[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

说明书

一种弧形齿面蜗杆减速机动态性能评价及优化方法，属于起重输送传动装置技术领域，对蜗杆减速机进行动力学模型构建和参数辨识，并结合有限元分析软件进行动态性能分析，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，频域分析用于确定潜在共振点的真实性；在此基础上基于集中参数法建立齿轮系统耦合动力学模型，确立优化目标函数，构建动态性能优化模型，求解出最佳优化配置，从而优化蜗杆减速机整机动态性能。

技术领域

本发明属于起重输送传动装置技术领域，具体涉及弧形齿面蜗杆减速机动态性能优化方法。

背景技术

在减速机动态性能分析中，模态分析是最基础的内容。模态分析是以振动理论为基础，通过计算机械结构或机械零件的振动特性—固有频率和振型，进行直接的动态性能估计。模态分析可以作为瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等其他动力学分析问题的起点。

瞬态动力学分析是确定随时间变化的载荷作用下结构响应的技术，瞬态动力学是进行时域分析。输入激励是随时间变化的载荷，求出的是结构对动载荷的实时响应。其载荷一般是从实际载荷中归纳出来的载荷，特别是可以用于对冲击载荷响应等进行分析。

减速器工作过程中，由于同时参与啮合的齿对数随时间变化，导致轮齿啮合刚度和轮齿弹性变形量也发生周期性变化，加之制造误差与安装误差等因素的影响，将可能造成轮齿啮合冲击及偏载等情况，从而引起齿轮系统的振动和噪声。目前的蜗杆减速机设计中，设计人员主要从产品的功能、尺寸参数、运动参数、动力参数和结构的静强度和静刚度角度出发，凭经验和类比方法进行设计，设计中对蜗杆减速机的动态性能考虑不足。然而蜗杆减速机结构的动态性能对其工作性能、效率、稳定性和可靠性等有很大的影响，目前它已经成为衡量蜗杆减速机结构性能好坏的重要指标。

发明内容

本发明的目的是针对现有蜗杆减速机动态性能分析中存在的有限元模型建立方法的准确性差、精度低的问题，提供一种蜗杆减速机动态性能评价和优化设计方法，可对整机动态性能进行精确评估，继而对其动态性能进行优化。

一种弧形齿面蜗杆减速机动态性能评价及优化方法，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，从而达到避免共振，减振降噪的目的；

6）整机动态性能分析：借助ANSYS Workbench软件瞬态动力学分析模块进行整机动态响应分析，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。