几何修形对低速圆柱滚子轴承混合润滑性能的影响研究

针对圆柱滚子轴承直母线滚子在接触出现的边缘应力集中现象，采用对滚子进行几何修形的方法，运用拟动力学分析方法开展轴承滚子受力和相对运动关系分析. 在此基础上，综合考虑轴承接触工况、滚子修形参数和真实表面粗糙度等因素，建立圆柱滚子轴承混合润滑数学模型，分析滚子修形参数和转速对轴承润滑性能的影响. 结果表明:从润滑角度判断，滚子母线凸度量δ和滚子端头圆角半径r均存在一个优化区间，使得最大受载滚子接触表面最大油膜压力和次表层最大von Mises应力σ显著减小，边缘效应弱化；δ和r对中心膜厚h_c和摩擦系数f的影响较小；转速的增大会使h_c变厚，f_c和σ减小，且混合润滑状态下转速对修形滚子的σ变化显著，修形后的滚子较未修形的滚子润滑性能要好.      

考虑界面粗糙度动态变化的点接触弹流润滑特性研究

针对点接触弹流润滑的粗糙度效应,建立了考虑表面粗糙度动态变化的点接触弹流润滑模型,实现了油膜厚度和压力分布的快速求解. 对点接触弹流润滑下的粗糙表面弹性变形进行了定性和定量研究,同时分析了表面均方根粗糙度、载荷、相对运动速度和滑滚比对最小膜厚和最大压力的影响,以及表面形貌动态变化对膜厚比的影响. 结果表明:形貌变化改变了弹流油膜和压力分布特性,相对于光滑表面,表面粗糙度总体上提高了最大接触压力、降低了最小膜厚,在轻载工况下表面粗糙度对油膜厚度的削弱更加显著,而不同速度下粗糙度的影响程度基本相同,呈现线性变化趋势,膜厚比随载荷增大呈现先增后减的变化趋势,并在530 MPa左右达到峰值.      

粗糙度纹理对有限长线接触混合润滑影响

采用统一Reynolds方程建立有限长线接触混合润滑模型,研究横向、纵向和二维规则表面粗糙度的波长、幅值及工况变化对润滑影响.结果表明:波长、幅值与工况对三种表面粗糙度接触副的润滑影响类似;随着载荷增大,平均膜厚降低,摩擦系数、接触载荷比与接触面积比均增大;随着转速升高,平均膜厚增大,摩擦系数、接触载荷比与面积比均降低,其中摩擦系数随转速进一步增大而小幅升高.在润滑状态转换区域润滑特征参数变化显著,而其他润滑区域变化平缓.沿卷吸速度方向的压力与膜厚波动分布存在相位差,垂直方向则同相位;相同的工况和粗糙度参数时,纵向粗糙度分布更有利于接触润滑.     

斜齿轮弹流润滑下的接触疲劳寿命计算

经典齿轮接触疲劳强度理论是基于光滑表面赫兹干接触理论,而实际齿面具有粗糙度,且啮合轮齿多数处于混合润滑状态.本文基于齿轮润滑接触分析建立了渐开线斜齿轮的接触疲劳寿命计算模型.模型由齿轮润滑接触分析模型和基于次表面应力分布的疲劳寿命模型组成.首先将斜齿圆柱齿轮一对齿的瞬时啮合等效为两反向圆锥的接触问题,建立了齿轮的有限长弹流润滑计算模型,考虑了齿轮啮合周期内瞬时载荷、接触线长、卷吸速度等因素的影响,基于统一雷诺方程方法求得啮合齿对间的润滑压力和油膜厚度分布;在此基础上,计算轮齿接触区次表面的米歇斯应力分布,根据Zaretsky接触疲劳寿命计算模型,对齿轮组的接触疲劳寿命进行模拟预测.针对不同工况参数下接触疲劳寿命计算表明:润滑油黏度、轮齿表面粗糙度等因素对齿面接触疲劳寿命均有显著的影响.     

不同压力角下自由端面对渐开线直齿轮弹流润滑性能的影响

区别于基于半空间理论的传统直齿轮弹流润滑模型，本文基于有限长空间解建立考虑轮齿自由端面影响的渐开线直齿轮有限长弹流润滑模型. 采用叠加法构造自由端面，矩阵法和半解析法求解自由端面的影响，快速傅里叶变换算法加速齿面弹性变形计算；采用统一Reynolds方程法求解油膜压力和油膜厚度. 以啮合节点为特征位置，分析比较不同压力角下自由端面对直齿轮弹流润滑的影响. 结果表明:与半空间模型比较，考虑自由端面后端面峰值压力降低，压力分布更均匀，最小油膜厚度增大；增大轮齿压力角，节点压力水平减小，油膜厚度增大；当压力角不同时，自由端面对齿轮弹流润滑压力峰值的影响基本相当，对最小膜厚的影响较大.      

球轴承启停过程的瞬态热混合润滑分析

建立了角接触球轴承的几何和数学模型,通过求解考虑了热效应和时变效应的Reynolds方程,对启动和制动过程中的球轴承瞬态热混合润滑问题进行了分析,考虑了不同加速度启动工况下的瞬态热混合润滑情况.结果表明:启动过程中,随转动速度的增大,最小膜厚增大,轴承逐渐由边界润滑进入弹流润滑状态;不同滑滚比下进入弹流润滑状态的时间有所不同,随着滑滚比的增大,进入弹流润滑的时刻有所推迟,轴承处于同一转速条件下的油膜厚度变小;随着转速的增大,油膜温度升高,最高油膜温度增长幅度减小;加速度的增大使边界润滑消失的时间提前,随着转速的增加,油膜温度增大,且在同一时刻加速度越大油膜温度越高;油膜减小过程中的挤压膜作用导致轴承制动过程中的油膜厚度大于启动过程中的油膜厚度;由于在相同转速下轴承在启动时处于边界润滑状态,而在制动时处于弹流润滑状态,润滑状态的不同导致制动过程中的最高油膜温度较启动过程较小.     

考虑热弹性变形的角接触球轴承微观热弹流分析

运用点接触热弹性流体动压润滑理论,考虑了润滑油膜温升变化引起的角接触球轴承中滚珠和内圈接触表面的热弹性变形和表面随机粗糙度的影响,提出了一种计入热弹性变形和随机粗糙度影响的角接触球轴承热弹性流体动压润滑分析方法.该方法通过将热弹性变形进行热力转换,得到了滚珠和内圈接触表面的材料线热膨胀系数,计算修正了滚珠和内圈表面因油膜温度场变化引起的热弹性变形,求得了计入热弹性变形和表面粗糙度后的油膜压力、油膜厚度、油膜温升以及热弹性变形等主要润滑特性,研究了内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和油膜压力的影响规律,结果表明:最大热弹性变形量与最小油膜厚度处在同一量级,并且内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和压力会产生明显的影响.进一步对比分析了几种算法下的最小膜厚,验证了计入热弹性变形的数值算法的可行性.     

渐开线直齿轮弹流润滑条件下的多轴疲劳寿命预估

本文中基于弹流润滑分析和次表面应力建立了渐开线直齿轮多轴疲劳寿命计算模型.相对于传统的单轴疲劳模型,考虑了齿轮固定点的应力历史和材料属性对疲劳寿命的影响,并可以得到齿轮在完整啮合过程中的寿命分布.首先建立齿轮的有限长弹流计算模型,得到齿轮啮合过程中的油膜压力和油膜厚度,再根据油膜压力计算出次表面的应力分布;通过分析齿轮计算区域随啮合过程移动的关系,得到固定点的应力历史,再根据基于应力历史的多轴疲劳寿命模型对齿轮的完整啮合过程进行寿命预估.计算分析了不同粗糙度幅值对轮齿各点寿命大小和分布的影响.研究表明:齿面粗糙度对疲劳寿命的影响显著,随着粗糙度幅值的增大,表层下最大应力向齿面移动,导致低疲劳寿命区向齿面发展且逐步扩展到整个单齿啮合区;而表面粗糙度降低到一定程度则对疲劳寿命的影响变得不明显.     

平行运动的粗糙表面润滑承载性能研究

分析了微米级润滑膜条件下,光滑表面在静止粗糙表面上平行运动时的润滑状态及其承载机制,利用Reynolds流体润滑方程分析粗糙度对油膜压力、载荷及摩擦系数的影响,采用有限差分法计算在正弦和随机粗糙峰条件下油膜的压力分布曲面图,通过改变正弦粗糙度的峰高和波长分析油膜承载能力和摩擦系数随粗糙度变化的规律,同时分析了最小油膜厚度对润滑状态的影响.结果表明:两光滑平行运动的平面无法承载,而粗糙表面微粗糙峰的收敛楔形部分可以形成流体动压润滑膜并承受一定载荷;在给定最小油膜厚度的条件下,随着正弦波峰值增加,承载能力达到最大值后缓慢降低,摩擦系数达到最小值后缓慢增大;除了粗糙峰波长很小时摩擦系数很大以外,波长对摩擦系数的影响很小,而承载能力随波长以二次曲线变化并出现最大值;在给定粗糙度幅值条件下,当最小膜厚在1～100 μm时,随着最小油膜厚度的增加,承载能力减小,摩擦系数逐渐增大.     

渐开线斜齿轮非稳态弹流润滑数值模拟研究

建立了渐开线斜齿轮啮合的弹流润滑计算模型,将斜齿圆柱齿轮啮合的齿面接触等效为有限长线接触的弹流润滑问题.考虑斜齿轮啮合的实际因素,将斜齿轮啮合过程中的等效曲率半径和齿面载荷的变化反映到弹流润滑计算模型中,应用统一Reynolds方程方法求得轮齿在1个完整啮合周期内的瞬时弹流润滑数值解.结果表明：斜齿轮啮合线上各点处的膜厚、压力均有较大不同,各接触点处的油膜厚度受综合曲率半径的影响较大;斜齿轮传动非稳态效应相对较弱;小齿轮齿根附近和节点位置处润滑状态较差;适当增大压力角可以改善齿轮的润滑.     

表面粗糙度特征对齿轮接触区润滑特性的影响

大部分工程实际粗糙表面符合非高斯分布,并对齿轮接触副润滑特性有重要影响.将渐开线齿轮啮合过程中齿面接触等效为三维无限长线接触,建立了一个可分析直齿轮和斜齿轮的混合弹流润滑计算模型;采用基于快速傅里叶变换的数值仿真方法生成给定参数的非高斯粗糙表面;运用该模型对直齿轮和斜齿轮啮合过程进行分析,求得不同表面粗糙度特征齿轮在各个啮合点的油膜厚度、接触区载荷以及接触区比例的情况.结果表明:对于标准差相等的非高斯粗糙表面,偏度值对齿轮润滑状况的影响与工况紧密相关,在润滑良好的条件下,偏度值越小润滑状况越优;润滑恶劣的条件下,偏度值越大润滑状况越优;而在各种工况下,峰度值对齿轮润滑状况的影响都表现出峰度值越大润滑状况越优的特点.     

换向持续时间和换向点位置对往复运动齿轮齿条弹流润滑的影响

往复运动齿轮齿条的润滑失效通常发生在换向死点位置附近，因此研究齿轮齿条换向点位置和换向持续时间对换向过程中润滑油膜的影响具有重要的实际意义。根据齿轮齿条换向瞬间的运动几何关系，建立了换向过程齿轮齿条弹流润滑的瞬态数值模型。采用Ree-Eyring润滑流体，应用多重网格法和多重网格积分法等数值方法，计算得到了齿轮齿条往复运动过程中换向点位置附近一对啮合轮齿间的压力、膜厚和温度，并与前人的实验结果进行了对比验证。分析了不同换向持续时间和换向点位置对一对啮合轮齿间压力、膜厚和温度的影响。齿轮齿条换向过程中油膜厚度明显降低，缩短换向持续时间虽然可以增大齿轮齿条的润滑膜厚，但会导致瞬间油温升高，因此换向持续时间存在最优值。通过比较不同换向死点位置的膜厚发现，当换向死点在单齿啮合后的双齿啮合区时，啮合轮齿间具有较理想的润滑膜厚。无论换向持续时间长短，润滑膜厚的最小值都在换向死点位置，换向死点位置是往复运动齿轮齿条润滑失效的危险点。研究结果为往复运动齿轮齿条的润滑设计提供了理论依据。     

啮入冲击对直齿轮弹流润滑的影响

考虑齿轮啮入冲击载荷,曲率半径、卷吸速度沿啮合线随时间的变化以及温度场的影响,用非牛顿流体的Ree-Erying润滑模型,利用多重网格法模拟了轮齿从啮入到啮出整个时间历程中油膜压力、膜厚和温度分布的变化,对比分析了啮入冲击载荷与平稳载荷对渐开线直齿轮时变非牛顿热弹流润滑结果的影响.数值结果表明,啮入冲击载荷只对啮入初始阶段的油膜压力、膜厚、温度有很大影响,最小膜厚和最大压力都发生在冲击载荷的最大峰值载荷时刻,所以齿轮的啮入冲击对齿轮保持良好的润滑状态是不利的.     

考虑粗糙度和固体颗粒效应的直齿轮跑合瞬态热弹流润滑分析Transient thermal elasto-hydrodynamic lubrication of spur gears in running-in process considering solid particles and surface roughness

建立了含有固体颗粒的弹流数学模型,修正了Reynolds方程,考虑了连续波状粗糙度的影响,对跑合过程中直齿轮轮齿啮合区的弹流润滑进行了数值解算,分析了固体颗粒和粗糙度对压力、膜厚和温度的影响。结果表明,连续波状粗糙度会引起压力和膜厚一定幅度的上下波动,考虑固体颗粒后,压力变大,膜厚减小;颗粒速度越大,膜厚越小,最小膜厚减小,最大温升一定幅度减小,颗粒所在区域的温升减小;粗糙度波长较小时,粗糙度对膜厚较小的接触区引起的温升较大。     

基于载荷分担理论的渐开线斜齿轮热混合弹流润滑分析

沿接触线把斜齿轮分成许多小薄片,每一薄片看成具有当量角速度的直齿轮,根据欧拉方程得到任一接触点处的曲率半径和表面速度.然后基于载荷分担、弹流润滑和粗糙线接触理论,建立了考虑表面粗糙度的斜齿轮传动混合热弹流润滑模型.研究了斜齿轮传动稳态载荷分布下牛顿流体和Carreau流体时的润滑特性.结果表明:牛顿流体和Carreau非牛顿流体模型下,中心油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升随时间和接触线的变化规律相同.牛顿流体下的摩擦系数较工程实际偏大.Carreau非牛顿流体模型下摩擦系数和工程实际相符,其随接触线啮合位置的变化规律与油膜厚度正好相反.