斜齿圆柱齿轮齿面磨损建模与数值分析

综合运用Hertz接触理论和Archard磨损公式,建立斜齿圆柱齿轮齿面磨损模型,并对其齿面磨损特性进行数值仿真。仿真表明,理想工况下,斜齿轮副的齿面沿齿宽方向非均匀磨损,其在节圆附近的磨损量最小,在小齿轮靠近齿根部位的磨损量最大。在此基础上,进一步分析负载工况和磨损循环次数对齿面磨损量的影响。分析表明,负载转矩和循环次数对齿面磨损量影响显著。当以减磨延寿为齿轮设计目标时,必须计入负载工况和齿轮寿命的影响。     

低速工况下渐开线圆柱直齿轮齿面粘着磨损计算

针对低速工况车辆传动系统中齿轮磨损影响系统寿命问题,基于考虑齿面磨损的载荷分配系数模型和Archard磨损模型,提出了一种适用于渐开线圆柱直齿轮的齿面粘着磨损计算方法。通过与试验数据对比,验证了模型的有效性。进而研究了齿面载荷和磨损因数等因素对齿面磨损深度影响规律,仿真结果表明:渐开线直齿轮节点附近磨损量几乎为零;小齿轮齿根附近齿面磨损最为严重;单、双齿啮合交替区域齿面磨损量相对于其他位置有突变。本文提出的齿面粘着磨损计算模型可以为低速工况齿轮磨损寿命的预测提供理论基础。     

椭圆齿轮传动系统齿面接触与动态磨损分析

为获取椭圆齿轮齿面动态磨损特性,以一对相互啮合的椭圆齿轮副为研究对象,基于Hertz接触理论和Archard磨损计算通式,建立了椭圆齿轮齿面接触应力和齿面磨损计算模型,运用数值计算方法模拟了齿面接触应力和齿面啮合点处的磨损分布情况,获取了不同设计参数和工况参数条件下齿面接触应力及齿面磨损量随齿廓压力角的分布规律。分析表明:齿面接触应力在单、双齿啮合交替区域会发生突变,随着偏心率和转矩的增大,齿面接触应力呈现出递增趋势。齿面磨损量由齿根到齿顶先减小后增大,在节圆处理论磨损量趋于零;齿面磨损量随着偏心率、输入转矩和转速的增加而呈现出递增趋势。因此,在满足既定要求和运动规律的条件下,减小偏心率、输入转矩及转速有利于降低齿面磨损。研究结果对后续非圆齿轮的动态磨损分析和轮齿修形具有一定的指导意义。     

考虑摩擦的磨损和修形齿轮啮合刚度计算

研究齿面偏差对齿轮啮合刚度的影响,对准确获得齿轮系统动态特性具有重要意义。本文基于改进能量法,提出了一个求解考虑齿面摩擦的直齿轮啮合刚度的完整模型。该模型通过齿廓的参数方程,实现考虑齿轮加工刀具圆角半径和齿面偏差对齿轮单齿啮合刚度的影响;通过齿形误差带来的齿间间隙和轮齿加载变形量的关系,求解出双齿啮合区齿轮副总刚度。分析了磨损齿轮和修形齿轮的啮合刚度、齿间载荷分配系数和传递误差。结果表明：齿面非均匀磨损量会显著降低双齿啮合区刚度并降低重合度,轻载条件下尤为严重;修形齿轮载荷大于修形设计载荷值时,修形效果不明显,而载荷小于修形设计载荷值时,可能出现刚度不足、重合度减小和加载传动误差显著增大等问题。     

基于改进谱残差的直齿圆柱齿轮啮合磨损状态检测方法

针对当前齿轮磨损检测方法存在检测正确率低、时间长、效果差的问题,提出了基于改进谱残差的直齿圆柱齿轮啮合磨损状态检测方法.基于直齿圆柱齿轮动力学模型结构,考虑直齿圆柱齿轮摩擦转矩,建立了直齿圆柱齿轮啮合系统动力学方程.通过计算齿轮啮合力,定义符号函数,利用改进谱残差,寻找直齿圆柱齿轮啮合磨损图像梯度的最大值.在平滑处理直...     

齿轮磨损计算与测试方法及抑制技术

齿轮是航空航天器、大型舰船、先进轨道车辆、电动汽车、智能机器人、高效能源机械等重大装备传动系的核心元件,齿面磨损则是其最常见的失效形式.有必要从理论与试验两方面,研究齿面磨损量的确定方法及其抑制技术.基于黏着磨损、疲劳磨损和能量磨损理论及材料磨损率,对不同的齿面磨损模型及其计算方法进行分析.按等效试件、比例试件和实际试件分3类试验方法,分述其在齿轮磨损研究中的应用;并对磨损量的常用测量技术,即称重法、表面轮廓法、铁谱与光谱分析法进行探讨.研究结果显示,齿轮磨损量的预测需要根据摩擦配副材料-结构特性、使役条件及其对应的失效形式选用合适的磨损模型和测算方法,将理论分析、数值计算与测试技术密切结合.在改进传统的硬齿面和润滑技术的同时,固体润滑薄膜材料、耐磨减摩涂层和齿面复合强化等先进技术,将为高性能齿轮产品及其装备的抗磨损设计提供重要的助力.     

齿轮磨损寿命预测方法

以渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,通过理论推导,研究齿轮啮合过程中轮齿间各状态参量随啮合角的变化规律．引入磨损步长,对连续磨损过程进行离散化处理,通过磨损步长内的准静态模型代替数学上无法求解的动态非线性磨损模型,实现了对齿轮磨损问题的数值仿真．其中应用Achard磨损模型,充分考虑了齿轮负载及转速对齿轮副齿面磨损的综合影响,建立了齿轮磨损寿命预测模型,编制了相关程序,可实现对不同齿轮、不同工况下磨损寿命的预测,从理论上解决了齿轮磨损寿命的预测问题,具有一定的理论价值及工程应用前景．     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮传动几何特性分析

根据变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的加工原理与推导得到的齿面方程,确定方程各相关参数的取值范围。基于得到的齿面方程,依据微分几何,得到变双曲圆弧齿线圆柱齿轮凹、凸面主曲率的计算方法。基于空间啮合原理,计算齿轮副在某一输入角速度下两齿面啮合点处的相对运动速度。根据已得到的齿面曲率、相对运动速度计算方法,推导变双曲圆弧齿线圆柱齿轮副滑动率的计算公式。以某一确定设计参数的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮副作为算例,计算其主曲率、诱导法曲率和滑动率,分析其变化趋势;并计算不同设计参数下的滑动率,分析设计参数对其影响,以此作为分析该齿轮副设计及优化的参考。分析结果表明：对变双曲圆弧齿线圆柱齿轮来说,模数越大,齿数比越小,齿线半径越大,则滑动率的变化范围越小,齿轮副在运转过程中的磨损更均匀;就磨损而言,大模数、小齿数比、大齿线半径的齿轮具有更好的性能。建立变双曲圆弧齿线圆柱齿轮副滑动率与磨损之间的量化关系,反映出其正相关关系,为齿轮磨损量的计算提供参考。     

齿面磨损数值仿真方法综述

齿轮是机械传动中的重要基础元件,在航空航天、轨道交通、工程机械与精密仪器等领域有广泛应用,齿面磨损是齿轮的主要失效形式。首先,按照不同的磨损机理,分别综述了齿面黏着磨损和齿面疲劳磨损的数值建模研究,总结了磨损模型的4个发展阶段。其次,阐述了考虑系统动态响应、多种润滑状态及微观形貌演变的齿面磨损仿真研究,简述了国内外学者在该领域中的研究成果与存在的问题。最后,总结了齿面磨损数值仿真领域值得深入探索的问题,并对该领域的发展方向进行了展望。     

人字齿轮系统齿根动应力计算与对比试验

为了准确地计算人字齿轮的齿根动应力,建立了考虑误差激励、时变啮合刚度激励、啮入冲击激励和齿侧间隙影响的人字齿轮传动系统十二自由度啮合型弯-扭-轴耦合动力学模型,提出考虑实时动载荷对齿间载荷分配系数影响的齿根动应力计算方法．以某船用人字齿轮副为实例进行的仿真计算结果表明:随着外载荷和输入转速的增加,人字齿轮传动系统齿根动应力最大值均呈增加趋势;由于齿侧间隙的存在,随着外载荷增加,齿根动应力的相对波动趋势经历了先减小后增大的过程．试验数据与数值仿真基本吻合,较准确地反映了齿根动应力的波动趋势．     

Investigation on meshing and dynamic characteristics of spur gears with tip relief under wear fault

Combining the loaded tooth contact analysis(LTCA) method and the gear dynamic model, a wear prediction model for spur gears with tip relief is established. The simulated wear depth is verified by the experimental results in a published reference.Based on the wear profile, the mesh stiffness and the tooth root stress obtained from the proposed model are compared with those obtained from the finite element model. Relative to the finite element method, the proposed method can greatly reduce the computation time. The effects of the tip relief and surface wear on the meshing and the dynamic characteristics are discussed.The tip relief can greatly decelerate the surface wear. Appropriate tip relief and slight wear can decrease the tooth interference and reduce the system vibration. Furthermore, the effects of the rotational speed on the wear depth are also studied and it is found that the quasi-static model is applicable to wear prediction when the rotational speed is away from the harmonic resonance peak.     

Numerical Simulation Study on Wear of Spur Gears under Dynamic Conditions

A numerical simulation model is proposed to predict the wear depth of gears, where Archard''s wear equation and a nonlinear dynamic model are combined to establish a wear calculation model under dynamic conditions. The dynamic meshing force, determined by the non-linear dynamic model, and the sliding coefficient are used by Archard''s wear equation to calculate the surface wear. Then the dynamic meshing force and sliding coefficient would be recalculated according to the surface wear state. After repeated iterations, the simulation results show that the peak and fluctuation of the meshing force increase first, then decrease, and eventually maintain stability during the process of wear. As for the distribution of wear depth, its fluctuation also increases first and then declines. Finally, the distribution of wear depth becomes V-shaped. Comparing the trends of the two factors, it is clear that the meshing force and wear depth are closely related. Moreover, the wear rate maintains a higher constant value first and then declines to a lower constant value.     

材料填充对滤波减速器啮合力与润滑特性的影响

为提高滤波减速器寿命,设计在齿上开槽,并在槽内填充紫铜、硬铝合金、尼龙1010、丁晴橡胶的新型结构。建立了滤波减速器在不同位置啮合的有限元模型,计算了不同填充材料齿轮在不同啮合位置的啮合力。在此基础上建立了考虑齿面粗糙度的滤波减速器混合润滑模型,分析了转速对不同填充材料滤波减速器润滑特性的影响。有限元模型计算结果表明：材料填充可以增加滤波减速器轮齿啮合对数,有效减小啮合力,齿面最大接触力随着填充材料弹性模量的减小而减小。润滑计算结果表明,材料填充可以增大齿面间平均油膜厚度,有效提高滤波减速器润滑性能。在转速小于1 500 r/min时,通过材料填充可以降低接触面积比,转速大于1 500 r/min时,材料填充对接触面积比的影响不明显;在啮入啮出点时,转速大于1 500 r/min时,材料填充可以降低滤波减速器齿面最大接触应力,转速小于1 500 r/min时,最大接触应力随填充材料弹性模量的变化规律不明显;节点啮合时,丁晴橡胶和尼龙1010可以显著降低齿面最大接触应力。     

考虑多体承载啮合斜齿行星齿轮动载特性分析

斜齿行星传动在高速重载场合中应用越来越广泛,其动载特性研究对减振降噪具有重要意义。正确地描述行星齿轮系统的啮合刚度和啮合误差是进行动力学分析的前提,为此,紧密结合齿轮几何分析与力学分析,提出行星齿轮承载接触分析技术,获得各齿轮副的耦合时变啮合刚度,并计算其啮合冲击力,为行星齿轮动力学深入分析奠定基础;其次,应用集中参数法建立考虑齿轮副安装误差、刚度激励及啮合冲击激励的斜齿行星传动啮合型弯-扭-轴动力学模型,采用数值法求解系统的动载特性。表明：考虑啮合冲击激励时,随转速的增加动载荷增加更为明显;共振转速附近,啮合冲击对动态啮合力的影响较小;安装误差特别是中心距误差是引起各齿轮副啮合刚度不同的主要原因,其进一步导致了系统的共振转速变多;行星轮浮动可以明显降低共振转速处的动载荷,由于各外（内）齿轮副刚度的不同,随转速的增加行星轮浮动使得部分齿轮副的动态啮合力明显降低。     

齿式联轴器不对中啮合力模型及其对转子系统动力学特性影响

推导了齿式联轴器不对中啮合力模型,基于有限元分析建立了考虑齿式联轴器不对中效应的转子系统动力学方程,通过数值仿真研究了不对中啮合力对转子-齿式联轴器系统动力学特性影响规律.理论分析和仿真结果表明:齿式联轴器不对中啮合力与联轴器的结构参数、传递扭矩、静态不对中和动态振动位移等有关;联轴器的刚度并非一个恒定的常数,其与动态振动位移有关,并依赖于静态不对中,在特定不对中状态下,联轴器的主刚度会出现负值.系统动力学特性表现为:齿式联轴器连接的转子系统没有不对中时,系统的响应只有1X倍频;存在不对中时,响应出现2X、3X等整数倍频;不对中量增加时,各频率成分的幅值增加,系统的振动变得复杂.研究结果可以为齿式联轴器连接的转子系统的不对中故障诊断提供依据.     

含齿面分形啮合刚度的齿轮传动系统动力学

为研究考虑齿面分形特性的时变啮合刚度对齿轮-轴承系统的影响,用分形理论描述齿轮轮廓,采用Weber-Banaschek公式计算和分析不同分形维数D对齿轮时变啮合刚度的影响,将不同分形维数D下的刚度代入计及滑动轴承非线性油膜力、综合传递误差及齿侧间隙等因素的齿轮-轴承系统中,分析不同分形维数D下的刚度对系统动力学特性的影响.采用Runge-Kutta法求解系统动力学微分方程,得到系统响应的相图、Poincaré截面图、时域图、分岔图以及三维频谱图等.结果表明:随着分形维数D的增大,时变啮合刚度波动降低,系统趋于更加稳定的周期运动;相比含随机扰动的刚度,齿轮-轴承系统对于考虑齿面分形特性的齿轮啮合刚度的变化更加敏感,更能表现因齿廓变化导致的系统响应的变化;随着阻尼比的增大,系统会趋于相对稳定的单周期运动.     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮齿面曲率特性研究

齿轮副共轭齿面间的曲率关系是表征齿轮传动质量好坏的重要参数,对齿面诱导法曲率、接触区形状、接触特性、润滑特性、磨损和齿面压应力都有直接的影响。作者基于变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的齿面方程对其曲率表达式进行推导并研究了其变化规律。首先根据大刀盘加工原理,利用坐标变换得到了变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的齿面方程。基于得到的齿面方程,利用微分几何和空间啮合原理对变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的主曲率、高斯曲率、平均曲率和诱导法曲率的数学表达式进行了推导。根据所推导的数学方程利用计算机软件得到变双曲圆弧齿线圆柱齿轮副的齿面数据点,并对该齿轮副的主曲率、高斯曲率、平均曲率和诱导法曲率进行了仿真分析,得到了在啮合过程中齿轮曲率的变化规律。通过仿真结果可知齿轮副的凹、凸齿面在齿线方向的主曲率变化趋势是一致的,但略有差异;在齿廓方向主曲率都在逐渐增大,但增加幅度恰好相反,并且主曲率的变化趋势与齿形的凹凸性是一致的。齿轮副的高斯曲率和平均曲率都很小,在啮合过程中变化幅度很小,没有发生突变,这就证明了该齿轮副的光滑程度很高,齿面连续。诱导法曲率在齿线方向的主值很小,基本接近于0,在齿廓方向的主值为负值,从而证明了该齿轮副在啮合过程中没有干涉现象发生。通过曲率研究证明了该齿轮传动性能很好、传动平稳,同时也为该齿轮后续的研究、开发和设计提供了一定的研究基础。     

人字齿轮功率三分支传动系统功率流的仿真分析

提出了人字齿轮功率三分支传动系统功率分流求解的仿真算法。在其传动原理的基础上,建立系统的数学模型,并列出系统的力矩平衡方程与变形协调方程。基于齿轮承载接触分析,运用离散齿面理论来拟合承载传动误差与载荷的函数关系式,通过求解系统的优化模型得到不同工况下各分支各齿轮副的功率分流值。该研究表明功率三分支结构可大大提高系统的承载能力,具有工程应用价值。