CN110259920A - 传动系统设计系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了传动系统设计系统及方法，涉及机械设计技术领域，面向直升机传动系统概念设计阶段，根据直升机总体设计要求，进行传动系统传动级数、传动形式的确定，建立直升机传动系统拓扑结构模型，在此基础上，进行传动系统传动比的分配，并根据分配结果进行传动系统零部件基本参数和结构参数的设计，接着进行齿轮、轴转动惯量和扭转刚度的计算、齿轮副啮合刚度的计算、齿轮强度的计算、轴的弯扭强度计算以及系统动力学计算，用来评估所建立的传动系统模型是否满足性能要求。通过本发明提出的传动系统设计系统及方法，可以实现多输入多输出直升机传动系统的快速设计和评估，提高企业的研发效率、缩短研发周期，提升直升机传动系统的设计能力。
Description
技术领域
本发明涉及机械设计技术领域，特别是涉及传动系统设计系统及方法。
背景技术
直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，具有固定翼飞机和其它飞行器所没有的飞行特点，广泛地应用于军事运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。传动系统作为直升机的三大关键动部件之一，其性能好坏将直接影响直升机的性能和可靠性。
国外各直升机公司极为重视传动系统的技术发展和创新研究，美国等西方国家提出“直升机性能在很大程度上取决于传动系统的性能”。实践表明，传动系统研制周期长、技术难度大，而且其性能优劣将直接影响直升机研制的成败和性能水平。尽管近些年国内传动系统已有较大发展，但水平与国外相距较远，传动系统型号研制的数量还很少，积累的经验还比较少，许多材料、技术标准规范及其他技术产品还处于摸索阶段，迫使我国必须加大直升机传动系统研制创新力度。
经过数十年的发展，计算机辅助设计软件已经在市场上取得了巨大的应用，但是目前的设计软件在面向直升机传动系统设计时仍存在严重的不足，主要表现在：设计人员只能依靠仿制或基于设计软件功能进行模型设计，缺乏创新设计和模型评估；只面向产品的造型绘图和详细设计阶段，不支持概念设计。
发明内容
本发明实施例提供了传动系统设计系统及方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了传动系统设计系统，该系统包括传动链设计模块、基本参数设计模块、结构设计模块和性能评估模块，所述传动链设计模块包括：
传动链建模模块，用于定义各组件的输入输出接口，并根据总体输入要求进行传动系统的拖拽式建模；
功率传递路径分析模块，用于确定从发动机到旋翼的功率传递路径，确定的传递路径包含传动级数和传动形式；
传动比分配模块，用于在确定功率传递路径后根据发动机的输入转速和旋翼输出转速计算得到主减速传动比，然后进行各级传动的传动比分配，得到各级传动的传动比；
所述基本参数设计模块包括：
传动系统骨架设计模块，用于根据得到的传动比进行静力学计算，得到各级传动的传动功率和扭矩，然后根据总体设计要求确定整个传动系统的整体框架约束，依据该整体框架约束设计出传动系统骨架模型；
齿轮系设计模块，用于根据计算得到的各级传动形式和扭矩、转速、功率，进行齿轮系的基本参数的计算；
轴参数计算模块，用于根据各级传动功率和扭矩进行轴的参数计算；
联轴器离合器选型模块，用于建立联轴器和离合器型号库，根据离合器和联轴器的输入功率和输入扭矩在型号库中选型；
所述结构设计模块包括：
传动功能单元布局设计模块，用于根据传动系统骨架模型和齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承的基本参数进行零部件空间布局的设计，确定各齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在传动系统骨架模型上的安装位置和装配位置；
轴设计模块，用于设计轴的结构形式，确定轴的段数和轴各段的内外径；
齿轮设计模块，用于在确定传动功能单元布局后进行齿轮详细结构设计；
所述性能评估模块包括：
方案评估模块，用于对所设计的包括齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在内的传动系统进行总体方案的评估，综合传动系统的各指标进行传动系统的总体分析，得到较优或最优的传动系统设计方案。
本发明还提供了传动系统设计方法，包括以下步骤：
定义各组件的输入输出接口，并根据总体输入要求进行传动系统的拖拽式建模；
确定从发动机到旋翼的功率传递路径，确定的传递路径包含传动级数和传动形式；
在确定功率传递路径后根据发动机的输入转速和旋翼输出转速计算得到主减速传动比，然后进行各级传动的传动比分配，得到各级传动的传动比；
根据得到的传动比进行静力学计算，得到各级传动的传动功率和扭矩，然后根据总体设计要求确定整个传动系统的整体框架约束，依据该整体框架约束设计出传动系统骨架模型；
根据计算得到的各级传动形式和扭矩、转速、功率，进行齿轮系的基本参数的计算；
根据各级传动功率和扭矩进行轴的参数计算；
建立联轴器和离合器型号库，根据离合器和联轴器的输入功率和输入扭矩在型号库中选型；
根据传动系统骨架模型和齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承的基本参数进行零部件空间布局的设计，确定各齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在传动系统骨架模型上的安装位置和装配位置；
设计轴的结构形式，确定轴的段数和轴各段的内外径；
在确定传动功能单元布局后进行齿轮详细结构设计；
对所设计的包括齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在内的传动系统进行总体方案的评估，综合传动系统的各指标进行传动系统的总体分析，得到较优或最优的传动系统设计方案。
本发明中的传动系统设计系统及方法，有益效果在于：设计人员可以根据本发明提出的传动系统设计系统和方法进行传动系统的快速设计和建模，包括传动级数确定、传动形式的确定、传动比的确定、传动功率/扭矩的确定，并通过构建的传动链模型进行齿轮、轴等关键零部件的设计和评估，在CATIA中进行结构的详细设计，同时对所设计的多个传动方案进行总体方案评估，得到满足总体设计要求传动系统设计方案，做到了传动系统设计从无到有的一体化设计和评估，形成了完整的传动系统研发体系。通过使用根据本发明的快速设计和评估系统，突破直升机传动系统概念方案设计瓶颈，缩短直升机传动系统研制周期，提升直升机传动系统总体方案设计能力，为构建我国直升机传动系统自主创新设计体系奠定基础。企业可以缩短研发周期10％～50％，节省经费20％～40％，提高研发效率10％～50％，提高产品质量设计20％～60％，使得知识重用率可以提高30％～80％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的传动系统设计系统的功能模块图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了传动系统设计系统，该系统包括传动链设计模块、基本参数设计模块、结构设计模块和性能评估模块，所述传动链设计模块包括传动链建模模块、功率传递路径分析模块和传动比分配模块，所述基本参数设计模块包括传动系统骨架设计模块、齿轮系设计模块、轴参数计算模块和联轴器离合器选型模块，所述结构设计模块包括传动功能单元布局设计模块、轴设计模块和齿轮设计模块，所述性能评估模块包括强度计算模块和方案评估模块。下面详细介绍每个模块的功能：
传动链建模模块用于定义各组件的输入输出接口，并根据总体输入要求进行传动系统的拖拽式建模，完成传动系统建模后定义各组件的连接关系，确定传动级数和传动形式；上述的组件由对常用的传动零部件进行组件化定义得到，得到的组件包括圆柱齿轮、锥齿轮、行星轮系、轴承、联轴器、离合器、发动机、主旋翼和尾桨。
功率传递路径分析模块用于确定从发动机到旋翼的功率传递路径，确定的传递路径包含传动级数和传动形式，本发明中确定的主要传动形式为齿轮传动。
传动比分配模块用于在确定功率传递路径后根据发动机的输入转速和旋翼输出转速计算得到主减速传动比，然后调用传动比分配程序进行各级传动的传动比分配，得到各级传动的传动比，各传动比的乘积等于总传动比。
传动系统骨架设计模块用于根据得到的传动比进行静力学计算，得到各级传动的输入功率、输入转速和输入扭矩，作为齿轮、轴、轴承、联轴器、离合器设计和选型的依据，然后根据总体设计要求，包括主桨毂中心、中减中心、尾减中心、发动机输出点、主旋翼轴倾角、主减安装面，确定整个传动系统的整体框架约束，要求所设计的传动系统骨架模型不能超出整体框架约束，根据该整体框架约束设计出传动系统骨架模型。整体框架约束包括发动机的输入点坐标及轴线仰角、主桨毂中心、主减中心、尾减中心、主旋翼倾角等，各级传动的输入功率、输入转速和输入扭矩的计算公式为：T＝9550P/n，其中n为输入转速，T为输入扭矩，P为输入功率。
齿轮系设计模块用于根据计算得到的各级传动形式和扭矩、转速、功率，进行齿轮系，包括圆柱齿轮、锥齿轮和行星轮系齿轮的基本参数的计算，包括齿数、模数、压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、轴交角和齿宽。设计计算标准参照ISO和AGMA。
轴参数计算模块用于根据得到的各级传动功率和扭矩进行轴的直径计算。联轴器离合器选型模块用于建立联轴器和离合器型号库，根据离合器和联轴器的输入功率和输入扭矩进行离合器和联轴器的选型。
传动功能单元布局设计模块用于根据传动系统骨架模型和齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承的基本参数进行零部件空间布局的设计，确定各齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在传动系统骨架模型上的安装位置和装配位置。
轴设计模块用于设计轴的结构形式，确定轴的段数和轴各段的内外径。轴的描述形式采用如下形式描述：包括轴段距左端偏移量、轴段长度、左端外径、右端外径、左端内径和右端内径。
齿轮设计模块用于在确定传动功能单元布局之后，进行齿轮详细结构设计，具体为在CATIA中设计齿轮的轮缘、腹板形式。
强度计算模块用于在齿轮的基本尺寸和结构尺寸设计完成后，对齿轮进行齿面接触强度、齿根弯曲强度和齿面抗胶合能力的评估，得到齿面接触应力、齿根弯曲应力和积分温度，并同材料的许用应力进行对比，判断齿轮性能是否满足要求，判断标准主要基于AGMA和ISO标准。强度计算模块还用于进行轴的弯扭强度评估和判断，判断轴的危险截面。
方案评估模块用于在完成对齿轮和轴的强度评估后，对所设计的传动系统进行总体方案的评估，综合传动系统的各指标，包括重量、强度、动力学性能进行传动系统的总体分析，得到较优或最优的传动系统设计方案。
采用本发明的传动系统设计系统可以实现传动系统方案设计阶段的快速设计，目前的CAD工具主要集中在产品的详细设计，缺乏有效的方案设计手段，本发明解决了传动系统方案快速设计问题，并针对设计的传动方案进行评价，作为下一步详细设计的依据。
基于相同的发明构思，本发明还提供了传动系统设计方法，该方法的实施可参照上述系统的实施，重复之处不再赘述。
特别地，在本发明的设计方法在各个设计阶段对所设计传动系统进行评估，若不满足设计要求，可在设计的各个阶段返回到指定模块进行重新设计。具体包括：
若结构设计阶段中齿轮、轴结构尺寸不满足空间几何条件，则返回传动链设计阶段进行传动链设计和传动比分配，或者返回基本参数设计阶段调整齿数、模型、压力角、轴径等参数使所设计的齿轮和轴结构尺寸满足空间几何条件要求；
若传动系统性能不满足要求，则返回结构设计阶段进行布局设计参数、结构方案的调整，或者返回传动链设计阶段和基本参数设计阶段进行传动链调整和齿轮、轴基本参数的调整。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.传动系统设计系统，其特征在于，该系统包括传动链设计模块、基本参数设计模块、结构设计模块和性能评估模块，所述传动链设计模块包括：
传动链建模模块，用于定义各组件的输入输出接口，并根据总体输入要求进行传动系统的拖拽式建模；
功率传递路径分析模块，用于确定从发动机到旋翼的功率传递路径，确定的传递路径包含传动级数和传动形式；
传动比分配模块，用于在确定功率传递路径后根据发动机的输入转速和旋翼输出转速计算得到主减速传动比，然后进行各级传动的传动比分配，得到各级传动的传动比；
所述基本参数设计模块包括：
传动系统骨架设计模块，用于根据得到的传动比进行静力学计算，得到各级传动的传动功率和扭矩，然后根据总体设计要求确定整个传动系统的整体框架约束，依据该整体框架约束设计出传动系统骨架模型；
齿轮系设计模块，用于根据计算得到的各级传动形式和扭矩、转速、功率，进行齿轮系的基本参数的计算；
轴参数计算模块，用于根据各级传动功率和扭矩进行轴的参数计算；
联轴器离合器选型模块，用于建立联轴器和离合器型号库，根据离合器和联轴器的输入功率和输入扭矩在型号库中选型；
所述结构设计模块包括：
传动功能单元布局设计模块，用于根据传动系统骨架模型和齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承的基本参数进行零部件空间布局的设计，确定各齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在传动系统骨架模型上的安装位置和装配位置；
轴设计模块，用于设计轴的结构形式，确定轴的段数和轴各段的内外径；
齿轮设计模块，用于在确定传动功能单元布局后进行齿轮详细结构设计；
所述性能评估模块包括：
方案评估模块，用于对所设计的包括齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在内的传动系统进行总体方案的评估，综合传动系统的各指标进行传动系统的总体分析，得到较优或最优的传动系统设计方案。
2.如权利要求1所述的传动系统设计系统，其特征在于，所述性能评估模块还包括强度计算模块，用于在齿轮和轴的设计完成后，对齿轮进行齿面接触强度、齿根弯曲强度和齿面抗胶合能力的评估，判断齿轮性能是否满足要求，同时对轴的弯扭强度进行评估和判断，在所述强度计算模块完成性能评估判断后，由所述方案评估模块进行颤动系统的整体方案评估。
3.如权利要求2所述的传动系统设计系统，其特征在于，所述强度计算模块对齿轮进行齿面接触强度、齿根弯曲强度和齿面抗胶合能力进行评估后，得到齿面接触应力和齿根弯曲应力，将这些应力和材料的许用应力进行对比，以判断齿轮性能是否满足要求，判断时依据AGMA和ISO标准。
4.如权利要求1所述的传动系统设计系统，其特征在于，所述组件由对常用的传动零部件进行组件化定义得到，得到的组件包括圆柱齿轮、锥齿轮、行星轮系、轴承、联轴器、离合器、发动机、主旋翼和尾桨。
5.如权利要求1所述的传动系统设计系统，其特征在于，设计所述传动系统骨架模型时要求所设计的传动系统骨架模型不能超出整体框架约束。
6.如权利要求1所述的传动系统设计系统，其特征在于，所述传动系统骨架设计模块计算得到的各级传动的传动功率和扭矩包括各级传动的输入功率、输入转速和输入扭矩，这三个参数的计算公式为：T＝9550P/n，其中n为输入转速，T为输入扭矩，P为输入功率。
7.如权利要求1所述的传动系统设计系统，其特征在于，所述齿轮设计模块进行齿轮详细结构设计时，参照ISO和AGMA标准。
8.如权利要求1所述的传动系统设计系统，其特征在于，所述齿轮设计模块进行的齿轮详细结构设计为在CATIA中设计齿轮的轮缘、腹板形式。
9.传动系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
定义各组件的输入输出接口，并根据总体输入要求进行传动系统的拖拽式建模；
确定从发动机到旋翼的功率传递路径，确定的传递路径包含传动级数和传动形式；
在确定功率传递路径后根据发动机的输入转速和旋翼输出转速计算得到主减速传动比，然后进行各级传动的传动比分配，得到各级传动的传动比；
根据得到的传动比进行静力学计算，得到各级传动的传动功率和扭矩，然后根据总体设计要求确定整个传动系统的整体框架约束，依据该整体框架约束设计出传动系统骨架模型；
根据计算得到的各级传动形式和扭矩、转速、功率，进行齿轮系的基本参数的计算；
根据各级传动功率和扭矩进行轴的参数计算；
建立联轴器和离合器型号库，根据离合器和联轴器的输入功率和输入扭矩在型号库中选型；
根据传动系统骨架模型和齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承的基本参数进行零部件空间布局的设计，确定各齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在传动系统骨架模型上的安装位置和装配位置；
设计轴的结构形式，确定轴的段数和轴各段的内外径；
在确定传动功能单元布局后进行齿轮详细结构设计；
对所设计的包括齿轮、轴、联轴器、离合器、轴承在内的传动系统进行总体方案的评估，综合传动系统的各指标进行传动系统的总体分析，得到较优或最优的传动系统设计方案。
10.如权利要求9所述的传动系统设计方法，其特征在于，在设计过程中如果齿轮、轴结构尺寸不满足空间几何条件，则重新进行传动链设计和传动比分配，或者重新调整齿数、模型、压力角、轴径等参数使所设计的齿轮和轴结构尺寸满足空间几何条件要求；
如果传动系统性能不满足要求，则重新进行布局设计参数、结构方案的调整，或者重新进行传动链调整和齿轮、轴基本参数的调整。
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| CN113027993A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-25 | 长沙理工大学 | 一种齿轮传动链布局优化方法 |
| CN114239137A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-25 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种分层级的船舶传动装置简图设计方法 |
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| CN110259920B (zh) | 2020-10-20 |
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