双圆弧弧齿锥齿轮齿根应力沿齿长分布的研究

 用有限元方法，对双圆弧弧齿锥齿轮沿齿长方向齿根应力进行了计算． 通过应力计算结果的分析，得出了凸、凹两齿侧应力沿齿长的分布规律．计算结果表明，对凹齿侧，最大应力发生在靠近小端处；对凸齿侧，最大应力发生在靠近齿长中点大端处．     

基于齿根动应力的船用人字齿轮疲劳分析与优化

为了合理预估人字齿轮齿根动应力疲劳寿命,利用考虑啮合刚度激励、啮合冲击激励和齿面摩擦激励的十二自由度人字齿轮弯-扭-轴耦合动力学模型,同时考虑了参与啮合齿对之间的齿根应力关联性,并由此合理有效地计算出了人字齿轮齿根受拉侧的动应力变化趋势。通过对轮齿疲劳寿命机理分析,选取三种常用载荷工况下小轮齿根中点受拉侧动应力作为疲劳寿命计算对象,采用考虑应力幅值和应力均值双参数的雨流计数法,结合Miner线性累积损伤理论对人字齿轮受拉侧齿根弯曲疲劳寿命进行了预估。同时比较了考察啮合轮齿在进入啮合前其它齿对产生的反向压缩应力对疲劳寿命的影响。通过三维修形技术,对人字齿轮齿面进行了以综合载荷工况下齿根动应力疲劳寿命为目标的优化设计,优化结果表明修形后齿根动应力变化趋势平缓,疲劳寿命增加25%。     

曲面齿根X射线应力测试

采用X射线衍射法测试了小曲率齿根表面的切向残余应力,研究了通过限制X射线照射宽度降低曲面衍射效应的方法。结果表明:当照射宽度小于1/3齿根曲率半径时,可忽略曲面衍射效应的不利影响,确保X射线应力测试结果的可靠性。     

准静态条件弧齿锥齿轮传递误差和齿根应力试验研究

开展弧齿锥齿轮的试验研究可为理论设计、制造和装配等提供基础数据,提高弧齿锥齿轮的啮合质量和使用性能。以弧齿锥齿轮为研究对象,采用功率封闭试验系统,在准静态条件下开展试验研究。对不同转速和扭矩工况的传递误差和齿根应力开展测试,并从时域和频域角度进行了对比分析。结果表明：弧齿锥齿轮的传递误差呈正弦或余弦形式波动,并以转频对应幅值为主;随着扭矩的增加,弧齿锥齿轮传递误差峰峰值呈现递增的趋势,且传递误差转频对应幅值近似呈线性比例增加;转速对传递误差峰峰值影响较小,但对传递误差转频对应幅值影响较大。随着扭矩的增加,齿根应力峰峰值呈线性比例递增;转速对齿根应力峰峰值的影响较小;从小端到大端,齿根应力的变化很大且呈现增大的趋势;齿轮啮合过程中,轮齿进入啮合时,齿根应力为拉伸方向且应力逐渐增加达到峰值,随后轮齿逐渐退出啮合,齿根应力逐渐减小直至压缩方向并达到最小值;从频域角度齿根应力以转频及其倍频为主。     

采煤机行走机构动态啮合特性分析

为分析渐开线采煤机行走轮与Ⅲ型销轨的动态啮合特性,基于ANSYS/LS_DYNA建立行走机构动态啮合过程数值分析模型,以牵引阻力和行走速度为变量研究行走机构动态啮合特性,得到动态啮合时行走速度波动、节线和齿根受力的变化规律．研究结果表明：牵引阻力对行走机构速度波动和节线及齿根受力规律影响显著,随着牵引阻力增大,啮合点在节线附近时对应齿面应力相对较低,但整个啮合过程中应力波动增大;行走速度变化对速度波动持续时间有较大影响;随着行走速度增大,各项载荷峰值呈现先减小后小幅增大的现象,且到达峰值后衰减加剧．     

行星齿轮箱典型故障对内齿圈齿根应变的作用机理研究

行星齿轮箱由于具有优良的特性被广泛应用于多领域的机械传动系统中,但恶劣的工作条件导致其故障频发,因此开展行星齿轮箱故障诊断方法的研究工作十分必要。传统的基于振动信号的故障诊断方法在识别行星齿轮箱早期微弱故障方面具有局限性,为此提出基于内齿圈齿根应变信号的行星齿轮箱故障诊断方法,并主要开展行星齿轮箱典型故障对内齿圈齿根应变的作用机理研究工作。分析行星齿轮箱内齿圈齿根应变模型的构建方法,将内齿圈齿根应变模型分解为行星轮-内齿圈啮合力模型、内齿圈轮齿的齿形系数模型和齿间载荷分配系数模型;利用行星齿轮箱的纯扭转模型计算行星轮-内齿圈啮合力,利用材料力学理论推导内齿圈轮齿的齿形系数,并对行星轮-内齿圈啮合过程中的齿间载荷分配系数进行分析;研究行星齿轮箱典型故障对啮合刚度的影响,并根据内齿圈齿根应变模型计算得到典型故障下内齿圈齿根应变的变化规律。建模仿真计算分析结果表明,不同类型、不同部位、不同剧烈程度的故障会对行星齿轮箱内齿圈齿根应变信号造成不同影响,利用内齿圈齿根应变信号可有效识别行星齿轮箱的故障行为。     

保角映射法求解渐开线直齿轮齿根应力

目前国际上确定渐开线齿轮齿廓保角映射函数的方法均为数值回归法,计算复杂,映射精度的提高受到限制．为此,本文给出了渐开线齿轮齿廓保角映射函数的解析解,计算方便,使映射精度大幅度提高。以上述工作为基础,笔者给出了渐开线直齿轮齿根应力的解析公式,并由算例证实了计算结果和边界元法计算值之间的一致性。     

齿轮磨削裂纹成因分析

某齿轮磨削后表面产生了裂纹,其中齿顶裂纹为常规的磨削裂纹,而齿根裂纹为纵深较大的非常规磨削裂纹,采用化学成分分析、非金属夹杂物检验、金相检验等方法对裂纹产生的原因进行了分析,并从应力角度对磨削裂纹进行了分类。结果表明:磨削齿轮时进刀量过大使得摩擦应力陡增,在该摩擦应力与热应力的共同作用下材料表面被拉裂,导致该齿轮齿顶、齿根产生裂纹;从致使磨削裂纹产生的主导应力角度将磨削裂纹分为内应力主导的磨削裂纹和摩擦应力主导的磨削裂纹,该齿轮齿顶裂纹属于内应力主导的磨削裂纹,齿根裂纹属于摩擦应力主导的磨削裂纹。     

剃齿啮合的接触特性分析及中凹误差形成机理研究EI北大核心CSCD

探索剃齿过程中接触特性对齿形中凹误差的影响规律,对研究中凹误差形成机理具有重要的理论和实际意义。基于弹塑性理论和齿面承载接触分析技术(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA),构建力学模型分析不同载荷条件下剃齿啮合接触特性,阐述了中凹误差形成机理。应用有限元法明确了不同载荷条件下的齿面接触应力及齿廓弹塑性变形区域的划分,并与剃齿试验相比较。结果表明:随着载荷的增加齿廓上塑性变形区域随非线性增大;齿根部位较之齿顶所受的应力和变形量更大,峰值出现在节圆附近的中部位置,该区域最易出现塑性变形,同时随着剃齿低周啮合,塑性变形量不断累积,齿形误差复映,最终会在齿廓上出现明显的中凹误差现象;有限元仿真的接触应力和弹塑性区域划分结果可靠,试验验证理论分析及研究结论正确。     

剃齿啮合的接触特性分析及中凹误差形成机理研究

探索剃齿过程中接触特性对齿形中凹误差的影响规律,对研究中凹误差形成机理具有重要的理论和实际意义。基于弹塑性理论和齿面承载接触分析技术(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA),构建力学模型分析不同载荷条件下剃齿啮合接触特性,阐述了中凹误差形成机理。应用有限元法明确了不同载荷条件下的齿面接触应力及齿廓弹塑性变形区域的划分,并与剃齿试验相比较。结果表明:随着载荷的增加齿廓上塑性变形区域随非线性增大;齿根部位较之齿顶所受的应力和变形量更大,峰值出现在节圆附近的中部位置,该区域最易出现塑性变形,同时随着剃齿低周啮合,塑性变形量不断累积,齿形误差复映,最终会在齿廓上出现明显的中凹误差现象;有限元仿真的接触应力和弹塑性区域划分结果可靠,试验验证理论分析及研究结论正确。     

异形仪表圆弧齿轮滚刀齿形的设计计算

 在异形仪表圆弧齿轮几何尺寸计算的基础上,按照共轭齿条齿廓的存在条件,提出了滚刀滚动圆半径的选择方法;其次,按照齿形法线法的原理,提出了异形仪表圆弧齿轮滚刀齿形的设计计算方法,推导了设计异形仪表圆弧齿轮滚刀齿形的全部公式;最后,以某型女式机械表的周历轮为例,进行了滚刀齿形的设计计算,结果表明,由此加工制作的滚刀所滚切的齿轮,经检验完全满足设计要求.     

APPLYING NUMERICAL METHODS FOR DETERMINING THE SERVICE LIFE OF GEARS

Abstract The service life of gears with a crack in a tooth root can only be determined by numerical methods. An initial fatigue crack is assumed on the tensile side of a tooth root at the site of maximum reference stress and is assumed to commence growth perpendicularly to the surface. An initial assessment can be made using a two dimensional analysis, which is relatively quick and cheap to perform. However, if we wish to take into account the influence of the contact area of load transfer, which can be distributed along the tooth width in different ways, the gear has to be treated by a three dimensional finite element analysis. Crack profile advance is made in stages, each using the strain energy release rate criteria and giving ultimately the stress intensity factor as a function of average crack depth. With known fracture mechanics material characteristics of different gear layers, through which the crack propagates, the service life of a gear is then determined by numerical integration of Paris' equation. A one-sided contact area causes the crack to propagate several times faster than the preferred load distribution across the middle of the tooth.     

Influence of different load models on gear crack path shapes and fatigue lives

A computational model for determination of the service life of gears with regard to bending fatigue at gear tooth root is presented. In conventional fatigue models of the gear tooth root, it is usual to approximate actual gear load with a pulsating force acting at the highest point of the single tooth contact. However, in actual gear operation, the magnitude as well as the position of the force changes as the gear rotates. A study to determine the effect of moving gear tooth load on the gear service life is performed. The fatigue process leading to tooth breakage is divided into crack‐initiation and crack‐propagation period. The critical plane damage model has been used to determine the number of stress cycles required for the fatigue crack initiation. The finite‐element method and linear elastic fracture mechanics theories are then used for the further simulation of the fatigue crack growth.     

齿根安全条件下多状态啮合齿轮传动系统安全-吸引盆侵蚀与分岔

轮齿折断是齿轮主要失效形式之一。以包含单双齿交替啮合、轮齿脱啮和齿背接触等的多状态啮合直齿圆柱齿轮传动系统为研究对象,计算齿根危险截面上的弯曲应力,以齿根许用弯曲应力为边界条件,建立防止轮齿折断的齿根安全条件。基于胞映射方法,用四阶Runge-Kutta法数值计算考察区域内随负载和齿侧间隙变化时系统的吸引盆及其演变过程。判断齿根安全条件下吸引盆中不同运动类型吸引域的安全特性得到系统的安全-吸引盆。借助吸引子、多初值分岔图和最大Lyapunov指数图(TLE)分析安全-吸引盆的侵蚀与分岔机理。研究发现:吸引盆中不同运动类型吸引域在齿根安全条件下的安全特性不同;吸引子的出现和消失直接导致安全-吸引盆的分岔;多初值分岔图中出现周期跳跃和分岔是引发安全-吸引盆分岔的主要原因。研究结果可为直齿轮传动系统安全运行提供参考。     

基于动力学分析的大重合度直齿圆柱齿轮强度计算

为了探索大重合度直齿圆柱齿轮的承载能力,以2排交错布置、具有纵向重合度的直齿圆柱齿轮为研究对象,基于由动力学分析得到的轮齿间动态法向力的变化规律和齿轮的啮合点位置,采用有限元分析法计算其齿根弯曲应力,利用Hertz公式计算其齿面接触应力。通过计算可知：与静态工况相比,考虑齿轮传动系统动力学效应时,大重合度直齿圆柱齿轮的最大齿根弯曲应力增大了22.49%,最大齿面接触应力增大了10.94%;与渐开线标准直齿圆柱齿轮相比,大重合度直齿圆柱齿轮的最大齿根弯曲应力减小了17.08%,最大齿面接触应力减小了43.79%。结果表明,大重合度直齿圆柱齿轮的强度大幅提升,应用潜力巨大。     

Interior fatigue fracture of gear teeth

A new type of gear tooth fatigue failure is presented and analysed. It is initiated in the interior of the tooth and is given the self-explanatory name tooth interior fatigue fracture (TIFF).
A fractographic examination of TIFF is presented. The fracture surface of TIFF has characteristic features that distinguish it from other gear failures.
A hypothesis for TIFF initiation is presented. The crack-initiating stresses in the interior of the gear tooth are: (i) a residual tensile stress due to case hardening; and (ii) alternating stresses due to idler usage of the gear.
A finite element analysis is used to compute the stress state history of engaging gear teeth throughout the load cycle. The critical plane fatigue criterion of McDiarmid is employed. The analysis shows that the risk of fatigue initiation is high in the root of the tooth and in a large region in the interior of the tooth. These findings agree with test results where both modes of failure occurred.     

Influence analysis of system parameters on characteristics of the nutation drive with double circular arc spiral bevel gears

Gear transmission systems are one of the most frequently used systems for power transmission. The characteristics of a gear transmission system have important guiding significance in the design, manufacture and application of transmissions. This paper focuses on the influence of system parameters on the characteristics of a specific type of gear transmission, the nutation drive with double circular arc spiral bevel gears. Based on the transmission ratio analysis of single-stage and two-stage nutation drive systems, the system parameters, including nutation angle, gear spiral angle, pitch angle and cone distance, were defined. An analysis of the influence of system parameters on transmission efficiency was performed. Furthermore, the influence of system parameters on axial misalignment and cone displacement error was investigated. Finally, by changing the input frequency, input load, nutation angle, and spiral angle, variation regularity of the dynamic meshing force was obtained. A transmission performance analysis based on the influence of system parameters was achieved and provides the theoretical basis for better design of the nutation drive with double circular arc spiral bevel gear.     

泵用齿轮副困油卸荷的H型侧隙结构研究

为满足齿侧间隙在外啮合齿轮泵传动性能和困油性能上的不同需要，提出了一种位于从动齿轮非工作面上的"大-小-大"H型侧隙结构。首先，通过对齿轮泵困油过程的分析，从双齿啮合区内两困油区的连通和单齿啮合区内困油性能的完善两方面出发，建立了连通用和卸荷用侧隙的面积计算公式；然后，根据所确定的最小侧隙面积，计算出H型侧隙结构的几何尺寸；最后，提出一种双微圆贯通型卸荷槽，实现双齿啮合区的困油卸荷。实例分析结果表明：无论侧隙大小如何变化，都不存在绝对连通和绝对卸荷，只有在一定许可压差下的相对连通和相对卸荷；即使侧隙连通区实现了真正的连通，该区内的困油问题仍没有得到解决，需辅以额外的卸荷槽加以卸荷；"大-小-大"H型侧隙结构，既满足了齿轮传动的性能要求，也极大地提高了泵的困油性能；齿轮齿槽根部的两端面圆形除料和双微圆对称贯通型卸荷槽能提供足够的卸荷面积。研究结果表明H型侧隙结构、齿槽根部的两端面圆形除料和双微圆对称贯通型卸荷槽的组合充分满足了齿轮传动性能和困油性能的要求，且具有结构简单、易加工等特点，为消除外啮合齿轮泵困油的危害提供了一种新的卸荷结构。