齿根三维粗糙表面的应力集中系数计算研究

考虑粗糙表面影响因素的齿轮齿根处应力集中系数计算是齿轮弯曲疲劳寿命精准预估的难题,以磨削喷丸后的直齿轮为研究对象,研究粗糙表面下的齿根应力与应力集中计算问题。采用白光干涉仪Wyko NT9100对磨削喷丸齿根粗糙表面进行测量,得到粗糙表面形貌数据,基于空间坐标变换原理,使用Python对有限元软件进行二次开发,通过调整齿根细化网格节点坐标实现了齿根表面粗糙形貌的添加工作,建立了齿根过渡曲面三维粗糙表面有限元模型并进行仿真分析。通过数值计算得到三维粗糙表面参数下的齿根应力分布与应力集中系数,对粗糙表面参数与应力集中系数的关联规律进行非线性回归分析,建立粗糙表面参数与应力集中系数的关联规律。结果表明,粗糙表面参数S_a、S_v、S_10z拟合应力集中系数得到拟合公式的相关系数分别为0.799,0.784,0.914,十点区域高度参数S_10z能较好地表征齿根表面的应力集中。     

基于应力释放提高齿轮弯曲强度方法的研究

齿轮齿根圆角部位的应力集中是影响齿轮弯曲疲劳的重要因素,为了提高齿轮的弯曲疲劳强度,在齿面开应力释放圆孔使齿根应力重新分布来减小齿根最大弯曲拉应力。采用二维有限元计算圆孔的半径及最佳位置,通过三维有限元模型进行验证及接触应力计算,并进行弯曲疲劳极限分析。结果表明:对于选定参数的齿轮,齿面开圆孔可以使齿根应力重新分布来减小齿根最大弯曲拉应力,大大提高齿轮的弯曲疲劳寿命并减小齿轮质量;但应力的减小与开孔的位置及圆孔的大小有很大关系,存在最佳的圆孔大小和圆孔位置;齿轮参数不同也会引起最佳圆孔位置和大小的改变,并且齿根应力的微量减少都会使弯曲疲劳寿命大幅度提高。     

汽车变速箱齿轮疲劳裂纹萌生区域预测

以国产某轿车变速箱齿轮为例,对表面强化后齿根附近沿深度的残余应力和硬度的分布预测疲劳强度分布和疲劳裂纹萌生区域进行了详细的研究.变速箱齿轮经过表面强化后,通过齿根附近沿深度的残余应力、硬度分布以及强度和硬度之间的转换关系,得到了齿根附近沿深度的弯曲疲劳极限分布,齿根次表面下0.25mm～0.45mm之间的区域是疲劳危险区,疲劳裂纹萌生从此区域开始,并得到了微观的初步验证,为进一步研究齿轮弯曲疲劳断裂机制和齿轮表面强化工艺提供了理论参考依据.     

夹杂物随机分布特征对齿轮接触疲劳性能的影响研究

齿轮材料中存在非金属夹杂物会显著降低齿轮的接触疲劳强度,其作用机理研究可为生产质量的控制和服役性能的评价提供重要指导。为此,建立了含随机分布非金属夹杂物的齿轮副有限元接触分析模型,并基于Brown-Miller多轴疲劳准则研究了夹杂物分布特征对齿轮接触疲劳性能的影响,预测了3种不同可靠度下的齿轮接触疲劳R-S-N曲线。结果表明,次表面夹杂物的存在,尤其是夹杂物的聚集,会产生相当大的应力集中,并造成接触疲劳寿命的显著降低;最小疲劳寿命深度主要位于0.35bH到0.75bH的范围内,其统计分布与对数正态函数的符合度最高,其次为三参数威布尔分布函数;接触疲劳寿命较好地符合三参数威布尔分布。     

齿面几何结构对面齿轮弯曲疲劳寿命的影响

基于坐标变换和啮合原理推导出面齿轮齿面方程,建立不同齿面参数(压力角、模数)的面齿轮传动有限元模型,分析了齿面参数对齿根弯曲应力、接触面积的影响以及弯曲应力沿齿高方向、齿宽方向的分布规律。面向磨齿及铣齿齿面粗糙度,根据修正的局部应力应变法计算了不同齿面粗糙度下的疲劳裂纹生成寿命,利用损伤容限设计法对疲劳裂纹扩展寿命进行了预测。研究结果表明,压力角对齿面弯曲疲劳寿命影响明显,尤其是对裂纹扩展寿命影响较大,增大压力角有助于提高齿面弯曲疲劳综合寿命;此外,磨削齿面较铣削齿面有利于提高齿面弯曲疲劳寿命。研究内容可为面齿轮抗疲劳设计提供依据。     

基于残余应力的轮齿齿根强化对弯曲疲劳强度影响研究综述

随着工程技术的不断发展,弯曲疲劳强度成为齿轮进一步发展的重要限制因素,且弯曲疲劳失效相较于齿面失效更具危险性。结合齿轮弯曲疲劳折断机理及裂纹扩展过程,系统阐述了齿根裂纹萌生重要影响因素(包括齿根过渡圆角、磨削台阶及残余应力场等)对齿根弯曲疲劳性能的影响;基于残余应力和表面及亚表面组织可控的齿面强化机理,进一步分析了改善齿轮弯曲疲劳性能的表面强化工艺(包括喷丸强化、齿根磨削工艺等)及其研究进展;着重探讨了齿根磨削对齿轮弯曲疲劳性能的影响。为工程实际中优化齿轮设计及制造、改善齿轮弯曲疲劳性能提供理论依据和技术参考。     

应用边界元方法设计高强度齿根过渡曲线

本文设计了齿轮刀具原始齿形的几种新型刀顶廓形,并用边界元方法计算了具有这些刀顶廓形的刀具加工得到的齿轮的齿根过渡曲线应力集中情况。探讨了新刀顶廓形设计的最优参数选择,使齿轮的弯曲疲劳寿命达到用标准刀具加工齿轮的3～4倍。     

冲击载荷作用下齿根过渡圆角半径对轮齿疲劳寿命的影响

在某减速机同步器失效后发生打齿的情况下。以斜齿轮为研究对象,对其进行静力学强度分析,找出轮齿应力集中区域及最危险部位。发现通过增大齿根过渡圆角半径可降低轮齿所受应力。随后结合齿轮实际工况,利用ANSYS/LS-DYNA模拟了真实情况下轮齿间的冲击碰撞,得到了冲击载荷谱。将静力学分析结果与仿真得到载荷谱同时导入疲劳分析软件ANSYS/FE-SAFE中对斜齿轮进行了轮齿疲劳寿命分析,可知齿根过渡圆角半径的增大可使轮齿寿命显著提高,为斜齿轮结构优化设计和齿轮工况研究提供了理论依据。对于冲击载荷作用下的轮齿疲劳寿命预测也提供了一种新方法。     

疲劳寿命影响因素的试验研究

考虑应力集中、表面加工及尺寸三方面影响因素设计10种疲劳试样,进行拉压疲劳试验,得到了不同形式试样的疲劳寿命。应用三参数Weibull分布描述了疲劳寿命分布的特性。试验结果分析表明:同时存在应力集中和表面加工影响的零件,应力集中对疲劳寿命的影响起主导作用;对于缺口试件,纯粹意义上的尺寸效应是不起作用的,危险点周围材料的应力梯度是造成尺寸效应的关键。     

少齿数非对称斜齿轮弯曲疲劳应力特性分析

少齿数非对称齿轮在越来越多的小型化、轻量化和节能高效领域得到研究与应用,而对其弯曲疲劳应力特性研究较少。基于齿轮加工原理,搭建齿轮的全齿廓坐标方程,提出包含非对称齿廓和切向变位的少齿数非对称齿轮齿根弯曲应力的解析计算方法,并与有限元方法的计算结果进行对比。采用数控加工方法高效加工少齿数非对称齿轮和少齿数对称齿轮,通过高频疲劳试验机对少齿数非对称齿轮与对称齿轮进行弯曲疲劳强度试验,利用疲劳累积失效假设,对不同应力水平的试验结果进行分析,得到完整真实的C-R-S-N曲线,为少齿数非对称齿轮弯曲疲劳寿命估算提供依据。结果表明,用解析法计算,少齿数非对称齿轮齿根弯曲强度比对称齿轮提高13.64%;用有限元法计算,少齿数非对称齿轮齿根弯曲强度比对称齿轮提高14.78%;在相同载荷下,少齿数非对称齿轮比对称齿轮的弯曲疲劳寿命平均提高46.86%,这与解析法和有限元法结果一致;为此类研究提供参考方法。     

基于42CrMo齿轮的弯曲疲劳试验研究

42CrMo属于超高强度钢,其具备较高的强度,材料淬透性能好,淬火后的变形量小,大量地应用于牵引用的大齿轮、承压主轴、连杆等传动件材料,弯曲疲劳试验对齿轮疲劳寿命预测具有重要意义。首先,通过齿轮弯曲疲劳试验,获得了应力比R=0.1时交变载荷作用下的齿轮弯曲疲劳试验数据,得到了齿轮弯曲疲劳强度P-S-N曲线和拟合曲线关系式,以及不同可靠度下齿轮所能承受弯曲的疲劳极限值。随后,采用有限元方法对齿轮弯曲疲劳试验进行了数值模拟,得到了齿轮齿根处的静力学强度和理论计算值对比,分析表明数值模拟所得结果与理论分析结果基本一致,可以作为弯曲疲劳试验疲劳寿命仿真的基础。最后,通过弯曲疲劳寿命试验试验值与数值模拟结果对比,结果表明,疲劳寿命试验值与可靠度在84.1%时数值模拟得到的弯曲疲劳寿命基本一致,验证了数值模拟的准确性,因此能够有效预测42CrMo齿轮的弯曲疲劳寿命。     

考虑齿间载荷分布的齿轮弯曲疲劳寿命估算

考虑齿轮啮合过程中齿间栽荷分布的因素,通过对齿轮原始栽荷历程进行插值修正和雨流计数,运用三维有限元分析方法,探究了齿间栽荷分布对齿轮弯曲疲劳寿命预测的影响。研究结果表明,考虑齿间栽荷分布对齿轮栽荷谱的统计特征有较大影响,并降低了齿轮的弯曲疲劳寿命预测结果。     

不同转速下变速箱齿轮齿根应力历程的特性分析

用有限元方法,建立汽车变速箱齿轮结构的三维动力学模型.模拟齿轮实际啮合过程中的连续冲击载荷,研究不同转速下齿轮齿根应力历程,得到随着转速变化,齿根应力的变化规律,对于齿轮强度及弯曲疲劳寿命计算具有一定的指导意义.     

提高齿轮弯曲强度的有效措施——加大齿根过渡圆角

本文用有限元计算及疲劳寿命试验法研究了不同齿根圆角对齿轮弯曲强度的影响。证明了加大齿根过渡圆角后的寿命相当于原有的三倍,所以是强化设计变速器的有力措施。本文还研究了加大齿根圆角的适用范围,提出了供设计时选择参数用的线图。并对加大刀刃圆角的剃前滚刀提出了设计方案。     

表面微观形貌对疲劳强度影响的定量分析

利用原子力显微镜对表面定量测量的结果,通过建立有限元模型,分析了表面微观形貌表征参数对微应力集中的影响,研究了四种不同表面处理方式对lCrllNi2w2MoV不锈钢疲劳性能的影响。结果表明:各表征参数包括微缺陷温度、微缺陷的谷底半径和单峰平均间距对微压力集中都有影响,仅靠表面粗糙度参数无法真实反映表面微观形貌对微应力分布的影响;不同表面微观形貌所引起疲劳性能的变化与其表征参数的变化是一致的,利用表面形貌参数可以定量分析不同表面所导致的疲劳性能的改变。     

齿根过渡曲线对齿轮弯曲疲劳强度影响的研究

以材料弯曲疲劳特性为基础,利用ANSYS软件采用有限元技术对不同齿根过渡曲线对齿轮齿根弯曲疲劳强度的影响进行研究,确定不同齿根过渡曲线形状及半径下的齿轮应力、应变,进而确定轮齿危险断面位置,对选择不同齿轮加工方法提供了理论依据.并对更加精确进行弯曲疲劳强度校核,对齿轮传动过程中力学特性进一步深入研究,为齿轮传动的优化设计提供了基础理论.     

花键微动磨损和损伤累积的耦合机制及寿命预测

渐开线花键联轴器在航空领域应用广泛，花键在复杂工况下往往达不到预期寿命，其中花键轴不对中对花键服役寿命产生较大影响。基于有限元方法建立了高效的花键三维仿真模型，分析内外花键轴偏斜0.3°时花键各齿载荷分布规律，基于Archard磨损模型计算接触区域各节点的磨损深度，并基于ABAQUS的UMESHMOTION子程序和Arbitrary Lagrangian-Eulerian技术更新网格，采用Brown-Miller和Smith-Watson-Topper临界平面准则充分考虑花键齿面和齿根区域的应力状态差异，并拟合花键循环寿命、最大磨损深度与磨损系数之间的关联规律，采用试验方法测试表面磨损形貌，验证模型的有效性，为花键联轴器的设计和校核提供指导依据。结果表明：磨损演化逐渐改变初始应力集中区域的几何形状，从而减少了应力集中效应，提高了花键剩余寿命。当磨损系数较大时，花键以磨损失效为主，当磨损系数较小时，花键以疲劳裂纹萌生失效为主。     

基于能量累计曲线的圆柱齿轮疲劳寿命预测模型

圆柱齿轮应用广泛,建立适用范围广、便于计算的圆柱齿轮弯曲疲劳寿命预测模型有重大意义。通过齿轮弯曲疲劳试验结合有限元模型仿真结果,计算得到了不同应力幅值下齿根处能量累计曲线;在能量累计曲线的基础上,得到不同应力幅值下的断裂累计能曲线。基于Palmgren-Miner线性累积损伤理论和以上曲线,提出了一种圆柱齿轮弯曲疲劳寿命预测模型。采用该模型分析了不同应力幅值下的圆柱齿轮弯曲疲劳试验结果,均处于模型预测结果 3倍范围内,证明该模型可以较为准确地预测圆柱齿轮弯曲疲劳寿命。     

HXD1C型大功率机车传动系统齿轮的疲劳可靠性分析

基于标准和可靠性曲线,分析了HXD1C大功率机车传动系统齿轮的接触和齿根弯曲疲劳可靠性。结果表明,按照齿轮标准计算方法,齿轮的啮合接触疲劳强度和齿根抗弯强度合格。基于接触和齿根弯曲疲劳可靠性曲线的分析结果表明,在置信度95％及可靠度0．99下,齿轮的抗弯疲劳强度较弱,寿命321．32万公里;在置信度95％及期望寿命80万公里下,传动齿轮的抗弯疲劳强度仍然较弱,可靠度水平为0．9971。     

提高齿轮弯曲强度的有效措施

随着汽车变速器趋向于强化设计,提高齿轮的弯曲强度就成为一个重要课题。本文用计算机模拟齿廓的范成过程,然后用有限元法研究刀刃圆角半径对齿轮弯曲应力的影响,指出增大齿根过渡曲线的曲率半径可以使齿轮的弯曲疲劳寿命达到原有的三倍。用不同齿根曲率半径的齿轮所做的疲劳试验证实了此结论。这是提高齿轮弯曲强度的有效措施。本文还讨论了增大齿根曲率半径的适用范围,给出了选择齿轮参数的线图。