基于MATLAB的二級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計

崔智勇，史龍繁

(新鄉(xiāng)工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

1 引言

由于齒輪減速器具有傳動比固定、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩較大、傳動可靠等優(yōu)點，其被廣泛的應(yīng)用于機械設(shè)備中。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法中，只能通過對強度、剛度等性能指標(biāo)的校核，不斷試湊，一次設(shè)計只能得到一組符合性能要求的方案，并且很難確定該設(shè)計方案是否具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。而在以往的減速器優(yōu)化設(shè)計過程中，由于離散變量的優(yōu)化過程過于復(fù)雜，因此往往采用將齒形系數(shù)等離散變量取定值的方式進(jìn)行優(yōu)化計算[1,2]，使得最終的優(yōu)化結(jié)果存在一定的偏差。

本文以二級減速器為例，改變了以往將離散變量取定值的方式，通過對離散變量的擬合，建立關(guān)于設(shè)計參數(shù)和離散變量之間的函數(shù)關(guān)系[3]，從而構(gòu)建新的優(yōu)化模型，并采用MATLAB中的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行計算，縮短設(shè)計周期，并找到更可靠的設(shè)計結(jié)果。

2 建立優(yōu)化模型

該二級圓柱直齒齒輪減速器的模型如圖1所示。該減速器高速級連接上級傳動裝置，低速級直接連接工作機。已知工作機額定功率P=9kW，額定轉(zhuǎn)速為n=80r/min，要求該傳動部分的總傳動比為31.5，誤差5%以內(nèi)?，F(xiàn)以總中心距 最小為目標(biāo)來確定設(shè)計方案。

2.1 選取設(shè)計變量

采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪進(jìn)行設(shè)計，故齒輪分度圓壓力角α=20°。由于齒輪采用非對稱分布，取齒輪的齒寬系數(shù)φd=1[4]。各級齒輪的材料選擇如表1所示。

表1 各齒輪材料參數(shù)表

二級圓柱直齒齒輪的總中心距為：

α∑=[m1z1(1+i1)+m2z3(1+i2)]/2

(1)

式中：m1和m2分別表示高速級和低速級的模數(shù)；z1和z3分別表示高速級和低速級的小齒輪齒數(shù)；i1和i2為高速級和低速級的傳動比。

由于齒輪減速器的總傳動比為31.5，即i1*i2=31.5，所以i1和i2為相關(guān)變量，取其中一個作為設(shè)計變量即可。

最終選取的獨立的設(shè)計變量為m1、m2、z1、z3、i1，即：X=[m1,m2,z1,z2,i1]T=[x1,x2,x3,x4,x5]T

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

將式(1)中的各參數(shù)用設(shè)計變量來代替，可得到目標(biāo)函數(shù)，即：f(x)=[x1x3(1+x5)+x2x4(1+31.5/x5)]/2

2.3 參數(shù)擬合

在齒輪的設(shè)計過程中，離散變量如齒形系數(shù)、應(yīng)力修正系數(shù)對于齒輪應(yīng)力的計算有著較大的影響。離散變量的處理不當(dāng)可能會造成強度的校核出現(xiàn)誤差，并最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。

但是對于離散變量的優(yōu)化方法研究不盡如人意，而連續(xù)變量的優(yōu)化問題已比較完善[5]。所以本文通過MATLAB軟件將齒形系數(shù)、應(yīng)力修正系數(shù)等離散變量擬合為連續(xù)函數(shù)，從而進(jìn)行優(yōu)化求解。MATLAB擬合曲線的方式有線性擬合，高斯曲線以及多項式曲線等。由于多項式擬合具有函數(shù)形式簡單、運算速度快、適用于多種類型曲線并且可以隨著最高次冪的增加而不斷減少誤差等優(yōu)點，所以本文選擇多項式擬合來處理離散變量。

本文采用MATLAB中的Curve Fitting Toolbox進(jìn)行擬合。在該工具箱提供的圖形化用戶界面(GUI)中選擇Polynomial進(jìn)行多項式擬合，并為了保證計算的準(zhǔn)確性，要求擬合結(jié)果的SSE值(和方差)要小于0.05。

2.3.1 齒形系數(shù)YFa的擬合

齒形系數(shù)YFa是與齒輪齒數(shù)Z有關(guān)的離散變量[4]，現(xiàn)將齒數(shù)作為自變量,將齒形系數(shù)作為因變量，繪制其散點圖，如圖2。

由于該散點圖呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，所以從二次多項式開始擬合，并得到擬合的函數(shù)圖形，如圖3。

經(jīng)擬合分析可知，二次多項式擬合、三次多項式擬合和四次多項式擬合的SSE值為0.204，0.08524和0.0272。當(dāng)擬合函數(shù)為四次多項式時，可滿足誤差要求。

所以最終得到齒形系數(shù)與齒數(shù)的關(guān)系為：

YFa=1.06×10-8×z4-5.052×10-6×z3+8.396×10-4×z2-0.05838×z+3.666

(2)

2.3.2 應(yīng)力修正系數(shù)YSa的擬合

應(yīng)力修正系數(shù)YSa同樣只與齒數(shù)有關(guān)，其散點圖如圖4。

分析該散點圖可發(fā)現(xiàn)，該圖形雖然呈現(xiàn)了非線性的趨勢，但是最大值和最小值之間數(shù)值差距較小，分布較為集中。所以從一次多項式開始擬合，并得到擬合的函數(shù)圖形，如圖5。

經(jīng)擬合分析可知，一次多項式擬合、二次多項式擬合和三次多項式擬合的SSE值為0.043，0.007864和0.001577。雖然最高次冪越高，誤差越小，但是由于一次多項式誤差已可滿足要求，所以應(yīng)力修正系數(shù)與齒數(shù)的關(guān)系為：

YSa=0.002019z+1.55

(3)

2.4 設(shè)置約束條件

約束條件是指減速器滿足設(shè)計要求時應(yīng)該滿足的條件，其中主要包括對齒面接觸強度的校核以及對齒根彎曲強度的校核。此外，還要考慮由于外界等其他因素產(chǎn)生的邊界約束條件以及不干涉條件。

2.4.1 齒面接觸強度條件

由齒面接觸疲勞強度校核公式：

由于一對嚙合的齒輪接觸應(yīng)力相等，所以只需考慮許用接觸強度較小的齒輪即可。因此，高速級和低速級的齒輪接觸強度的約束條件分別為：

式中：kH1,kH3分別表示高速級和低速級的齒面載荷系數(shù)，根據(jù)該減速器的工作狀態(tài)取kH1=kH3=1.5；

[σH]1、[σH]3許用接觸強度：高速級和低速級嚙合齒輪的兩種材料的最小值，取[σH]1=[σH]3=523 MPa；

zH：區(qū)域系數(shù)，由齒輪分度圓壓力角α=20°可得zH=2.5 MPa1/2

zE：彈性影響系數(shù)，兩對齒輪材料都為鍛鋼，其值為189.8 MPa1/2；

2.4.2 齒根彎曲強度條件

由齒根彎曲疲勞強度校核公式：

式中：kF1、kF2、kF3、kF4：分別表示高速級和低速級的齒根載荷系數(shù)，根據(jù)工作狀態(tài)取kF1=kF2=kF3=kF4=1.5；

將各級齒輪齒數(shù)帶入式(2)，并將參數(shù)替換為設(shè)計變量，可得：

YFa2=1.06×10-8×(x3x5)4-5.052×10-6×(x3x5)3+8.396×10-4×(x3x5)2-0.05838×(x3x5)+3.666

將各級齒輪齒數(shù)帶入式(3)，并將參數(shù)替換為設(shè)計變量，可得：

YSa1=0.002019x3+1.55

YSa2=0.002019x3x5+1.55

YSa3=0.002019x4+1.55

[σF]：許用彎曲強度，

[σF]1=[σF]3=303.57MPa

[σF]2=[σF]4=238.86MPa

2.4.3 不干涉條件

為保證高速級的大齒輪與低速級軸線在工作時，不發(fā)生碰撞干涉，則需滿足：

m1z1i1+2S-m2z3(1+i2)≤0，即：G7(x)=x1x3x5+2S-x2x4(1+31.5/i1)≤0

式中：S：大齒輪齒頂圓和低速軸線間的安全距離，取S=50mm。

2.4.4 邊界約束

根據(jù)齒輪傳動的性能要求，綜合考慮齒輪在制造過程中不發(fā)生根切，傳動過程中要保證傳動平穩(wěn)、能夠滿足短期過載及高速級和低速級的大齒輪入油深度等因素[6]。根據(jù)工程實際經(jīng)驗對各設(shè)計變量進(jìn)行邊界約束，其取值范圍分別為：

2≤m1≤5 ，2≤m2≤5，18≤z1≤35，18≤z3≤35，3≤i1≤6

由此可建立10個不等式約束條件：

G8(x)=2-x1≤0
G9(x)=x1-5≤0
G10(x)=2-x2≤0
G11(x)=x2-5≤0
G12(x)=18-x3≤0
G13(x)=x3-35≤0
G14(x)=18-x4≤0
G15(x)=x4-35≤0
G16(x)=3-x5≤0
G17(x)=x5-6≤0

3 程序運行結(jié)果及其處理

MATLAB中的fmincon函數(shù)是用于求解非線性多元函數(shù)最小值的優(yōu)化函數(shù)。該函數(shù)可根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)、約束條件直接進(jìn)行優(yōu)化計算。該方法避免了對算法的重復(fù)編程，相比其他的優(yōu)化方法提高了效率，并且由于該函數(shù)主要針對非線性問題進(jìn)行優(yōu)化，適合本文的優(yōu)化問題，也使得求出的最優(yōu)解更加可靠。

按照前文所述，建立該優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)、約束條件的M文件，并將傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果x0=[3,3,30,30,5]T作為優(yōu)化的初始值帶入fmincon函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到的優(yōu)化的結(jié)果為

x=[2.3009,2.8159,20.1021,29.4283,5.7184]T。

由于在優(yōu)化過程中，將離散變量作為連續(xù)變量考慮，現(xiàn)需將結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的離散數(shù)據(jù)。同時，由于x當(dāng)前的值為最優(yōu)解，對x進(jìn)行離散化之后并不能確定最優(yōu)解的取值，因此選擇x中各個參數(shù)的雙邊數(shù)值作為可行解，進(jìn)行下一步的分析。

x1、x2表示模數(shù)，只能按照國標(biāo)中的第一系列或第二系列選??；x3、x4表示齒數(shù)，只能取整數(shù)，可得：

x1=2.3009，取2或2.5；

x2=2.8159，取2.5或3。

x3=20.1021，取20或21；

x4=29.4283，取29或30。

對約束條件分析可知，當(dāng)x1=2或x2=2.5時，會造成齒根彎曲應(yīng)力過大，約束條件中的G3(x)～G6(x)無法同時滿足小于零的要求，因此模數(shù)的取值只能是:x1=2.5，x2=3。

當(dāng)x1、x2的取值確定之后，僅剩下4組優(yōu)化數(shù)據(jù)，當(dāng)其分別帶入約束條件，發(fā)現(xiàn)都能滿足要求，然后將其帶入目標(biāo)函數(shù)，可得表2。

表2 優(yōu)化結(jié)果分析

對表2進(jìn)行分析可知，方案1既能滿足所有的約束條件，又能使得中心距最小，滿足設(shè)計要求。

表3 各齒輪參數(shù)

4 結(jié)論

通過該二級減速器的優(yōu)化過程，可得到結(jié)論：

(1)結(jié)合表2和表3中優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的減速器中心距為598.5mm，而采用優(yōu)化設(shè)計得到的中心距為451mm，比原方案中減少了約25%。所以通過優(yōu)化設(shè)計的方式節(jié)約了材料，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，達(dá)到了更好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

(2)在設(shè)計過程中，通過數(shù)學(xué)擬合的方法，將離散變量轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量，從而使得離散變量和設(shè)計參數(shù)之間建立了函數(shù)關(guān)系，并通過限定SSE值的方式，確保了擬合函數(shù)的準(zhǔn)確度。該方法相對于以往的將離散變量直接取定值的方式更加嚴(yán)謹(jǐn)，也使得優(yōu)化的結(jié)果更加可靠。

(3)整個設(shè)計方案的編程、求解是在MATLAB中進(jìn)行的。該軟件提供了大量的內(nèi)嵌函數(shù)，從而在擬合、優(yōu)化的過程，減小了編程的難度，可以讓工程人員將精力放在主要問題的求解上。同時計算機強大的運算性能避免了傳統(tǒng)方法和人工計算的試錯過程，提高了設(shè)計的效率，也為以后的減速器設(shè)計提供了參考，具有一定的應(yīng)用前景及實際指導(dǎo)意義。