一种平衡减振齿轮以及用于其的多目标结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种平衡减振齿轮以及用于其的多目标结构优化方法，包括齿轮本体、弹性组件、配重组件和减重组件，齿轮本体包括齿轮轮毂、齿轮腹板和齿轮外圈，齿轮腹板套设于齿轮轮毂外，齿轮外圈套设于齿轮腹板外；弹性组件布置于齿轮轮毂与齿轮腹板之间，配重组件和减重组件设置于齿轮腹板上。本发明专利技术解决平衡减振齿轮生产工艺复杂、安装空间受限的难题，提升平衡减振齿轮的通用化能力，减低平衡减振齿轮制造成本的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种平衡减振齿轮以及用于其的多目标结构优化方法
本专利技术涉及一种平衡减振齿轮以及用于其的多目标结构优化方法。
技术介绍
为消除发动机的一阶、二阶惯性力所引起的振动和噪声，平衡轴系统在发动机
得到了广泛的应用，其中，承担平衡轴系统动力传递的弹性齿轮成为分析平衡轴系统平衡减振性能的重中之重。而当前发动机所用弹性齿轮主要有两类，一类是与增重块组合安装在平衡轴的飞轮侧，一类是将增重块与弹性齿轮制为一体，两类结构的共同点为由于增重块的形状不规则性，加大了加工难度，增加了制造成本，不同的第一类的组合方式对弹性齿轮和增重块的安装精度和空间提出了很高的要求，第二类将增重块和齿轮本体制为一体的设计方法，虽然解决了第一类中的装配精度要求较高的难点，但是由于增重块为不规则结构，在相同的发动机平衡性能要求下，易出现增重块过大或者过厚的现象，因此，第二类结构依然不能很好解决装配空间局限性的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种平衡减振齿轮以及用于其的多目标结构优化方法，解决平衡减振齿轮生产工艺复杂、安装空间受限的难题，提升平衡减振齿轮的通用化能力，减低平衡减振齿轮制造成本的特点。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种平衡减振齿轮，包括齿轮本体、弹性组件、配重组件和减重组件，齿轮本体包括齿轮轮毂1、齿轮腹板2和齿轮外圈5，齿轮腹板2套设于齿轮轮毂1外，齿轮外圈5套设于齿轮腹板2外；弹性组件布置于齿轮轮毂1与齿轮腹板2之间，配重组件和减重组件设置于齿轮腹板2上。按照上述技术方案，齿轮腹板2与齿轮外圈5为一体式结构；齿轮轮毂1、齿轮腹板2和齿轮外圈5均采用粉末冶金加工方法成型。按照上述技术方案，弹性组件为橡胶环3，橡胶环3套设于齿轮轮毂1与齿轮腹板2之间，齿轮轮毂1、橡胶环3和齿轮腹板2通过硫化工艺粘接为一体。按照上述技术方案，配重组件为增重块4，齿轮腹板2的前后两侧对称分布有增重块4。按照上述技术方案，增重块4为凸出的扇形结构，增重块4的扇形结构的外圆直径小于或等于齿轮腹板2的外圆直径，且增重块4的扇形结构的内圆直径等于或大于齿轮腹板2的内圆直径。按照上述技术方案，减重组件包括减重孔6和/或减重槽7，减重孔6和/或减重槽7设置于齿轮腹板2上，布置于配重组件的下侧。按照上述技术方案，减重槽7为一个扇形环，减重槽7的扇形环结构的外圆直径小于或等于齿轮腹板2的外圆直径，且减重槽7的扇形结构的内圆直径等于或大于齿轮腹板2的内圆直径，减重槽7的两个半圆环的直径等于减重槽7的扇形结构的外圈与内圆直径之差，减重槽7的深度小于齿轮腹板2的厚度；多个减重孔6沿减重槽7的弧长方向依次间隔布置。一种用于以上所述的平衡减振齿轮的多目标结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1分析平衡减振齿轮结构，根据平衡减振齿轮的基本设计参数，计算出平衡减振齿轮的齿顶高、齿根高，基本设计参数包括齿轮模数、齿轮齿数、齿顶高系数、压力角、齿宽，同时，从零件材料和制造工艺方面，分析平衡减振齿轮的齿轮外圈5、齿轮腹板2、齿轮轮毂1、配重组件、减重组件和弹性组件各组成组件材料，确定平衡减振齿轮的齿轮外圈5、齿轮腹板2、齿轮轮毂1、配重组件、减重组件和弹性组件的各组件的密度参数；S2提取平衡减振齿轮增重组件、减重组件、弹性组件基本参数，应用质量、转动惯量、不平衡量的理论计算基础，构建增重组件、减重组件、弹性组件的结构参数与平衡性能指标的理论计算模型；S3应用正交实验方法，得到影响平衡减振的关键结构参数，并分析各关键结构参数对平衡减振齿轮平衡性能指标影响的灵敏度；S4选取平衡减振齿轮关键结构参数为输入量，以各组件的质量、转动惯量、不平衡量为输出量，采用径向基函数模型建立各关键结构参数与平衡特性的映射函数；S5依据径向基函数响应面映射模型误差的评估指标-相对均方根误差、相对平均误差、相对最大误差、决定系数，验证平衡减振齿轮配重组件、减重组件关键结构参数与平衡性能指标的映射模型精度；S6以各组件的质量、转动惯量、不平衡量的平衡特性指标达到目标值作为多目标函数，建立平衡减振齿轮关键结构参数的多目标优化模型；S7基于Pareto的NSGA-II多目标遗传算法，得到平衡减振齿轮增重组件、减重组件关键结构参数的最优值；S8将优化得到的优化变量数值进行仿真，通过相对误差的比较分析，验证平衡减振齿轮关键结构参数的多目标优化模型的精度。按照上述技术方案，弹性组件为橡胶环3，橡胶环3套设于齿轮轮毂1与齿轮腹板2之间；配重组件为增重块4，齿轮腹板2的前后两侧对称分布有增重块4，增重块4为凸出的扇形结构；减重组件包括减重孔6和减重槽7，减重槽7设置于齿轮腹板2上，布置于配重组件的增重块4的下侧，减重槽7为一个扇形环，多个减重孔6沿减重槽7的弧长方向依次间隔布置；在步骤S2中，增重块4的平衡特性指标理论计算模型表达式为：式中，H为增重块4厚度，I为增重块4弧长，ρ为增重块4密度，k为增重块4底端截线斜率，减重孔6平衡特性指标的计算模型表达式为：式中，n为减重孔6个数，hk为减重孔6深度，dk为减重孔6直径，Lk为减重孔6圆心距坐标轴O点距离；减重槽7平衡特性指标的计算模型表达式为：式中，bc为减重槽7深度，Rc为减重槽7外圈半径，hc为减重槽7厚度、ρ为减重槽7密度，γ0为减重槽7扇形部分对应展开角度，mc1为减重槽7扇形部分去除的质量，mc2为减重槽7两边半圆盘的总质量；橡胶环3的平衡特性指标的计算模型表达式为：式中，ρx为橡胶环3密度，Rx为橡胶环3外径、rx为橡胶环3内径、hx为橡胶环3厚度；平衡减振齿轮中标准结构平衡特性指标的计算模型表达式为：式中，mT、JT、UT，mW、JW、UW，mH、JH、UH分别为平衡减振齿轮中齿轮外圈5、齿轮腹板2、齿轮轮毂1等标准结构的质量、转动惯量、不平衡量，mp、Jp、Up，mk、Jk、mc、Uk，Jc、Uc，mx、Jx、Ux为平衡减振齿轮增重块4、减重孔6、减重槽7、橡胶环3结构的质量、转动惯量、不平衡量；在步骤S4中，平衡减振齿轮平衡特性对应的映射函数表达式为：在步骤S6中，平衡减振齿轮关键结构参数的多目标优化模型表达式为：目标函数：min[f1(Xi),f2(Xi),f3(Xi)]约束条件：式中，f1(Xi)为平衡减振齿轮质量计算模型函数；f2(Xi)为平衡减振齿轮转动惯量计算模型函数；f3(Xi)为平衡减振齿轮不平衡量计算模型函数；Δm为平衡减振齿轮的质量偏差；ΔU为平衡减振齿轮的不平衡量偏差；ΔJ为平衡减振齿轮的转动惯量偏差；Xi为平衡减振齿轮第i个优化变量；δimin和δimax为平衡减振齿轮采用相应的加工工艺可以达到的约束下限和约束上限；在步骤S8中，相对误差表达式为：按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平衡减振齿轮，其特征在于，包括齿轮本体、弹性组件、配重组件和减重组件，齿轮本体包括齿轮轮毂(1)、齿轮腹板(2)和齿轮外圈(5)，齿轮腹板(2)套设于齿轮轮毂(1)外，齿轮外圈(5)套设于齿轮腹板(2)外；弹性组件布置于齿轮轮毂(1)与齿轮腹板(2)之间，配重组件和减重组件设置于齿轮腹板(2)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种平衡减振齿轮，其特征在于，包括齿轮本体、弹性组件、配重组件和减重组件，齿轮本体包括齿轮轮毂(1)、齿轮腹板(2)和齿轮外圈(5)，齿轮腹板(2)套设于齿轮轮毂(1)外，齿轮外圈(5)套设于齿轮腹板(2)外；弹性组件布置于齿轮轮毂(1)与齿轮腹板(2)之间，配重组件和减重组件设置于齿轮腹板(2)上。


2.根据权利要求1所述的平衡减振齿轮，其特征在于，齿轮腹板(2)与齿轮外圈(5)为一体式结构；齿轮轮毂(1)、齿轮腹板(2)和齿轮外圈(5)均采用粉末冶金加工方法成型。


3.根据权利要求1所述的平衡减振齿轮，其特征在于，弹性组件为橡胶环(3)，橡胶环(3)套设于齿轮轮毂(1)与齿轮腹板(2)之间，齿轮轮毂(1)、橡胶环(3)和齿轮腹板(2)通过硫化工艺粘接为一体。


4.根据权利要求1所述的平衡减振齿轮，其特征在于，配重组件为增重块(4)，齿轮腹板(2)的前后两侧对称分布有增重块(4)。


5.根据权利要求4所述的平衡减振齿轮，其特征在于，增重块(4)为凸出的扇形结构，增重块(4)的扇形结构的外圆直径小于或等于齿轮腹板(2)的外圆直径，且增重块(4)的扇形结构的内圆直径等于或大于齿轮腹板(2)的内圆直径。


6.根据权利要求1所述的平衡减振齿轮，其特征在于，减重组件包括减重孔(6)和/或减重槽(7)，减重孔(6)和/或减重槽(7)设置于齿轮腹板(2)上，布置于配重组件的下侧。


7.根据权利要求6所述的平衡减振齿轮，其特征在于，减重槽(7)为一个扇形环，减重槽(7)的扇形环结构的外圆直径小于或等于齿轮腹板(2)的外圆直径，且减重槽(7)的扇形结构的内圆直径等于或大于齿轮腹板(2)的内圆直径，减重槽(7)的两个半圆环的直径等于减重槽(7)的扇形结构的外圈与内圆直径之差，减重槽(7)的深度小于齿轮腹板(2)的厚度；
多个减重孔(6)沿减重槽(7)的弧长方向依次间隔布置。


8.一种用于权利要求1所述的平衡减振齿轮的多目标结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1分析平衡减振齿轮结构，根据平衡减振齿轮的基本设计参数，计算出平衡减振齿轮的齿顶高、齿根高，基本设计参数包括齿轮模数、齿轮齿数、齿顶高系数、压力角、齿宽，同时，从零件材料和制造工艺方面，分析平衡减振齿轮的齿轮外圈(5)、齿轮腹板(2)、齿轮轮毂(1)、配重组件、减重组件和弹性组件各组成组件材料，确定平衡减振齿轮的齿轮外圈(5)、齿轮腹板(2)、齿轮轮毂(1)、配重组件、减重组件和弹性组件的各组件的密度参数；
S2提取平衡减振齿轮增重组件、减重组件、弹性组件基本参数，应用质量、转动惯量、不平衡量的理论计算基础，构建增重组件、减重组件、弹性组件的结构参数与平衡性能指标的理论计算模型；
S3应用正交实验方法，得到影响平衡减振的关键结构参数，并分析各关键结构参数对平衡减振齿轮平衡性能指标影响的灵敏度；
S4选取平衡减振齿轮关键结构参数为输入量，以各组件的质量、转动惯量、不平衡量为输出量，采用径向基函数模型建立各关键结构参数与平衡特性的映射函数；
S5依据径向基函数响应面映射模型误差的评估指标-相对均方根误差、相对平均误差、相对最大误差、决定系数，验证平衡减振齿轮配重组件、减重组件关键结构参数与平衡性能指标的映射模型精度；
S6以各组件的质量、转动惯量、不平衡量的平衡特性指标达到目标值作为多目标函数，建立平衡减振齿轮关键结构参数的多目标优化模型；
S7基于Pareto的NSGA-II多目标遗传算法，得到平衡减振齿轮增重组件、减重组件关键结构参数的最优值；
S8将优...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚炎，王平俊，包汉伟，刘思睿，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42