[发明专利]一种弧形齿面蜗杆减速机动态性能评价及优化方法

权利要求书

1.一种弧形齿面蜗杆减速机动态性能评价及优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据蜗杆减速机二维零件图建立蜗杆减速机实体模型，在装配体建模环境下，首先确定主要零部件装配位置基准，然后采用参数化方法建立实体模型；

2）对实体模型零件进行简化，将材料相同的螺栓连接部件进行实体模型布尔合并运算，将实体简化模型转化为.stp格式导入软件ANSYS Workbench中；

3）对简化实体模型进行网格划分，选用四面体单元和六面体单元相结合的网格划分方法建立整机有限元模型，其中蜗轮，蜗杆，蜗轮座，输出轴采用六面体实体单元，箱体、轴承、端盖采用四面体实体单元；单元尺寸根据蜗杆减速机实际结构大小合理选择为15mm，复杂部位网格需进行局部细化；

4）减速机零部件之间相互接触的表面，即“结合面”的合理模拟：齿轮轴和齿轮结合面的处理方法是将齿轮和齿轮轴对应节点在所有方向上耦合在一起；轴承与齿轮轴及轴承座结合面的处理是轴承与齿轮轴对应节点在径向、轴向全部耦合，周向不予耦合，轴承座与箱体对应节点在所有方向进行耦合；轴承端盖的处理是将结合面上全部的对应节点进行耦合；

5）采用ANSYS Workbench软件中Block Lanczos方法对蜗杆减速机进行模态分析，得到了蜗杆减速机前20阶的固有频率及固有振型，让蜗杆副的转动频率和啮合频率避开减速机的固有频率；

6）动态性能分析：借助ANSYS Workbench软件瞬态动力学分析模块进行动态响应分析，得到蜗杆减速机振动位移、振动速度和振动加速度时域响应；对时域响应信号进行快速傅里叶变换，得到以频率为自变量，以组成信号的各频率成分的幅值为因变量的频率函数，用于再次确认潜在共振点的真实性；

7）动态性能优化：以输入蜗杆的振动加速度幅值最小为蜗杆减速机动态性能优化的目标函数，以蜗杆的头数、模数、蜗杆螺旋角、蜗轮变位系数、蜗杆齿廓半径作为设计变量，以蜗杆副装配关系为约束条件，建立蜗杆减速机动态性能优化模型，基于Matlab平台编写混合离散优化程序得到最优设计变量和目标函数值。

2.根据权利要求1所述的蜗杆减速机动态性能评价及优化方法，其特征在于，所述时域响应信号中找出的潜在共振点进行频域分析，如果频域分析能排除所有的共振点，则蜗杆减速机动态性能良好，如果频域分析得出某一或某几个共振点确实可能引起减速机的共振，首先可以进行试验验证，经过试验再次确认后，需要对蜗杆减速机的相关参数进行优化。

3.根据权利要求1所述的蜗杆减速机动态性能评价及优化方法，其特征在于，所述蜗杆减速机动态性能优化方法包括：

1）基于集中参数法建立齿轮系统耦合动力学模型，振动微分方程组如下：

式中：

m₁、m₂分别为蜗杆和蜗轮在其节圆半径上的有效质量，其通式为m=J/r,其中J是转动惯量，r是节圆半径；

I_1y、I_2x分别为蜗杆和蜗轮的集中转动惯量；

x₁、z₁和y₁为蜗杆分别沿x轴方向和z轴方向的横向振动位移和沿y轴方向的轴向振动位移；

y₂、z₂和x₂为蜗轮分别沿y轴、z轴方向的横向振动和沿x轴方向的轴向振动位移；

θ_y1和θ_x2为蜗杆和蜗轮分别绕各自中心轴的扭转角；

α为法面压力角；

γ为蜗杆的螺旋角；

r₁为蜗杆的节圆半径；

r_m为蜗轮的节圆半径；

F_x1、F_y1、F_z1为蜗杆的圆周力、轴向力和径向力；

F_x2、F_y2、F_z2为蜗轮的轴向力、圆周力、和径向力，其中，F_x1=﹣F_x2、F_y1=﹣F_y2、F_z1=﹣F_z2；

kx₁和cx₁分别为蜗杆支撑在周向的刚度系数和阻尼系数；

ky₁和cy₁分别为蜗杆支撑在轴向的刚度系数和阻尼系数；

kz₁和cz₁分别为蜗杆支撑在径向的刚度系数和阻尼系数；

kx₂和cx₂分别为蜗轮支撑在轴向的刚度系数和阻尼系数；

ky₂和cy₂分别为蜗轮支撑在周向的刚度系数和阻尼系数；

kz₂和cz₂分别为蜗轮支撑在径向的刚度系数和阻尼系数；

2）采用四阶龙格库塔法求解系统振动微分方程，得到蜗杆减速机各构件振动响应值；

3）基于输入轴蜗杆的振动加速度幅值最小构造目标函数，以蜗杆副模数、齿数的参数为设计变量，蜗杆副强度、刚度及装配关系为约束条件，建立蜗杆减速机齿轮系统的动态性能优化模型，获取蜗杆副最优设计变量。