的关键系数，生成齿面接触强度配置文件，重新构造齿面接触强度约束条件。
优选地，所述齿根弯曲强度约束条件重构模块，用于调用关键系数计算模块中计算的关键系数，生成齿根弯曲强度配置文件，重新构造齿根弯曲强度约束条件。
优选地，所述优化迭代模块，用于判断每次的迭代计算过程是否符合要求。如果不符合要求，则重新计算各关键系数，并重构齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件，进行迭代优化；如果满足要求，则形成最终的圆柱齿轮传动优化设计结果。
本发明具有以下有益效果：本发明可以根据给定工况和设计要求下不同的初始设计参数，以最小总体积或最小中心距为优化目标，在优化迭代过程中实时更新涉及齿面接触强度和齿根弯曲强度约束条件中的各关键系数，克服了现有技术中将各关键系数一直视为常量处理的缺点，因而可以对圆柱齿轮传动进行更彻底的优化设计，所得到的优化结果比现有的优化方法得到的优化结果更加准确，更加彻底，设计效率也大大提高。
附图说明
图1为一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统的结构框图。
其中，1为原始参数输入模块，2为计算配置保存模块，3为关键系数计算模块，4为齿面接触强度约束条件重构模块，5为齿根弯曲强度约束条件重构模块，6为优化迭代模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法，包括：
步骤1：原始参数输入，根据工况要求，输入圆柱齿轮副的齿形参数、工况参数及材料参数，其中齿形参数包括齿数、模数、齿宽、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数；工况参数包括输入转矩、输入功率、使用系数等；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限；
步骤2：计算配置保存步骤，对步骤1中输入的参数，按照齿形参数、工况参数、材料参数的类别分别保存至参数文件，以供后续步骤调用；
步骤3：关键系数计算，读取步骤2中的参数文件，计算并更新齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件中所需要的关键系数，这些系数包括修正载荷系数、修正计算应力系数、修正许用应力系数；
步骤4：重新构造齿面接触强度约束条件，使用步骤3中计算的关键系数，生成齿面接触强度配置文件，重新构造齿面接触强度约束条件；生成齿根弯曲强度配置文件，重新构造齿根弯曲强度约束条件；
步骤5：优化迭代循环，生成新的优化结果。如果达到收敛条件，则迭代终止，生成最终的圆柱齿轮传动优化设计方案；如果没有达到收敛条件，则重复执行上述步骤中的步骤3、步骤4及优化迭代步骤，直到达到收敛条件，迭代终止。
如图1所示，一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，基于Visual C++2005和MATLAB开发，包括原始参数输入模块1、计算配置保存模块2、关键系数计算模块3、齿面接触强度约束条件重构模块4、齿根弯曲强度约束条件重构模块5、优化迭代模块6，所述原始参数输入模块1的输出作为计算配置保存模块2的输入，所述计算配置保存模块2的输出作为关键系数计算模块3的输入，所述关键系数计算模块3的输出作为齿面接触强度约束条件重构模块4与齿根弯曲强度约束条件重构模块5的输入，齿面接触强度约束条件重构模块4与齿根弯曲强度约束条件重构模块5的输出作为优化迭代模块6的输入。
所述原始参数输入模块1，用于设计人员根据工况要求，输入圆柱齿轮副的齿形参数、工况参数及材料参数，其中齿形参数包括齿数、模数、齿宽、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数；工况参数包括输入转矩、输入功率、使用系数；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限。
所述计算配置保存模块2，对参数输入模块中的各类参数进行保存，以供后续步骤调用。
所述关键系数计算模块3，用于调用计算配置保存模块2中保存的参数文件，计算并更新涉及齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件中的修正载荷系数、修正计算应力系数、修正许用应力系数。
所述齿面接触强度约束条件重构模块4，用于调用关键系数计算模块3中计算的关键系数，生成齿面接触强度配置文件，重新构造齿面接触强度约束条件。
所述齿根弯曲强度约束条件重构模块5，用于调用关键系数计算模块3中计算的关键系数，生成齿根弯曲强度配置文件，重新构造齿根弯曲强度约束条件。
所述优化迭代模块，用于判断每次的迭代计算过程是否符合要求。如果不符合要求，则重新计算各关键系数，并重构齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件，进行迭代优化；如果满足要求，则形成最终的圆柱齿轮传动优化设计结果。实现优化迭代过程中，齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件各关键系数的自动实时更新，并精确构造约束条件进行下一次迭代优化。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动优化设计方法，其特征在于，包括：
步骤1：原始参数输入，根据工况要求，输入圆柱齿轮副的齿形参数、工况参数及材料参数，其中齿形参数包括齿数、模数、齿宽、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数；工况参数包括输入转矩、输入功率、使用系数等；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限；
步骤2：计算配置保存步骤，对步骤1中输入的参数，按照齿形参数、工况参数、材料参数的类别分别保存至参数文件，以供后续步骤调用；
步骤3：关键系数计算，读取步骤2中的参数文件，计算并更新齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件中所需要的关键系数，这些系数包括修正载荷系数、修正计算应力系数、修正许用应力系数；
步骤4：重新构造齿面接触强度约束条件，使用步骤3中计算的关键系数，生成齿面接触强度配置文件，重新构造齿面接触强度约束条件；生成齿根弯曲强度配置文件，重新构造齿根弯曲强度约束条件；
步骤5：优化迭代循环，生成新的优化结果。如果达到收敛条件，则迭代终止，生成最终的圆柱齿轮传动优化设计方案；如果没有达到收敛条件，则重复执行上述步骤中的步骤3、步骤4及优化迭代步骤，直到达到收敛条件，迭代终止。
2.一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，包括原始参数输入模块、计算配置保存模块、关键系数计算模块、齿面接触强度约束条件重构模块、齿根弯曲强度约束条件重构模块、优化迭代模块，所述原始参数输入模块的输出作为计算配置保存模块的输入，所述计算配置保存模块的输出作为关键系数计算模块的输入，所述关键系数计算模块的输出作为齿面接触强度约束条件重构模块与齿根弯曲强度约束条件重构模块的输入，齿面接触强度约束条件重构模块与齿根弯曲强度约束条件重构模块的输出作为优化迭代模块的输入。
3.如权利要求2所述的一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，所述原始参数输入模块，用于设计人员根据工况要求，输入圆柱齿轮副的齿形参数、工况参数及材料参数，其中齿形参数包括齿数、模数、齿宽、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数；工况参数包括输入转矩、输入功率、使用系数；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限。
4.如权利要求2所述的一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，所述计算配置保存模块，对参数输入模块中的各类参数进行保存，以供后续步骤调用。
5.如权利要求2所述的一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，所述关键系数计算模块，用于调用计算配置保存模块中保存的参数文件，计算并更新涉及齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件中的修正载荷系数、修正计算应力系数、修正许用应力系数。
6.如权利要求2所述的一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，所述齿面接触强度约束条件重构模块，用于调用关键系数计算模块中计算的关键系数，生成齿面接触强度配置文件，重新构造齿面接触强度约束条件。
7.如权利要求2所述的一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，所述齿根弯曲强度约束条件重构模块，用于调用关键系数计算模块中计算的关键系数，生成齿根弯曲强度配置文件，重新构造齿根弯曲强度约束条件。
8.如权利要求2所述的一种基于精确约束条件的圆柱齿轮传动CAD优化设计系统，其特征在于，所述优化迭代模块，用于判断每次的迭代计算过程是否符合要求。如果不符合要求，则重新计算各关键系数，并重构齿面接触强度约束条件和齿根弯曲强度约束条件，进行迭代优化；如果满足要求，则形成最终的圆柱齿轮传动优化设计结果。
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