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.     

非牛顿体通用模型线接触弹流润滑的数值分析

基于润滑剂在弹流润滑状态下表现为非牛顿体特性,根据弹流润滑理论,采用一种新的非牛顿体流变模型,建立了适用于非牛顿体的修正Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程,进行了等温弹流润滑的数值计算,并在等温解的基础地温度场分析。数值分析结果表明,由于滑滚比和模型参数对剪应力影响较大,因而在滑滚比和模型参数较大时应进行热弹流计算。通过温度场分析可证明：非牛顿体通过模型可用于等温弹流润滑和热弹流润滑计算。     

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.     

渐开线齿轮传动非牛顿润滑介质的线弹流数值分析研究

采用适合各种流变模型的广义Reynolds方程，通过数值联立求解非牛顿介质的线弹流润滑基本方程组，获得了渐开线齿轮啮合过程的油膜压力、膜厚、表面剪应力分布，并分析了啮合过程中非牛顿效应对齿轮传动最小油膜厚度的影响。在数值计算方向引入延拓方法，使表面煎应力迭代具有大范围收敛性。     

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.     

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.     

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.      

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.     

两种线接触非稳态部分弹流模型数值解的比较

本文利用一种快速求解弹流问题完全数值方法，求解了包含挤压项的非稳态部分弹流的Ｐａｔｉｒ和Ｃｈｅｎｇ的平均流动模型以及吴承伟的郑林庆的接触因子模型，研究了微峰接触动态变化特点以及这两种部分膜型的数值解异同，为更加直观、简单的部分弹流问题的接触因子模型的工程应用提供了理论依据。     

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.      

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。     

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。     

Modeling and analyzing of torsional dynamics for helical gear pair considered double and three teeth drive-side meshing

Helical gears are generally considered to be more stable than spur gears. But rattling of the helical gear transmission is found in the engineering practice. The torsional dynamics equations of helical gear pair in high-speed railway gearbox are established in order to reveal the rattling mechanism of helical gear transmission. Double and three teeth pair drive-side meshing are considered. The multi-state meshing zone, load distribution rate and time-varying stiffness determined by contact ratio are analyzed and calculated. The dynamic characteristic transition process of the system is analyzed according to the bifurcation diagrams and the corresponding top Lyapunov exponent (TLE) diagrams, phase portraits, Poincaré maps and time history spectrums of dynamic meshing force based on the calculation of these parameters. The tooth disengagement, tooth back-side contact and their parameter range are found. This study can provide theoretical basis for rattling suppression and transmission stability improvement of helical gear pair.

     

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.     

船用凸轮-挺柱副摩擦润滑性能研究

随着船舶柴油机功率密度和转速等性能参数的不断提升,配气凸轮-挺柱副面临着更加严苛的工作环境,尤其是界面微观接触区的摩擦学特性,在瞬态载荷冲击、速度冲击、曲率变化及局部粗糙峰接触条件下,界面摩擦及闪温迅速突变,带来磨损和胶合等表面失效问题. 本研究中基于先进三维线接触混合润滑模型,考虑凸轮-挺柱副瞬态突变工况及几何变化、瞬态表面粗糙度影响以及润滑油非牛顿流体作用,采用稳定性好、收敛速度快的准系统数值分析方法开展凸轮-挺柱副摩擦闪温分析,揭示粗糙度参数、工况改变及几何结构对其润滑状态和摩擦闪温特性的影响规律,为船舶柴油机配气凸轮-挺柱副摩擦学优化设计及磨损胶合失效预测提供理论指导.      

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.