考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性研究

针对目前双渐开线齿轮(DIG)研究过程中齿廓磨损对双渐开线齿轮动态特性的影响问题,对考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性进行了研究。首先,进行了双渐开线齿轮接触线长度与齿面载荷计算,考虑相对滑移距离,建立了等效接触模型;然后,进行了双渐开线齿轮齿面累积磨损量、齿轮齿面累积磨损深度的计算,建立了双渐开线齿轮啮合刚度计算模型,进行了磨损故障的双渐开线齿轮刚度的计算;最后,以一对双渐开线齿轮为研究对象,采用集中质量法建立了6自由度动力学模型,研究了齿面磨损对双渐开线齿轮动力学特性的影响。研究结果表明：在运行1×10⁴次载荷循环后,混合弹流润滑状态下,双渐开线齿轮与普通渐开线齿轮(CIG)在节线附近齿根位置的最大累计磨损量差值为0.002 07μm,且双渐开线齿轮节线靠近齿顶位置的磨损小于普通渐开线齿轮的磨损;双渐开线齿轮系统在磨损后振动加速度幅值小于普通渐开线斜齿轮的幅值。通过对不同磨损情况下的时域响应进行研究,发现磨损导致双渐开线齿轮传动系统的振动幅值增大。     

直齿轮齿面非均匀磨损对模态特性的影响

研究准静态工况下齿面非均匀磨损对齿轮模态特性的影响。根据Hertz接触理论和Archard公式建立准静态磨损模型,对齿轮齿面磨损情况进行数值仿真。计算结果表明,主、从动轮的齿顶处和齿根处磨损较大,其中,齿顶处磨损量小于齿根处,主动轮的齿根位置磨损量最大,节点处齿轮做纯滚动,不产生磨损,在单齿、双齿啮合区交替处磨损量有突变。在此基础上,按数值分析结果施加齿面磨损故障,导入到Abaqus中进行仿真,进一步分析了磨损前后齿轮的模态特性。仿真结果表明,齿轮具有丰富的振动形态,磨损对振型影响不明显,但固有频率出现明显升高,其中,7～10阶的高阶固有频率增大幅度要高于低阶固有频率增大的幅度。     

渐开线直齿轮齿面磨损对接触载荷的影响

齿面磨损会改变齿廓形状从而导致接触状态发生改变,进而影响齿轮的动态特性和使用寿命等.针对渐开线直齿圆柱齿轮,基于Hertz理论和Archard公式建立磨损模型,并数值仿真了齿廓各点的磨损深度分布.计算表明,从齿根到齿顶磨损深度先减小后增大,在节点处磨损深度最小,在小齿轮的齿根处磨损深度最大,齿顶次之.在此基础上进一步探讨磨损对齿面接触载荷的影响,结果表明:随着磨损深度的增加,双齿啮合区齿面载荷波动增加,单双齿交替点载荷突变减小.靠近齿根的双齿啮合区接触载荷先减小后增大,靠近齿顶的双齿啮合区接触载荷先增大后减小.该结论可以为进一步研究齿轮磨损影响因素进而提高齿轮的使用寿命提供理论支撑.     

齿面磨损对齿轮系统动态特性的影响

为研究齿面磨损对齿轮系统动态特性的影响,综合考虑齿轮齿侧间隙、传输误差、齿面磨损,采用集中参数法建立齿轮平移-扭转非线性动力学模型,分析齿轮的转速、运行次数对含有齿面磨损的齿轮传动系统动态特性的影响。结果表明:在啮合区域内,齿根处的齿面磨损量呈减小趋势,在节点处理论磨损量为零,齿顶处的齿面磨损呈增加趋势,齿面磨损量减小趋势大于增加趋势,整个过程中齿面磨损会造成啮合刚度的减小;存在齿面磨损时,过大或过小的转速都会使齿轮系统的振幅波动变大,幅值减小;当转速一定时,含有齿面磨损的系统随着运行次数的增加,振幅幅值会逐渐减小,传动的波动会加剧。     

计入轴线偏差的斜齿轮副齿面磨损分析

针对齿轮轴线偏差会加剧齿面磨损的问题,提出了一种综合了数值仿真和有限元的方法,对齿面磨损进行了仿真分析。以单对斜齿轮副为研究对象,基于Archard磨损公式,建立了计入轴线偏差的齿面磨损深度解析模型;在此基础上,分析了轮齿螺旋角修形、渐开线鼓形修形对齿面最大磨损深度的影响,并据此制定了减缓齿面磨损的轮齿综合修形策略。研究结果表明:同一工况下,斜齿轮垂直平面轴线偏差比水平轴线偏差对齿面磨损的影响更为显著;采用渐开线鼓形修形与螺旋角修形的综合修形方式可降低齿轮轴线偏差对齿面磨损的影响;该研究结果可为减缓齿面磨损过程制定出合适的修形策略。     

渐开线斜齿轮传动摩擦动力学耦合研究

综合考虑时变啮合刚度、轴承刚度以及摩擦力等对动力学行为的影响,基于载荷分担理论和动力学、弹流润滑理论,建立12自由度斜齿轮摩擦动力学模型。采用解耦方法求解该摩擦动力学模型,将动力学求解获得的动态轮齿作用力用于润滑分析中,而润滑分析获得的摩擦因数再次用于动力学分析计算中。通过实例研究了齿面摩擦学特性和动力学行为以及两者之间的耦合关系。研究表明:考虑耦合效应后的斜齿轮动态响应与定摩擦因数下的动态响应相比有较大不同,且时变摩擦力对垂直于啮合线方向的动态响应影响尤为显著;动态载荷等对斜齿轮润滑特性影响较大,转速接近共振转速时,动态载荷作用下的油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升和摩擦因数分布规律与幅值与稳态载荷相比差异明显。动态载荷对斜齿轮润滑特性以及时变滑动摩擦力对动态响应的影响不可忽略。     

斜齿轮动力接触分析及动态特性优化

以某斜齿轮副为例,建立了该齿轮副的参数化三维几何模型及动力接触有限元分析模型。采用显式动力学计算方法对轮齿动态等效应力、齿根弯曲应力、主从动轮的相对转速及冲击力等动力学特性进行了数值仿真。分析表明,轮齿在啮合过程中存在较大的啮合冲击;主从动轮间有明显的转速差,且从动轮负载转矩越大,冲击力就越大。同时对齿廓修形与齿轮副动态特性间的关系进行了详细研究,并基于计算数据提出了改善齿轮副冲击与齿根应力的最佳修形参数,以达到优化其动态特性的目的。     

准静态工况下渐开线直齿轮齿面磨损建模与分析

根据Hertz理论和Archard磨损公式,建立面向真实工况的直齿圆柱齿轮准静态磨损模型,并对其齿面磨损特性进行了数值仿真。计算表明,理想工况下直齿轮副齿面沿齿宽方向均匀磨损,其在节圆附近的磨损量最小,而在小齿轮靠近齿根部位的磨损量最大;当存在啮合偏差时,齿面磨损深度沿齿向不再均布。在此基础上,进一步分析了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,近似呈指数映射关系。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役期的影响。最后,分析了齿轮啮合偏差和微观修形对齿面磨损量的影响。研究表明,从改善齿面载荷分布和减缓齿面磨损角度考量,应严控齿轮啮合偏差量,并可通过制定合适的齿面修形策略来减缓齿面磨损失效。     

准静态与动态载荷下斜齿轮齿面粘着磨损计算

基于反向圆锥滚子等效接触模型和Archard磨损计算通式,提出了一种适用于标准斜齿轮齿面粘着磨损的计算方法。由时变接触线长百分比和弯-扭-轴耦合动力学模型确定齿面载荷,根据等效接触模型和Hertz接触理论计算齿面压力和滑移距离,求出准静态与动态载荷下的齿面磨损量。通过将主动轮磨损曲线与相关文献结果比较,验证了上述方法的正确性。几何与工作参数对磨损量的影响分析显示,齿根与齿顶处的磨损量较大,且齿根的磨损量大于齿顶,节圆处的磨损量趋近于零;齿轮前端面至后端面,主动轮磨损量逐渐减小而从动轮磨损量逐渐增大;宽齿轮的磨损量沿齿宽渐趋均布。参数分析表明：增大模数、传动比、齿宽或减小扭矩均可降低磨损量,增大螺旋角或改变转速对减小齿面磨损的作用不明显。上述研究对于提高齿轮表面质量与传动性能,对于减磨设计具有一定的参考价值。     

含齿廓偏差的斜齿轮动力学特性研究

为了研究齿廓偏差对斜齿轮动力学特性的影响,基于理论渐开线和齿廓总偏差值建立了含齿廓偏差的误差渐开线数学模型,并以一对渐开线斜齿轮为研究对象,利用UG建立了含齿廓偏差的斜齿轮副三维模型,运用ADAMS对理想模型的可靠性进行验证,同时结合ANSYS对理想和误差模型的从动轮角速度、从动轮角加速度进行了对比分析。结果表明,ADMAS动力学仿真与ANSYS瞬态动力学分析得到的结论基本吻合,即齿廓偏差的存在对斜齿轮副从动轮角速度、从动轮角加速度影响显著。     

润滑和载荷状态对聚甲醛齿轮服役性能的影响

基于齿轮耐久性能试验台开展了一系列干接触/油润滑下POM(聚甲醛)-POM齿轮副承载能力试验,并测量了服役过程中的轮齿温度、磨损量、齿廓精度和齿面形貌。试验发现,POM齿轮失效形式与载荷和润滑方式有关。通过对齿面微观形貌和磨屑表征,确认干接触下POM齿轮主要磨损模式为黏着磨损与磨粒磨损,而油润滑下POM齿轮失效形式为接触疲劳失效。由于润滑油减少了齿面摩擦,降低了运行温度,延缓了齿面劣化程度,因此POM齿轮在油润滑下的承载能力明显提高。     

基于齿背接触刚度的高速斜齿轮瞬态振动特性

为了分析基于齿背接触刚度的高速斜齿轮瞬态振动放大特性,针对高转速瞬态工况下斜齿轮齿面啮合-脱啮-齿背接触的齿面实际承载接触状态,建立了同时考虑啮合时间与齿面振动位移耦合机理的斜齿轮动态啮合刚度。在细化考虑齿背啮合机理、基于齿背实际啮合刚度的模型基础上,进一步建立斜齿轮啮合型瞬态振动模型,并在此基础上展开不同齿侧间隙以及齿背接触对系统瞬态振动特性影响分析研究。搭建封闭功率流式斜齿轮瞬态扭转振动测试试验台,对基于齿背接触刚度的斜齿轮瞬态振动特性进行了验证。该研究具有较好的理论研究意义,有利于斜齿轮传动系统在航空传动、新能源传动系统上的应用推广,进一步提升高转速齿轮系统的瞬态振动噪声品质。     

高速动车组斜齿轮的齿根裂纹萌生寿命数值计算

为分析高速动车组斜齿轮的齿根裂纹萌生寿命,采用UG建模软件建立了斜齿轮副的三维模型,并通过ABAQUS软件确定了裂纹萌生位置。基于疲劳损伤累积理论,对试验齿轮分别采用名义应力法和局部应力应变法模拟计算出裂纹萌生寿命;进行了高频疲劳试验,得到了裂纹萌生寿命,通过对比模拟结果与试验结果,确定了最佳损伤模型,计算得出了斜齿轮齿根的裂纹萌生寿命。分析了载荷、表面粗糙度、残余应力、齿顶修缘等因素对裂纹萌生寿命的影响规律。研究结果表明,载荷及表面粗糙度对裂纹萌生寿命的影响比较显著;裂纹萌生寿命随着残余压应力的增大而延长;适当的修形可延长斜齿轮裂纹萌生寿命。     

核电循环泵行星齿轮热弹流润滑研究

核电齿轮箱的良好润滑性能是核电循环泵可靠运行的重要保障,充分考虑齿面形貌和齿廓修形等因素对内/外啮合齿轮副的影响是准确评估其润滑特性的前提。建立典型工况下核电循环泵行星传动系统斜齿轮热弹流润滑模型,首先将斜齿轮副的啮合状态几何等效为圆锥滚子的接触问题,然后考虑斜齿轮接触变形和齿廓偏差,计算得到内/外啮合齿轮副接触区域不同位置的油膜厚度、承载压力、摩擦应力和闪温等参数。考虑齿面磨合作用,采用移动平均滤波方法对未经磨合的初始形貌进行光滑处理,分析了齿面形貌对润滑行为的影响,最后采取齿廓修形改善润滑特性。结果表明：粗糙度和齿廓修形均会对润滑特性产生明显的影响,齿面粗糙形貌会造成油膜厚度减小,进而影响其润滑特性,弱化润滑油膜的承载能力;通过齿廓修形可以改善齿轮啮合边界处的几何过渡,降低该区域的应力集中和表面温度,从而明显改善啮合线终端的润滑状态。     

考虑磨损的直齿轮啮合刚度计算与分析

基于能量法和Archard磨损模型,提出了一种考虑磨损的齿轮啮合刚度数值计算方法.根据展成法原理,建立了精确的齿廓曲线方程.利用能量法计算齿轮单齿啮合刚度,并通过分段1阶傅里叶级数拟合获得齿轮总啮合刚度.以Archard磨损模型为基础,计算得到齿面法向磨损量与啮合点处压力角的关系.计算分析了不同磨损量对齿轮啮合刚度的影...     

Integrated wear prediction model for cylindrical gear with variable hyperbolic circular arc tooth trace under mixed elastohydrodynamic lubrication

Cylindrical gear with variable hyperbolic circular arc tooth trace (VH-CATT) is a new type of gear. Sliding wear is the main mode of the surface failure of multiple mechanical parts. Both the lubrication state and contact temperature considerably influence wear characteristics, which may aggravate the transmission performance of gear pairs. Wear, contact temperature, as well as lubrication states are jointly explored. Therefore, an integrated wear prediction model was proposed through taking into account flash contact temperature and surface roughness of VH-CATT cylindrical gears in mixed elastohydrodynamic lubrication. According to the equivalent ellipse contact model of VH-CATT cylindrical gears and tooth surface equation, normal curvature and velocity relations for VH-CATT cylindrical gears were observed, and the normal meshing force was obtained through the consideration of load sharing coefficients and quality grades. Flash contact temperature was estimated by using the literature. This study proposes analytical solutions for investigating how various surface roughness, operation, and geometric parameters affect asperity contact ratio (ACR), asperity contact pressure (ACP), flash contact temperature (FCT), as well as wear depth (WD) related to driving gears. ACR, ACP, FCT, as well as WD initially decrease and then increase from engaging-in to engaging-out processes. The minimum occurs at the pitch point. The WD declines as module, cutter radius, and rotational velocity increase while augmenting when surface roughness and torques increase. The maximum and minimum wear depths in driving gears occur at the dedendum and pitch point, respectively. Its overall wear is reduced by 23.16 % compared to the wear of spur gears. The results are valuable for the studies of tooth pitting, wear resistance, and fatigue life improvement for VH-CATT cylindrical gear. These studies can provide verification data and references required for engineering designs and VH-CATT cylindrical gear operations.

     

汽车差速器锥齿轮差速工况下的润滑特性研究

为了研究差速器锥齿轮摩擦和磨损机制,基于弹性流体动力润滑理论,建立直齿锥齿轮无限长时变弹性流体动力润滑模型,研究行星齿轮分别与左右半轴齿轮啮合时的润滑状况,计算差速工况行星齿轮时变效应下的油膜压力和油膜厚度;研究差速工况下左右半轴齿轮的润滑状况,分别比较左右半轴齿轮同行星齿轮啮合时的润滑特性;研究曲线行驶路段复杂变工况下行星齿轮的润滑状况。结果表明:差速工况下行星齿轮啮合周期内的膜厚变小,且行星齿轮与半轴齿轮的相对滑动加剧;行星齿轮同左右半轴齿轮啮合时的润滑特性不同,左转弯工况时,左半轴齿轮同行星齿轮啮合时的最大压力较大,右半轴齿轮同行星齿轮啮合时的最小油膜厚度较大;曲线行驶变工况下行星齿轮润滑特性也不同,左转弯工况向右转弯工况过渡时的压力减小,膜厚增大。     

功率二分支齿轮传动系统动载特性与模态分析

为了分析功率二分支齿轮传动系统的动力学特性,构建由斜齿分扭传动级与人字齿并车传动级构成的分扭 并车纯扭转动力学模型;通过高斯消元去除状态方程中的冗余变量,解决了系统动力学方程的奇异性并采用 4 阶 Runge-Kutta 法数值求解;分析了无量纲时间下不同齿型构成的 2 级传动动载特性,采用模态分析法,确定该系统的固有频率与固有振型,并结合三维瀑布图分析激振频率对系统共振特性的影响。研究结果表明:该齿轮传动系统由人字齿构成的并车传动级动力学特性优于由斜齿构成的分扭传动级;系统啮合位移与动态啮合力响应瀑布图表明,在该系统激振频率为 1820 Hz 时,系统出现超谐波共振。     

渐开线齿轮轮齿表面磨损规律的理论与实验研究

用一对圆盘滚子试件在JP-DB1500型实验机上模拟一对齿轮啮合规律,对渐开线齿轮轮齿表面在干摩擦或润滑不良情况下的质量磨损及线磨损规律进行了理论和实验研究。结果表明:45#钢在不同热处理情况下,齿轮轮齿表面质量磨损量随载荷变化按指数规律变化;在润滑良好情况下,齿轮轮齿表面线磨损规律与干摩擦或润滑不良情况下磨损规律不同。通过实验研究,得到了齿轮轮齿表面磨损量的载荷因子。