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。     

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。     

Kriging模型在齿面磨损预测中的应用

为快速准确地对齿面磨损进行预测,考虑双齿啮合区的载荷分配并用Kriging方法建立了新的磨损数值仿真模型.基于Winkler弹性模型和轮齿啮合原理得到磨损量计算所需要的压力分布及啮合速度,在确定压力分布时考虑了由磨损带来间隙的影响,并对所需的载荷进行了动态分配;基于Archard磨损模型推导齿轮的磨损量数值仿真模型,得到了不同磨损次数下轮廓各个啮合点处的磨损深度;用Kriging方法和人工神经网络方法构建磨损与齿轮参数的关系代理模型,研究不同初始样本量下代理模型的逼近程度和拟合优度.算例计算结果表明:磨损量随磨损次数增加逐渐累积,参与啮合的齿廓各个位置的磨损量均不相同,节点处最小,越靠近齿根越大,主动轮(小齿轮)大于从动轮(大齿轮);综合比较3个初始样本量训练得到的Kriging模型表明,最小样本量为100时逼近程度和拟合优度都满足要求,并可预测未来的磨损量.采用Kriging模型具有较高的计算效率和精度,克服了磨损数值仿真模型计算耗时长的不足.     

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。     

材料副的硬度对齿轮磨损寿命的影响

用三组不同硬度的45钢—40Cr的圆盘试件，在圆盘滚子实验机上，对渐开线齿轮的齿顶、齿根、单双齿啮合分界点四点进行齿轮磨损的模拟实验．分析了材料副的硬度和配对试件的绝对滑差速度对磨损的影响．结果表明，齿轮的磨损过程存在跑合和磨损2个阶段，在稳定磨损阶段，齿轮磨损主要发生在单齿啮合的下界点，增加其硬度可以大幅度提高其耐磨损寿命．同时发现，在高滑差区和低滑差区材料磨损比较严重。     

直齿圆柱齿轮接触的边界元分析

本文应用边界元方法，对直齿轮轮齿接触区附近齿表面和齿体内的真实接触应力进行了深入地研究，并通过计算定量的分析了各齿轮参数对接触应力和接触性能的影响，且提出了与弹性力学解析解完全不同的新观点，为高精度的齿轮设计、寿命预测以及齿轮加工制造提供了可靠依据，为齿轮接触问题以及其它曲面接触问题的深入研究奠定了基础．     

基于非线性疲劳损伤累积理论的齿轮传动剩余强度模型及其动态可靠度

针对现有剩余强度模型不适用于体积大、寿命长、造价高的齿轮传动的寿命预测问题,应用非线性疲劳损伤累积理论建立剩余强度预测模型,该模型的参数由S-N曲线确定,以避免进行大量破坏性实验。结合损伤等效理论推导二级加载剩余强度预测公式,并将模型预测结果与材料实验结果进行比较,以验证模型的合理性。考虑齿轮传动强度及所受载荷随机性的特点,以应力-强度干涉理论为基础,建立齿轮传动动态可靠度功能函数;并利用摄动法及JC验算点法得到齿轮传动服役过程中可靠度指标及可靠度动态变化曲线。研究表明齿轮服役前期应关注齿面接触疲劳强度可靠度;齿轮服役中后期,应关注齿面接触疲劳强度可靠度及齿根弯曲疲劳强度可靠度。     

齿轮的剩余强度模型及其动态可靠度

针对现有剩余强度模型不适用于体积大、寿命长、造价高的齿轮传动的寿命预测问题,本文应用非线性疲劳损伤累积理论建立剩余强度预测模型,该模型的参数由S-N曲线确定,以避免进行大量破坏性实验。结合损伤等效理论推导二级加载剩余强度预测公式,并将模型预测结果与材料实验结果进行比较,以验证模型的合理性。考虑齿轮传动强度及所受载荷随机性的特点,以应力-强度干涉理论为基础,建立齿轮传动动态可靠度功能函数;并利用摄动法及Rackwitz-Fiessler法(JC验算点法)得到齿轮传动服役过程中可靠度指标及可靠度动态变化曲线。研究表明:齿轮服役前期,应关注齿面接触疲劳强度可靠度;齿轮服役中后期,应关注齿面接触疲劳强度可靠度及齿根弯曲疲劳强度可靠度。     

水泥机械的开式齿轮的负荷特性与齿面磨损

本文通过试验研究,理论分析和现场调查,根据水泥机械的开式齿轮传动特点,研究了齿面的负荷特性和齿面磨损的关系。齿面静负荷部分着重研究了齿面滑动摩擦和滚动摩擦的变化规律,同时讨论了它们的迭加结果。齿面动负荷部分主要分析了传动过程中的自激振动、受迫振动和冲击振动的影响。最后研究了齿面磨料磨损的机理和过程。分析了齿面沿齿高方向的磨损变化规律,并与现场使用的结果基本吻合。提出的开式齿轮寿命计算方法,以实例计算的结果与实际使用寿命相比基本相符。