随着高端装备制造业的发展,精密重载齿轮箱的应用越来越广泛,为了打破高端产品多依赖进口的局面,国内某齿轮箱生产企业引进全套德国生产线,产品性能虽有提升但仍不及国外同类进口产品。究其原因,齿轮传动系统作为组成齿轮箱最重要的部件是提升其品质的关键,而目前国内企业对齿轮箱的设计大多停留在经验设计阶段,所设计的齿轮箱往往存在箱体不紧凑、振动噪声大等问题。由于齿轮箱的质量大部分集中在箱体上,所以有必要对齿轮箱体进行轻量化设计,同时还要避免齿轮箱体与传动系统发生共振,防止传动系统失效。传动系统的工作状态可根据传动系统的动力学特性进行判断,由于存在众多非线性因素,导致传动系统具有非常复杂的振动特性,而齿轮修形可在一定程度上优化传动系统的动态特性,减少振动噪声的出现。为解决这一系列问题,有必要对齿轮箱的轻量化和减振降噪设计进行深入研究。本文以B3SH11型齿轮箱作为研究对象,在综合考虑箱体强度及箱体与传动系统共振避免的条件下,优化了齿轮箱体质量,对齿轮传动系统进行了静力学和非线性动力学特性分析,研究了齿轮拓扑修形优化以及齿轮修形对非线性动力学特性的影响。本文的主要研究内容如下:首先,将齿轮箱体的固有频率作为检验性指标,箱体质量和等效应力作为评价指标,从现有齿轮箱的箱体壁厚参数出发,以齿轮箱侧壁关键部位的壁厚为控制因素,通过基于正交试验法的多目标参数优化,确定最佳优化参数,优化后的齿轮箱体的质量减轻了约13.9%,并避免了齿轮箱体与传动系统的共振。其次,基于Romax对传动系统进行静力学分析,校核各级传动轴的强度、分析啮合齿轮与轴承的寿命和磨损,其仿真分析结果表明,各级传动轴的最大合成应力皆小于材料的许用应力,各个轴承的疲劳损失都小于1,齿轮的弯曲强度和接触强度都在安全范围内,为后续进行齿轮传动系统的非线性动力学分析奠定基础。然后,基于B3SH11型三级锥-斜齿轮传动系统,考虑齿轮时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙、传动误差以及输入扭矩和负载等因素,采用集中参数法,根据力学平衡条件,建立18自由度的弯-扭-轴耦合非线性动力学方程,并通过变步长Runge-Kutta法对其进行求解,从而对传动系统的动态特性进行了研究。最后,基于齿轮啮合原理与Romax软件,针对斜齿轮的特点,确定修形齿轮的齿廓形状,推导得到齿轮齿廓的修形量,再通过多目标决策矩阵法确定修形参数,找到最合理的优化参数,通过Simulink建立修形斜齿轮传动系统7自由度弯-扭-轴耦合动力学模型,其结果表明,齿轮修形后使传动误差下降55.6%,齿面载荷分布比较均匀,最高接触温度下降了35℃,同时齿轮的振动幅值在修形后也有一定幅度的减小。