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.     

基于时变啮合刚度的变位齿轮系统热弹流润滑研究

为探究动载荷作用下变位齿轮系统的热弹流润滑特性,综合考虑齿轮变位和时变啮合刚度的影响,基于动力学理论,建立了齿轮的六自由度摩擦动力学模型,分析振动与静载荷作用下变位齿轮系统的热弹流润滑特性. 研究表明:与其他传动类型相比,正传动齿轮系统的润滑效果最佳,轮齿间可以形成较厚的润滑油膜,轮齿间的摩擦系数、油膜的最高温升最小,并且,随着两齿轮变位系数和的增大,润滑状况不断得到改善,热胶合承载能力增强;变位系数增加使齿轮系统的刚度增大,但同时降低了油膜的刚度.      

考虑摩擦动力学特性的渐开线齿轮润滑分析

以渐开线齿轮为研究对象,综合考虑齿面摩擦、油膜刚度和阻尼的影响,将摩擦动力学特性和齿面形貌考虑到有限长线接触弹流润滑理论(EHL)中,采用多重网格数值求解法获得了渐开线齿轮在不同啮合位置处的动载荷分布,压力与膜厚分布,并对比分析了干摩擦与润滑条件下压力分布的不同特征以及动载荷对油膜分布的影响.计算结果表明:低速时,动载荷接近稳态分布,在单双齿交替点有明显的高频冲击,随着转速的增加,动载荷变化趋于平缓;与干摩擦相比,润滑油膜可以减小最大压力峰值以及入口区和出口区的压力,但对粗糙峰凹谷处压力有所增加.沿啮合线方向,压力在节点位置附近达到最大值,膜厚受动载荷的影响较小,近似呈线性增加趋势.     

混合润滑下螺旋锥齿轮抗胶合能力分析

针对螺旋锥齿轮重载下热胶合失效问题,对螺旋锥齿轮在混合润滑条件下的摩擦热行为进行分析. 通过混合弹流润滑数值计算方法和基于有限元的热分析方法,综合考虑螺旋锥齿轮的表面粗糙度、载荷分担、速度矢量和真实接触几何等因素建立点接触混合润滑分析模型,计算啮合轨迹上的连续摩擦系数变化和摩擦热流率,采用有限元分析软件进行齿面热载荷的加载,考虑轮齿导热和齿面与环境的热对流,分析轮齿本体温度场分布和啮合过程中闪温变化. 根据齿面最大接触温度与国际标准ISO 6336-20中齿轮抗胶合能力计算方法进行比较分析. 结果表明:有限元热分析得到的齿面温度与ISO所得变化规律十分接近,其最大温度低于ISO标准计算温度,使用ISO标准计算出螺旋锥齿轮抗胶合安全系数小于有限元法. 在混合润滑下求解的齿面热流率和温度变化,并且考虑了齿轮热传导和热对流影响,从理论上来说有限元法更加符合实际工作情况. ISO方法在处理上述问题以及计算本体温度上仍有不足,但其在齿轮抗胶合能力校核上具有广泛的适用性,可考虑结合有限元热分析法解决传热问题同时进行抗胶合能力综合评价.      

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.     

基于承载接触特性的直齿面齿轮滑动摩擦啮合效率研究

为了解决直齿面齿轮滑动摩擦啮合效率的问题,基于弹性流体动力润滑理论,提出了一种计算直齿面齿轮啮合效率的方法.首先,运用轮齿接触分析(TCA)和轮齿承载接触分析技术(LTCA)对直齿面齿轮承载啮合过程进行数值仿真;其次,运用非牛顿准稳态热弹流理论建立滑动摩擦系数的计算模型,从而建立直齿面齿轮啮合效率的计算模型,最后分析了输入扭矩、转速等对啮合效率的影响.结果表明:滑动摩擦系数是影响齿轮啮合效率的重要因素;齿面不同位置滑动摩擦系数也不相同;滑动摩擦系数受输入转速、输入扭矩的影响.该方法为直齿面齿轮的进一步优化计算提供一定的理论依据.     

基于热弹流润滑的双渐开线齿轮温度场研究

针对现有双渐开线齿轮温度场计算模型不考虑油膜润滑影响的问题,根据双渐开线齿轮啮合特点,提出采用“分段法”建立适合双渐开线齿轮的热弹流润滑模型,综合有限元法和热弹流润滑方法对其本体温度进行研究,并以润滑油膜为热源对其瞬时温升进行研究,最后分析了齿腰分阶参数对双渐开线齿轮温度场影响以及与普通渐开线齿轮温度场差异. 结果表明:双渐开线齿轮本体温度沿齿宽方向呈非对称分布,主动轮最高本体温度偏向齿根啮入端,从动轮偏向齿顶啮出端;啮合齿面间的油膜瞬时温升明显高于两齿轮界面温升,且主动轮界面瞬时温升高于从动轮;齿腰分阶参数变化对双渐开线齿轮温度场影响较小;双渐开线齿轮与普通渐开线齿轮的本体温度及齿面瞬时温升区别不大.      

考虑弹流润滑作用的斜齿轮啮合分析方法研究

油膜弹流润滑在齿轮传动中有着非常重要的作用,为得到油膜润滑作用下的齿轮啮合响应,基于ABAQUS/STANDARD的静态计算结果,首先提取了仅有齿轮啮合的齿面接触刚度,再结合油膜刚度得到了齿轮和油膜的综合接触刚度,并以此综合刚度作为接触属性关系进行齿轮的静动态运动响应计算。此外,对齿轮啮合时出现的接触区域(接触斑)不连续现象也进行了分析。最终结果表明考虑油膜润滑作用时,齿轮面的最大接触应力比无润滑作用时下降了30%左右,而齿根处最大拉应力则下降了6.14%。本方法为齿轮动力学分析和齿轮的优化设计提供了基础条件。     

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.     

双渐开线齿轮传动的油膜刚度研究

在齿轮传动系统中,齿轮啮合刚度对振动、冲击、齿轮动力学特性分析以及接触应力计算有重要影响. 根据双渐开线齿轮齿廓啮合特点,基于弹流润滑理论,建立了双渐开线齿轮传动油膜刚度计算模型,研究双渐开线齿轮传动油膜刚度变化规律. 采用对比法分析了双渐开线齿轮与同参数普通渐开线齿轮传动油膜刚度差异,并研究双渐开线齿轮齿廓参数和工况条件对油膜刚度的影响. 分析表明:双渐开线齿轮由于轮齿分阶的影响,与同参数渐开线齿轮传动油膜刚度相比有较大差异;双渐开线齿轮传动油膜刚度随齿腰高度系数的增大而减小,齿腰切向变位系数变化时,油膜刚度基本不变;工况条件变化时,双渐开线齿轮传动油膜刚度随转速的增大而减小,随载荷增量因子的增大而增大.      

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.     

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.      

渐开线直齿轮牛顿流体非稳态热弹流润滑分析

齿轮的非稳态弹流润滑问题由于啮合过程中滑滚比、曲率半径、卷吸速度和载荷变化范围较大,因此数值计算稳定性很差。而考虑热效应的齿轮非稳态弹流润滑问题,数值计算就更困难。本文应用多重网格技术,求得了齿轮牛顿流体润滑情况下,非稳态热弹流润滑问题的完全数值解。     

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.     

弧齿锥齿轮摩擦系数与啮合效率研究

综合考虑接触几何、接触载荷、速度矢量、卷吸夹角、表面粗糙度、流变特性等因素,研究了不同啮合位置以及不同转速下弧齿锥齿轮的摩擦系数与啮合效率.结果表明:一对啮合副从啮入到啮出过程中,摩擦系数先增大后减小,与相对滑动速度变化趋势相反;一个啮合周期内,弧齿锥齿轮啮合效率与摩擦系数变化规律相似,但在啮出点附近,由于下一对啮合副进入啮合,啮合效率开始增大;随着转速增大,摩擦系数减小,啮合效率增大.采用文献中已有摩擦系数计算方法分析了弧齿锥齿轮摩擦系数和啮合效率,并与本文中的计算结果进行对比.结果表明:在节点啮合时,采用经验公式与简化算法的摩擦系数预测结果误差较大,而啮合效率计算误差较小;混合润滑和全膜润滑状态下,基于摩擦系数简化算法的弧齿锥齿轮效率计算结果与本文中的计算结果相近.     

脂润滑弧齿锥齿轮热弹流润滑与效率研究

基于油动重载四旋翼无人机的特殊应用条件,研究了无人机齿轮箱内脂润滑弧齿锥齿轮的润滑状态及啮合效率.推导了适用于弧齿锥齿轮的脂润滑雷诺方程,采用计算油膜剪切力和微凸体接触摩擦力组成的复合摩擦系数代替摩擦系数经验公式的方法,研究了在无人机各种工况下的齿面润滑情况和啮合效率.结果表明,本研究中提出的考虑粗糙度的脂润滑雷诺方程能够很好预测文献中的试验结果;弧齿锥齿轮的齿面较为复杂,不能用油润滑的中心油膜厚度算法近似估计脂润滑弧齿锥齿轮整个齿面上的润滑状态;1个啮合周期内的齿面摩擦系数在节点处最大;低转速情况下,齿面将进入混合润滑状态;1个啮合周期内啮合效率的变化与啮合位置密切相关,在啮入点处效率最低;在转速不变的前提下,润滑脂黏度越高,效率损失越大.     

基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型;随后,通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态,确定接触近表面任意平面的应力与应变幅;最终,采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面,最终确定齿轮疲劳点蚀寿命,并试验验证模型有效性.结果表明：粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大,最大应力集中分布在表面,疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生;齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.     

基于分形理论的齿面法向接触阻尼计算模型

为了建立更为准确的微观尺度下齿面法向阻尼分形模型,以M-B模型为基础,利用存在摩擦时的弹塑性变形临界接触面积计算理论,并结合前期获得的两圆柱体接触面积分布公式,推导了考虑摩擦因素的齿面法向接触阻尼分形模型。通过MATLAB仿真,获得了模型中主要参数对分形接触模型影响的预测分析。结果表明:齿面法向接触阻尼在齿轮啮合过程中呈周期性变化,且随着法向载荷的增加而上升;摩擦系数与法向接触阻尼成正比关系;随着分形维数的增加,法向接触阻尼先下降后上升再下降;法向接触阻尼随着材料特性参数的变大而减小,随着粗糙度幅值参数的增加而下降;齿轮从初始啮合到结束啮合的过程中,法向接触阻尼由大变小;内接触的法向接触阻尼大于外接触。该模型的研究为后续进行齿轮动力学分析提供一定的理论参考。     

混合润滑下短齿啮合对行星齿轮接触疲劳的影响

少齿差行星齿轮为避免齿顶干涉,通常会减小齿高,这可能会导致齿面实际接触宽度小于理论赫兹接触宽度,降低齿面接触强度.鉴于此,为研究少齿差行星传动短齿制对齿轮接触疲劳的影响,综合考虑了轮齿接触宽度、楔形间隙、齿宽有限长和齿面粗糙度等因素,建立少齿差行星齿轮短齿啮合的混合润滑统一方程,求解出啮合齿对间的压力分布、摩擦系数和轮齿接触区次表面应力分布,根据Zaretsky接触疲劳寿命计算模型,对不同工况下不同啮合位置的轮齿接触疲劳寿命进行预测.结果表明:接触宽度在少齿差行星齿轮的疲劳寿命预测中不容忽视,短齿啮合模型下的楔形间隙对啮入和啮出过程的疲劳寿命有不同影响.     

齿轮磁流体润滑与动力学耦合研究

为探究齿轮磁流体润滑与动力学的耦合效应,考虑外磁场及时变啮合刚度的激励作用,建立齿轮磁流体润滑模型与动力学模型,分析磁感应强度对磁流体黏度、油膜刚度、动载荷分布以及润滑特性的影响. 研究结果表明:适当增大磁感应强度并使磁流体中的磁性颗粒达到其饱和磁化强度,可以减小动态传递误差、齿轮副振动速度以及动载荷,改善啮入冲击和换齿冲击;较大的磁感应强度可以降低油膜温升,增大油膜厚度并使油膜压力和油膜厚度的振幅减小且加快其趋于稳定的速度,在改善润滑效果的同时并在一定程度上抑制齿轮系统振动和噪声的产生.