[发明专利]一种综合考虑加工成本与运动平稳性的齿轮间隙优化设计方法

说明书

本发明涉及风力发电等需要长期运作的齿轮传动系统的齿轮间隙优化设计的一种方法，可有效解决系统负载、转速等环境因素以及间隙耦合效应对间隙设计的影响。本发明通过计入间隙耦合模型，采用单自由度径向啮合力模型并利用计入能量损耗的啮合力模型，使求解结果更能反应系统实际时域与频域特性。本发明利用间隙动力学模型对不同径向间隙与齿侧间隙进行计入求解，通过分析频谱图，综合考虑运动平稳性以及齿轮不同间隙的加工难度与成本选择较合理齿轮间隙。本发明摒弃了传统的齿轮传动系统间隙设计根据中心距选择齿侧间隙和径向间隙，而考虑了不同转速、负载等工况下对间隙的影响，从而使得以较低成本实现间隙，还能使之具有良好的运动平稳性。

技术领域

本发明涉及一种齿轮传动系统的齿轮间隙优化设计方法，它从实际齿轮传动系统存在多间隙出发，准确描述间隙及其耦合效应，利用频域特性分析运动平稳性，同时考量齿轮间隙加工与装调的难度与成本，对齿轮间隙进行优化设计，具体可应用于风力发电等需长期运转、大批量生产的齿轮传动系统的间隙优化领域。

背景技术

齿轮传动系统在风电等领域的应用十分广泛，其传动性能直接影响机械设备的整体运行状态。齿轮传动系统的零部件之间不可避免存在间隙，这些间隙的相互耦合会严重影响齿轮传动系统的动力学性能与运动平稳性，制约齿轮传动系统的应用。

齿轮间隙是齿轮传动系统设计中一个重要的设计参数，主要包括齿侧间隙和径向间隙。间隙设计的合理性深刻影响齿轮传动系统的使用寿命和运动平稳性。间隙过大会导致齿轮传动系统传动性能下降，间隙过小会导致加工难度与成本增加、齿轮传动系统润滑情况变差。运动平稳性是衡量系统合理性的重要特征，主要从啮合力、齿轮转速等参数的时域与频域中进行体现，啮合频率的集中程度可以作为判断齿轮传动系统运动平稳性的一个重要标准。目前，传统的齿轮传动系统间隙设计主要根据中心距确定齿侧间隙和径向间隙的取值范围。这样的间隙设计方法大多忽略了间隙耦合效应对齿轮传动系统传动平稳性的影响，忽略了齿轮传动系统负载、转速等因素对间隙设计的影响，会导致选择间隙范围较大，造成了齿轮传动系统的设计无法实现效益优化。因此齿轮传动系统的间隙设计一直是一个设计难点。

目前齿轮传动系统动力学研究对于碰撞力大多进行了较多简化，对于间隙耦合效应的研究尚不多见，因而难以准确描述实际齿轮传动系统的多间隙耦合动力学特性，对齿轮间隙优化设计无法提供有效的指导意义。

鉴于此，本发明从齿轮的多间隙耦合动力学模型出发，提出了一种齿轮传动系统的齿轮间隙优化设计方法。该方法不仅能够有效计入系统负载、转速等对间隙设计的影响，而且更好的计入了间隙耦合效应对间隙设计的影响，从而使间隙设计对于齿轮传动系统的效益优化。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为解决目前齿轮传动系统间隙设计的效益问题，本发明提供了一种齿轮传动系统的齿轮间隙优化设计方法，主要用于单级或多级直齿轮的间隙优化设计。针对齿轮传动系统，选择具体齿轮对参数，考虑齿轮传动系统转速、负载等运动参数，建立动力学方程，通过对其频域特性分析，综合考虑齿轮加工难度和成本，选择齿轮传动系统较优间隙值。

一种综合考虑加工成本与运动平稳性的齿轮间隙优化设计方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：建立间隙耦合模型，

齿轮传动系统存在径向间隙和齿侧间隙，采用二状态法判定径向间隙的运动状态，可描述为

其中，e_ab为间隙矢量，描述模型瞬时状态，c_r为轴承径向间隙。

在齿轮传动系统运转的时候，径向间隙与齿侧间隙存在耦合关系，其耦合关系可描述为