考虑真实齿面粗糙度的斜齿轮弹塑性流体动力润滑研究

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齿轮作为机械系统中重要的基础件,被广泛用于传递运动和动力。随着工业生产对装备性能要求的提高,改善齿轮副可靠性和疲劳寿命的需求日益突显,因而对其服役状态,尤其是润滑接触状态和次表面应力分布的准确刻画尤为关键。齿轮加工过程形成的齿面粗糙度,对轮齿表面的润滑接触状态和次表面应力、应变状态具有重要影响。重载或一定程度的粗糙峰干接触,可使轮齿发生塑性行为,改变齿面的宏、微观几何形貌,影响齿轮副的服役性能。而传统的齿轮设计方法,通常基于赫兹接触理论,假设轮齿为完全弹性体,且不计及润滑要素和表面粗糙度对齿轮副接触性能的影响,因而不足以描述其实际工作状态。本文针对齿轮润滑接触问题,考虑成形磨、展成磨、超精加工、磨齿后涂层这四种加工方式生成的真实齿面粗糙度,及啮合过程中轮齿材料的弹塑性行为,建立斜齿轮弹塑性流体动力润滑(PEHL)接触模型,研究斜齿轮润滑接触特性,为现代齿轮的润滑设计提供理论支撑,为准确的齿轮疲劳寿命预估提供可靠的接触状态描述。论文主要研究内容如下:(1)建立考虑齿面微观形貌的斜齿轮PEHL接触模型。采用有限长线接触模型对斜齿轮传动的几何运动学关系进行等效简化。交替循环进行轮齿表面的润滑接触状态分析和次表面应力应变状态分析,构建斜齿轮非牛顿弹塑性混合润滑接触数值模型,并提出高效稳定的数值解法。(2)斜齿轮PEHL接触分析与基于完全弹性假设的斜齿轮EHL接触分析的对比。分别在理想光滑齿面、展成磨齿面下,将本文建立的PEHL接触模型的结果,与目前已较为成熟的EHL接触模型的结果进行对比,反映两者在对润滑接触状态的描述能力方面的差异。(3)齿面微观形貌对润滑接触性能的影响。一方面,对比实测的四种不同加工方式齿面的润滑接触特性。另一方面,将测得的几种齿面粗糙度,放缩至一系列均方根值,研究粗糙度均方根值对润滑接触性能的影响。并在相同均方根值下,对比源自不同齿面的微观形貌分布特征的影响。(4)工况参数变化对润滑接触性能的影响。当综合考虑齿面粗糙度及材料弹塑性时,工况对润滑接触性能的影响有别于理想光滑齿面下的情况,也不同于完全弹性假设下的情况。因此有必要基于PEHL模型,研究输入扭矩、输入转速的变化,对斜齿轮弹塑性润滑接触性能的影响规律。本文建立了斜齿轮非牛顿弹塑性混合润滑接触模型,基于实测的四种不同加工方式的齿面粗糙度,研究了齿面微观形貌对斜齿轮润滑接触特性的作用规律,并分析了粗糙度均方根值及工况参数变化的影响规律,为准确的润滑接触状态描述和现代齿轮的润滑设计提供了理论支撑。
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