一種高功率密度2K‑H型行星輪系的優化設計方法與流程
2023-12-02 08:53:01 1
本發明涉及一種行星輪系設計方法，尤其是涉及一種高功率密度2k-h型行星輪系的優化設計方法。
背景技術：
高功率密度設計已成為傳動系統設計重要的發展方向。2k-h型行星輪系作為原動機和工作機之間的傳動系統，已在工具機、汽車和船舶等領域得到廣泛應用。
目前2k-h型行星輪系設計方法主要考慮齒輪的強度性能，國內外尚缺乏一種在滿足齒輪強度性能的前提下，既考慮2k-h型行星輪系傳動效率又考慮2k-h型行星輪系體積的高功率密度優化設計方法。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種高功率密度2k-h型行星輪系的優化設計方法，該方法能夠實現所設計的2k-h型行星輪系體積最小和傳動效率損失最小。
本發明的技術解決方案是：一種高功率密度2k-h型行星輪系的優化設計方法，所述2k-h型行星輪系包括1個太陽輪、n個行星輪和1個內齒輪，太陽輪和內齒輪均與行星輪嚙合，太陽輪和內齒輪之間不存在嚙合關係，所述n大於等於3，其特徵在於步驟如下：
步驟1：已知輸入功率p、輸入轉速n1、2k-h型行星輪系傳動比i、行星輪個數n、分度圓壓力角α、齒頂高係數h*a、頂隙係數c*、摩擦係數f；選擇太陽輪材料、行星輪材料、內齒輪材料；
步驟2：以太陽輪齒數z1、模數m、齒寬b、太陽輪內孔直徑dt、行星輪內孔直徑dx為設計變量；所述太陽輪齒數的初始值為z10，變化範圍為z1min<z1<z1max，其中，z1min和z1max為太陽輪齒數的最小值和最大值；所述模數的初始值為m0，變化範圍為mmin<m<mmax，其中，mmin和mmax為模數的最小值和最大值；所述齒寬的初始值為b0，變化範圍為bmin<b<bmax，其中，bmin和bmax為齒寬的最小值和最大值；所述太陽輪內孔直徑的初始值為dt0，變化範圍為dtmin<dt<dtmax，其中，dtmin和dtmax為太陽輪內孔直徑的最小值和最大值；所述行星輪內孔直徑的初始值為dx0，變化範圍為dxmin<dx0.1和ξ2>0.05
式中，ξ1為優化後2k-h型行星輪系體積減小率，ξ2為優化後2k-h型行星輪系傳動效率損失減小率。
本發明與現有技術相比的有益效果是：目前尚缺乏一種在滿足齒輪強度性能的前提下既考慮2k-h型行星輪系傳動效率又考慮2k-h型行星輪系體積的高功率密度優化設計方法，本發明利用計算方法代替查表法獲得2k-h型行星輪系中單對齒輪副的傳動效率，從而使2k-h型行星輪系傳動效率計算方法更加精確，以2k-h型行星輪系體積最小和傳動效率最高為優化目標，實現2k-h型行星輪系的高功率密度優化設計。
附圖說明
圖1為本發明流程圖；
圖2為2k-h型行星輪系傳動原理圖；
圖3為轉化輪系傳動原理圖；
其中，1、太陽輪，2、行星輪，3、內齒輪。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。請參閱圖1，圖1是本發明實施例提供的一種高功率密度2k-h型行星輪系的優化設計方法的流程圖。如圖2所示為2k-h型行星輪系傳動原理圖，由圖2可知，該行星輪係為2k-h型行星輪系傳動。
本發明一種高功率密度2k-h型行星輪系的優化設計方法，它包括下列步驟：
步驟1：輸入功率p、輸入轉速n1、2k-h型行星輪系傳動比i、行星輪個數n、分度圓壓力角α、齒頂高係數h*a、頂隙係數c*、摩擦係數f如表1所示；太陽輪的材料為40cr，行星輪的材料為45鋼，內齒輪的材料為40cr。
步驟2：太陽輪齒數z1、模數m、齒寬b、太陽輪內孔直徑dt、行星輪內孔直徑dx的初始值及變化範圍如表2所示，它們均滿足齒輪傳動的接觸強度和彎曲強度要求。
步驟3：使用步驟1中的2k-h型行星輪系傳動比i和步驟2中的太陽輪齒數z1，通過行星輪系配齒公式，計算得到行星輪齒數z2和內齒輪齒數z3。
步驟4：使用步驟2中的設計變量，通過外齒輪體積計算公式，計算得到太陽輪體積v1。
所述設計變量，包括：太陽輪齒數z1、模數m、齒寬b、太陽輪內孔直徑dt。
步驟5：使用步驟2中的設計變量和步驟3中計算的行星輪齒數z2，通過外齒輪體積計算公式，計算得到行星輪體積v2。
所述設計變量，包括：模數m、齒寬b、行星輪內孔直徑dx。
步驟6：使用步驟1中的齒頂高係數h*a、步驟2中的設計變量和步驟3中計算的內齒輪齒數z3，通過內齒輪體積計算公式，計算得到內齒輪體積v3。
所述設計變量，包括：模數m、齒寬b。
步驟7：如圖3所示為轉化輪系傳動原理圖，使用步驟1中的已知量、步驟2中的太陽輪齒數z1和步驟3中計算的行星輪齒數z2，太陽輪為主動輪，行星輪為從動輪，通過外嚙合齒輪副傳動效率計算公式，計算得到轉化輪系中太陽輪與行星輪傳動效率η12。
所述已知量，包括：分度圓壓力角α、齒頂高係數h*a、摩擦係數f。
步驟8：使用步驟1中的已知量、步驟3中計算的行星輪齒數z2和內齒輪齒數z3，行星輪為主動輪，內齒輪為從動輪，通過內嚙合齒輪副傳動效率計算公式，計算得到轉化輪系中行星輪與內齒輪傳動效率η23。
所述已知量，包括：分度圓壓力角α、齒頂高係數h*a、摩擦係數f。
步驟9：使用步驟1中的行星輪個數n、步驟4中計算的太陽輪體積v1、步驟5中計算的行星輪體積v2和步驟6中計算的內齒輪體積v3，通過2k-h型行星輪系體積計算公式，計算得到2k-h型行星輪系體積v1。
步驟10：使用步驟1中的已知量、步驟7中計算的太陽輪與行星輪的傳動效率η12和步驟8中計算的行星輪與內齒輪的傳動效率η23，通過2k-h型行星輪系傳動效率計算公式，計算得到2k-h型行星輪系傳動效率ηz。
所述已知量，包括：2k-h型行星輪系傳動比i、行星輪個數n。
步驟11：以2k-h型行星輪系體積最小和2k-h型行星輪系傳動效率損失最小作為優化目標函數，使用步驟9和步驟10中計算的2k-h型行星輪系體積vs和2k-h型行星輪系傳動效率ηz，如果達到收斂條件，則完成高功率密度2k-h型行星輪系的設計。如果沒有達到收斂條件，採用matlab軟體中的遺傳算法工具箱優化迭代，重複執行上述步驟中的步驟2、步驟3、步驟4、步驟5、步驟6、步驟7、步驟8、步驟9、步驟10，直至達到收斂條件，迭代終止。
2k-h型行星輪系的優化結果如表3所示。
優化後2k-h型行星輪系的體積明顯減小，傳動效率顯著提高。
當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。