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1、(10)申请公布号 CN 104021303 A (43)申请公布日 2014.09.03 C N 1 0 4 0 2 1 3 0 3 A (21)申请号 201410274581.8 (22)申请日 2014.06.19 G06F 19/00(2011.01) (71)申请人中国北方车辆研究所 地址 100072 北京市丰台区槐树岭4号院 (72)发明人杜万里 张祖智 刘越 郭婷 马贵叶 戈红霞 (74)专利代理机构中国兵器工业集团公司专利 中心 11011 代理人刘东升 (54) 发明名称 一种基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面 的修形方法 (57) 摘要 本发明涉及一种基于实测载荷谱的弧。
2、齿锥齿 轮修形齿面的修形方法，属于机械设计技术领域。 该方法根据实测载荷谱，经过统计分析获得载荷 分布，进而根据弧齿锥齿轮加载接触分析获得齿 面应力分布，通过应力-强度干涉原理建立以齿 面接触失效概率为准则的评价模型，采用某种多 维变量优化方法进行迭代计算，求解失效概率最 小的弧齿修形齿面。与现有修形方案相比，本发明 综合考虑了载荷大小和循环次数对齿面修形的影 响，将以往名义载荷下的定性评价、考虑单一因素 的基于经验的修形齿面及修形方法，改进到针对 实测载荷谱下的定量评价、考虑多因素的修形齿 面及迭代优化方法。经试验证明，采用该方法获得 的修形齿面可有效提高弧齿锥齿轮的可靠性和承 载能力。 (。
3、51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书8页 附图8页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图8页 (10)申请公布号 CN 104021303 A CN 104021303 A 1/2页 2 1.一种基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面的修形方法，其特征在于， 所述修形方法包括如下步骤： 步骤S1：以间隔时间t测得弧齿锥齿轮服役周期内的个输入载荷，形成时间-扭矩 载荷谱T i T(it)，i1,2,，it表示采样时刻，经过统计分析得到扭矩-频次 载荷谱 步骤S2：根据齿轮可靠性计算方法确定弧齿锥齿轮的允许强度及其变异系数C n ； 步骤。
4、S3：设置迭代次数n为1，给定k组齿面作为初始迭代值； 步骤S4：令针对k组齿面分别在载荷 谱的作用下，根据弧齿锥齿轮加载接触分析获得齿面应力-频次分布f f(), min max ，表示应力， min 和 max 分别为 j 中的最小、最大值， j 表示在载荷谱的作用下，对应载荷平均值得到的啮合 周期中的齿面最大应力； 步骤S5：通过应力-强度干涉原理，分别计算在载荷谱作用下每组齿面的 失效概率P 1 ,P 2 ,P k ，以失效概率作为齿面优劣的评价准则； 步骤S6：如果迭代次数n达到预设最大迭代次数N，或者有一组齿面失效概率低于预设 值，结束迭代并进入步骤S8；否则进入步骤S7； 步骤S。
5、7：从k组齿面中，得到满足凸性要求的新的k组齿面 将n加1，返回步骤S4； 步骤S8：从k组齿面中，找出失效概率最小的齿面输出该齿面 并结束计算。 2.如权利要求1所述的基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面及修形方法，其特征在 于，所述步骤S1中经过统计分析得到扭矩-频次载荷谱具体包括： 从时间-扭矩载荷谱T i T(it)中找出其中的最大载荷T max ，最小载荷T min ，将载荷 从小到大平均分为G个等级，得到第j个等级的载荷区间为： 分别统计落入每个载荷区间的载荷频次，得到扭矩-频次载荷谱： 其中，f j 为落入第j个载荷区间的载荷频次，为第j个载荷区间中所有载荷的平均 值。 3.如权利。
6、要求1所述的基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面及修形方法，其特征在 权 利 要 求 书CN 104021303 A 2/2页 3 于，步骤S4中，求解齿面在载荷谱下的齿面应力-频次分布具体包括： 对应载荷平均值通过弧齿锥齿轮加载接触分析得到啮合周期中齿面最大应力 j ，从而得到齿面应力-频次分布： f j f( j ) (3) 式(3)表达的最大应力分布为离散分布，采用拟合方法可将其转化为连续分布，拟合 得到的应力-频次分布为： ff() (4)。 4.如权利要求1所述的基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面及修形方法，其特征在 于，所述步骤S5中，求解齿面在载荷谱下的失效概率具体包括： 采用归一。
7、化处理得到应力的概率密度函数为： 根据所述步骤S2给定的弧齿锥齿轮的允许强度及其变异系数C n ，强度分布服从正态 分布，得到强度的概率密度函数为： 采用应力-干涉原理得到齿面的失效概率为： PP() (7) 针对k组齿面按照式(7)计算得到每组齿面的失效概率P 1 ,P 2 , ,P k 。 5.如权利要求1所述的基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面及修形方法，其特征在 于，所述步骤S7中，所述凸性要求是指齿面满足如下约束： (a)齿面mq个网格点法向量偏移量表示为r i,j ，其中u1,2,m，按照齿根到齿顶 顺序增大；v1,2,q，按照齿面大端到小端顺序增大； (b)记r a,b 为网格中。
8、心点法向量偏移量，则有： (c)齿面mq个网格点法向量偏移量表示为r u,v ，其满足： r u,v r u+1,v ，当ua (11) r u,v r u,v+1 ，当vb (13)。 权 利 要 求 书CN 104021303 A 1/8页 4 一种基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿面的修形方法 技术领域 0001 本发明属于机械设计技术领域，具体涉及一种基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形 齿面的修形方法。 背景技术 0002 齿轮作为动力传递的关键件被广泛用于重载设备。据统计，齿面损坏是齿轮失效 的主要形式。齿面微观分析是研究齿面失效的有效手段。为了得到有价值的分析结果，必 须建立准确的数字齿。
9、面分析模型。 0003 逆向工程为数字化精确建模提供了一种方便的方法。该方法通过3D扫描仪器取 得实物上的数据点，把这些数据点拟合为曲面。但是这种方法仅在实物制造出来之后才能 使用。在设计阶段，没有实物可供测量，因此在设计阶段很难推广使用。 0004 虚拟加工是现实加工状况的完整仿真，其目的是优化加工过程，预测加工结果和 指导工艺，关注点是刀具干涉不干涉，模型方便不方便装卡和加工，因此刀具和机床需要建 立每一个细节。 0005 因此，如何提供一种用于微观接触分析的高仿数字齿面的建模方法，以满足齿面 微观分析对模型连续、光滑、可导、高精度和低成本的需求成为了亟待解决的技术问题。 发明内容 000。
10、6 (一)要解决的技术问题 0007 本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形 齿面的修形方法，以充分考虑载荷循环次数、又兼顾各级载荷大小，获得综合性能较优的齿 面，最大限度提高齿面承载能力。 0008 (二)技术方案 0009 为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于实测载荷谱的弧齿锥齿轮修形齿 面的修形方法，所述修形方法包括如下步骤： 0010 步骤S1：以间隔时间t测得弧齿锥齿轮服役周期内的个输入载荷，形成时 间-扭矩载荷谱T i T(it)，i1,2,，it表示采样时刻，经过统计分析得到扭 矩-频次载荷谱 0011 步骤S2：根据齿轮可靠性计算方法确定弧齿。
11、锥齿轮的允许强度及其变异系数 C n ； 0012 步骤S3：设置迭代次数n为1，给定k组齿面作为初始迭代值； 0013 步骤S4：令针对k组齿面分别在载 荷谱的作用下，根据弧齿锥齿轮加载接触分析获得齿面应力-频次分布f 说 明 书CN 104021303 A 2/8页 5 f(), min max ，表示应力， min 和 max 分别为 j 中的最小、最大值， j 表示在载荷谱的作用下，对应载荷平均值得到的啮合 周期中的齿面最大应力； 0014 步骤S5：通过应力-强度干涉原理，分别计算在载荷谱作用下每组齿 面的失效概率P 1 ,P 2 ,P k ，以失效概率作为齿面优劣的评价准则； 00。
12、15 步骤S6：如果迭代次数n达到预设最大迭代次数N，或者有一组齿面失效概率低于 预设值，结束迭代并进入步骤S8；否则进入步骤S7； 0016 步骤S7：从k组齿面中，得到满足凸性要求的新的k组齿面 将n加1，返回步骤S4； 0017 步骤S8：从k组齿面中，找出失效概率最小的齿面输出该 齿面并结束计算。 0018 优选地，所述步骤S1中经过统计分析得到扭矩-频次载荷谱具体包括： 0019 从时间-扭矩载荷谱T i T(it)中找出其中的最大载荷T max ，最小载荷T min ，将 载荷从小到大平均分为G个等级，得到第j个等级的载荷区间为： 0020 0021 分别统计落入每个载荷区间的载荷。
13、频次，得到扭矩-频次载荷谱： 0022 0023 其中，f j 为落入第j个载荷区间的载荷频次，为第j个载荷区间中所有载荷的 平均值。 0024 优选地，步骤S4中，求解齿面在载荷谱下的齿面应力-频次分布具体 包括： 0025 对应载荷平均值通过弧齿锥齿轮加载接触分析得到啮合周期中齿面最大应 力 j ，从而得到齿面应力-频次分布： 0026 f j f( j ) (16) 0027 式(3)表达的最大应力分布为离散分布，采用拟合方法可将其转化为连续分布， 拟合得到的应力-频次分布为： 0028 ff() (17)。 0029 优选地，所述步骤S5中，求解齿面在载荷谱下的失效概率具体包括： 00。
14、30 采用归一化处理得到应力的概率密度函数为： 说 明 书CN 104021303 A 3/8页 6 0031 0032 根据所述步骤S2给定的弧齿锥齿轮的允许强度及其变异系数C n ，强度分布服从 正态分布，得到强度的概率密度函数为： 0033 0034 采用应力-干涉原理得到齿面的失效概率为： 0035 PP() (20) 0036 针对k组齿面按照式(7)计算得到每组齿面的失效概率 P 1 ,P 2 ,P k 。 0037 优选地，所述步骤S7中，所述凸性要求是指齿面满足如下约束： 0038 (a)齿面mq个网格点法向量偏移量表示为r i,j ，其中u1,2,m，按照齿根到 齿顶顺序增大。
15、；v1,2,q，按照齿面大端到小端顺序增大； 0039 (b)记r a,b 为网格中心点法向量偏移量，则有： 0040 0041 0042 (c)齿面mq个网格点法向量偏移量表示为r u,v ，其满足： 0043 r u,v r u+1,v ，当ua (24) 0045 r u,v r u,v+1 ，当vb (26) 0047 0048 (三)有益效果 0049 与现有修形方案相比，本发明以齿面接触失效概率为评价准则，采用多维变量优 化方法进行迭代计算，综合考虑了载荷大小和循环次数对齿面修形的影响，将以往名义载 荷下的定性评价、考虑单一因素的基于经验的修形齿面及修形方法，改进为针对实测载荷 谱。
16、下的定量评价、考虑多因素的修形齿面及迭代优化方法。经试验证明，采用本发明技术方 案获得的修形齿面可以有效提高弧齿锥齿轮的可靠性和承载能力。 附图说明 0050 图1为本发明技术方案的方法流程图； 0051 图2为本发明技术方案中实测载荷谱统计方法示意图； 0052 图3为本发明技术方案中齿面失效概率计算过程示意图； 0053 图4为本发明技术方案中修形齿面及其凸性示意图； 说 明 书CN 104021303 A 4/8页 7 0054 图5为采用本发明技术方案的一个实例示意图； 0055 图6为采用本发明技术方案得到的实际修形齿面及其考核效果。 具体实施方式 0056 为使本发明的目的、内容、。
17、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的 具体实施方式作进一步详细描述。 0057 本发明修形技术方案流程图如附图1所示，其目的为通过实测载荷谱，获得考虑 载荷大小和循环次数的修形齿面，所述修形齿面，是运用所述修形方法得到的采用ISO/ TR10064-6规定的mq个齿面网格点法向量的偏移量表示的齿面，下述用字母表示。 该方法具体包括如下步骤： 0058 步骤S1：以间隔时间t测得弧齿锥齿轮服役周期内的个输入载荷(可以为抽 样测试)，形成“时间-扭矩”载荷谱T i T(it)(i1,2,)，it表示采样时刻， 所述载荷谱示例如表1所示。 0059 表1时间-扭矩载荷谱示例 0060 编。
18、号(i)采集时刻(it)扭矩(T i )，Nm 1 550.00 -1888.129003 2 550.02 -2623.537290 3 550.04 -2317.674298 50000 560.00 42.317752 0061 0062 按照附图2所示的过程，先找出“时间-扭矩”载荷谱T i T(it)(i1,2,) 中的最大载荷T max ，最小载荷T min ，将载荷从小到大平均分为G个等级，得到第j个等级的载 荷区间为： 0063 0064 分别统计落入每个载荷区间的载荷频次(数目)，得到“扭矩-频次”载荷谱： 0065 0066 其中，f j 为落入第j个载荷区间的载荷频次，为。
19、第j个载荷区间中所有载荷的 平均值。一般地，j值取20100，但也可根据其他经验予以调整。 说 明 书CN 104021303 A 5/8页 8 0067 “扭矩-频次”载荷谱的一个示例如表2所示。 0068 表2扭矩-频次载荷谱示例 0069 0070 图2中(A)为时间-扭矩载荷谱，(B)为载荷分级统计图，(C)为扭矩-频次载荷谱。 0071 步骤S2：考虑弧齿锥齿轮使用材料、工艺和润滑等因素，根据齿轮可靠性计算方 法确定弧齿锥齿轮的允许强度及其变异系数C n 。 0072 步骤S3：设置迭代次数n为1，给定k组齿面作为初始迭代值。 0073 步骤S4：令针对k组齿面按照附图3 所示的过程。
20、， j 表示在载荷谱的作用下，对应某个载荷平 均值通过弧齿锥齿轮加载接触分析(LTCA)得到的啮合周期中的齿面最大应力，从而得 到齿面应力-频次分布： 0074 f j f( j ) j1,2,.,G (29) 0075 应力分布的一个示例如表3所示。 0076 表3齿面应力分布示例 0077 编号(j)应力( j )，MPa频次(f j ) 1 28.868149 158000 2 143.554402 47400 10 756.173869 583300 19 1344.348123 4200 说 明 书CN 104021303 A 6/8页 9 0078 式(29)表达的最大应力-频次分。
21、布为离散分布。选用某一拟合方式可将其转化 为连续分布。拟合得到的应力-频次分布记为： 0079 ff() min max (30) 0080 其中， min 和 max 分别为 j (j1,2,G)中的最小、最大值，表示应力。 0081 如采用分段线性拟合，则有： 0082 0083 0084 图3中，(A)为扭矩-频次载荷谱，(B)为通过弧齿锥齿轮加载接触分析(LTCA)获 得的应力-频次分布，(C)为通过应力强度干涉模型获得的齿面失效概率。 0085 步骤S5：按照附图3所示的过程，通过应力-强度干涉原理，分别计算在载荷谱 作用下每组齿面的失效概率P 1 ,P 2 ,P k ，以失效概率作。
22、为 齿面优劣的评价准则。具体包括： 0086 首先，采用归一化处理得到应力的概率密度函数： 0087 0088 根据所述步骤S2给定的弧齿锥齿轮的允许强度及其变异系数C n ，强度分布服 从正态分布，得到强度的概率密度函数： 0089 0090 S为弧齿锥齿轮的强度。 0091 采用应力-干涉原理得到齿面的失效概率为： 0092 PP() (34) 0093 针对k组齿面可以按照式(34)计算得到每组齿面的失效概率 P 1 ,P 2 ,P k ，失效概率越小，齿面越优。如表4所示为多组齿面在载荷谱作用下的失效概率 示例。 0094 表4多组齿面在载荷谱作用下的失效概率示例 说 明 书CN 10。
23、4021303 A 7/8页 10 0095 0096 步骤S6：如果迭代次数n达到预设最大迭代次数N，或者有一组齿面失效概率达到 某一预设值，结束迭代并进入步骤S8；否则进入步骤S7； 0097 步骤S7：从k组齿面中，通过某种方法(如基因遗传算法中的交 叉、变异等)，得到满足凸性要求的新的k组齿面将n加1，返回步骤S4。 其中，所述凸性要求是指齿面满足如下约束(参照附图4，其中(A)为齿面网格点，(B)为修 形齿面及其凸性)： 0098 (a)齿面mq个网格点法向量偏移量表示为r u,v ，其中u1,2,m，按照齿根到 齿顶顺序增大；v1,2,q，按照齿面大端到小端顺序增大； 0099 (。
24、b)记r a,b 为网格中心点法向量偏移量，则有： 0100 0101 0102 (c)齿面mq个网格点法向量偏移量r u,v 满足： 0103 r u,v r u+1,v ，当ua (38) 0105 r u,v r u,v+1 ，当vb (40) 0107 步骤S8：从k组齿面中，找出失效概率最小的齿面输出该 齿面并结束计算。 0108 本发明技术方案以齿面接触失效概率为评价准则，采用某种多维变量优化方法 (如基因遗传算法)进行迭代计算，综合考虑了载荷大小和循环次数对齿面修形的影响，将 以往名义载荷下的定性评价、考虑单一因素的基于经验的修形齿面及修形方法，发展到针 对实测载荷谱下的定量评价。
25、、考虑多因素的修形齿面及迭代优化方法。附图5是针对某重 载越野车辆承担动力传递的弧齿锥齿轮，采用本发明方案进行齿面修形的过程，其中(a) 为时间-扭矩载荷谱，(b)为扭矩-频次载荷谱，(c)为加载接触分析图，(d)为应力分布 图，(e)为应力-强度干涉图，(f)为修形齿面图。附图6是采用本发明方案得到的修形齿 面及其考核效果。从附图6中可以看出，经历若干时间的考核(实际为100摩托小时)，齿 面接触印痕居于中部，且基本覆盖全齿面，啮合平稳、可靠性高、承载能力大。 说 明 书CN 104021303 A 10 8/8页 11 0109 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的。
26、普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。 说 明 书CN 104021303 A 11 1/8页 12 图1 说 明 书 附 图CN 104021303 A 12 2/8页 13 图2 说 明 书 附 图CN 104021303 A 13 3/8页 14 图3 说 明 书 附 图CN 104021303 A 14 4/8页 15 图4 说 明 书 附 图CN 104021303 A 15 5/8页 16 说 明 书 附 图CN 104021303 A 16 6/8页 17 说 明 书 附 图CN 104021303 A 17 7/8页 18 图5 说 明 书 附 图CN 104021303 A 18 8/8页 19 图6 说 明 书 附 图CN 104021303 A 19 。