时变摩擦因数对齿面接触疲劳寿命的影响研究

齿面摩擦力对齿面接触应力和接触疲劳寿命有着重要的影响。在对齿面接触疲劳寿命预估时,常忽略齿面摩擦力的影响,不利于齿面接触疲劳寿命的准确预估。为了准确预估齿面接触疲劳寿命,根据18CrNiMo7-6齿轮材料的齿面接触疲劳试验数据,基于三参数威布尔分布和名义应力法对R-S-N曲线进行拟合,在齿面接触应力的计算中引入时变摩擦因数,分析了时变摩擦因数对齿面接触疲劳寿命的影响,并通过齿面接触疲劳试验进行了验证。结果表明,由于时变摩擦因数的影响,采用传统的名义应力法所估计的齿面接触疲劳极限偏大,且随着应力的增大,摩擦因数对齿面接触疲劳寿命的影响呈减弱趋势。     

直齿面齿轮啮合效率计算研究

基于直齿面齿轮啮合仿真和弹性流体动力润滑理论,提出了直齿面齿轮啮合效率的计算方法,揭示了输入扭矩、转速等对啮合效率的影响。运用轮齿接触分析和轮齿承载接触分析技术,对直齿面齿轮承载啮合过程进行数值仿真;运用非牛顿热弹流理论,建立滑动摩擦因数的计算模型,从而建立直齿面齿轮啮合效率的计算模型。计算结果表明,滑动摩擦因数是影响齿轮啮合效率的重要因素,齿面不同位置的滑动摩擦因数也不相同,滑动摩擦因数受到输入转速、输入扭矩的影响。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

考虑时变摩擦的直齿轮副啮合刚度计算及其影响因素分析

针对直齿轮副啮合过程存在时变摩擦问题,建立直齿轮副啮合模型,推导齿轮副在啮合点处的相对滑动速度、卷吸速度、滑滚比、综合曲率半径及轮齿接触压力,研究单双齿交替啮合过程中单齿承载变化下的齿面摩擦因数变化规律。基于势能法推导计及时变摩擦的直齿轮副啮合刚度解析式,分析无摩擦力、定摩擦力和时变摩擦力作用下直齿轮副啮合刚度的变化规律,进而研究时变摩擦作用下齿轮模数、齿宽、压力角、粗糙度、输入转矩等参数对直齿轮副时变啮合刚度的影响规律。研究结果表明,时变摩擦因数在单双齿交替啮合区发生突变,在节点处趋于0;摩擦力作用下单齿刚度在啮入阶段将增大,啮出阶段将减小;定摩擦力作用使啮合刚度在节点处发生突变;时变摩擦力作用使啮合刚度在单双齿交替啮合处发生突变,在节点处与无摩擦时变化规律一致;齿轮副啮合刚度随模数、齿宽增大而增大,随压力角增大而减小;啮合刚度变化量随齿面粗糙度增大而增大,随输入转矩增大而减小。     

基于时变摩擦系数的直齿轮副动态特性分析

建立考虑时变摩擦系数的圆柱直齿轮啮合模型,讨论啮合过程单齿与双齿交替下的载荷突变下的时变直齿轮副摩擦因数变动规律。基于混合润滑模型分析了不同齿面粗糙度对应的时变摩擦系数,进而研究时变摩擦作用下齿面粗糙度对直齿轮副时变摩擦因数,动态啮合力,动态传递误差,振动速度变化的影响规律。研究结果表明,时变摩擦因数在单双齿交替啮合区发生突变并在节点处趋于0,节点后摩擦因数较节点前小,齿面时变摩擦系数受齿面粗糙度影响较大;齿面摩擦作为内部激励摩擦力对齿轮在啮合线方向的振动产生了一定情况的抑制,从而抑制了齿面动态传递误差的产生与动态啮合力的幅值,齿面表面速度所受影响较小。     

基于不同工况的直齿轮接触强度分析与疲劳分析

针对齿轮在长周期交互循环载荷作用下的疲劳失效问题,以一对相互啮合的渐开线直齿轮为研究对象,对其进行了静态和动态应力分析,并基于载荷谱及材料的S-N曲线以及线性累积损伤理论,对其进行疲劳寿命分析,得到不同影响因素下的齿轮疲劳寿命云图和各个节点的最小疲劳寿命。结果表明：在静载条件下,齿轮副的最小疲劳寿命区域出现在静态力学分析的最大接触应力位置;在动载条件下,齿轮副的最小疲劳寿命则位于齿面分度圆与齿轮端面的过渡区域。     

随机因素影响下具有相关失效模式的齿轮传动动态可靠性研究

考虑输入转矩和负载转矩的随机波动量,以及随机啮合误差,建立了单级直齿轮传动系统的弯-扭耦合动力学模型,经数值求解,得到了作用于轮齿的动应力。将工作周期内的动应力作用过程视为随机过程,并用该随机过程中最大应力的概率模型等效随机过程的作用,得到了应力的概率分布模型。使用Monte Carlo法得到了许用应力的概率分布模型。基于应力-强度干涉理论建立了考虑齿根弯曲疲劳失效和齿面接触疲劳失效相关性的齿轮传动系统动态可靠性模型。研究发现啮合误差越大,系统的可靠性越低。     

不同工况条件对直齿轮副弹流润滑特性的影响研究

根据弹流润滑理论与渐开线直齿轮齿廓啮合特点,建立非牛顿流体直齿轮副弹流润滑模型,采用数值方法求解不同工况条件对油膜压力、油膜厚度分布及啮合周期内摩擦因数的影响。研究表明,转速、输入转矩及润滑油粘度产生变化,均会影响油膜压力及膜厚分布,最终导致啮合周期内摩擦因数发生变化,且摩擦因数在靠近节点处达到最小值。     

渐开线直齿轮弹流润滑下的接触疲劳寿命分析

以渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,建立了等温润滑条件下考虑冲击载荷、供油条件因素的渐开线直齿轮接触疲劳寿命模型,模型由润滑接触分析数学模型和有限元显式分析模型组成。润滑模型利用多重网格法以及多重网格积分法分别对油膜压力及油膜厚度进行求解后利用数值求解结果进行显式分析。利用显式分析得到von Mises等效应力分布,根据Smith-Watson-Topper接触疲劳计算模型,对轮齿的接触疲劳寿命进行模拟预测。结果表明,随着重合度的增加,沿齿廓的因冲击导致的疲劳危险区有向节圆对应节点处靠近的趋势,同时疲劳寿命也逐渐增大,说明重合度的增大可以有效控制齿面冲击进而提升轮齿的接触疲劳寿命。相比充分供油状态,乏油状态下的齿面摩擦使齿面接触疲劳寿命降低,同时疲劳危险区明显由次表面向表面靠近,增加了接触疲劳失效的可能性,说明弹流润滑对防止接触疲劳发生的重要性,同时也为更加合理地进行齿面处理提供了理论依据。     

基于Workbench差速器齿轮的疲劳分析

使用CATIA软件对差速器齿轮进行实体建模,通过Workbench软件的高效率模型导入功能实现了CATIA和Workbench的联合仿真,对差速器齿轮进行动力学分析以及疲劳分析。基于汽车在行驶过程中差速器的2个典型的工况下,建立齿轮接触有限元模型,分别计算齿轮啮合时的应力大小,以接触应力最大值作为计算差速器齿轮的疲劳分析输入值。结果表明,差速器齿轮的疲劳危险位置产生在齿轮齿面接触区域和齿轮齿根处,并且验证了此结果满足齿轮的寿命设计要求。所利用的Workbench快速获取零部件的相关疲劳寿命的方法,可以有效地降低产品的研发周期与成本,具有一定的工程意义。     

渐开线圆柱直齿轮结构参数对啮合效率的影响分析

以渐开线圆柱齿轮机构啮合效率为研究对象,基于齿轮副间接触反力的概念,分析了接触齿面间摩擦因数的影响因素,借鉴已有摩擦因数研究模型,分析了直齿和斜齿传动的啮合特点,推导出直齿齿轮传动的瞬时啮合效率和平均啮合效率的数学求解式;以直齿齿轮传动为例,在不同传动比、摩擦因数、压力角情况下分析了齿轮机构的啮合效率。结果表明,摩擦因数与齿轮啮合效率成反比,较大的压力角和传动比能提高齿轮的啮合效率,增速齿轮传动比减速齿轮传动的啮合效率高。     

基于有限长线接触弹流润滑模型的冠状修形直齿轮副接触分析

现代齿轮对高功率密度、长寿命、高可靠性的要求迫切需要对齿面接触与疲劳行为进行深入研究。提出了一种先进的齿轮接触数值模型,可以考虑非牛顿润滑流体、齿面冠状修形、齿面几何运动学参数、工况、涂层材料等因素对齿面接触压力、齿面摩擦、油膜厚度及次表面应力的影响。该模型不仅为开发国产齿轮设计分析软件提供支撑,同时也可配合试验验证,为提高工程实际中的齿轮寿命与可靠性提供参考。     

齿轮剪切应力分布研究

利用弹性力学理论,分析了齿轮齿面以及齿面下应力分布的特点,并利用克里格插值方法绘制了剪切应力的空间分布图。对比分析了不同摩擦因数条件下齿轮齿面剪切应力的变化规律,结果表明:剪切应力随着摩擦因数的增大而增大。     

直齿圆柱齿轮齿面接触温度研究

针对齿面接触温度对齿轮啮合过程的重要影响,基于Blok闪温理论推导了直齿圆柱齿轮在4种不同润滑状态下的齿面接触温度计算公式,分析齿面接触温度沿啮合线的分布情况及转速、转矩、润滑油黏度和齿侧间隙对齿面接触温度的影响规律,实验测量不同工况下的齿面接触温度。数值计算结果和实验结果表明,齿面接触温度在进入啮合位置和齿顶处达到最高,而在节点附近接近于室温。弹流润滑状态下齿面接触温度随着润滑油黏度增大而升高;在混合润滑状态下则相反;边界润滑状态下润滑油黏度与齿面接触温度无关;随着转速、转矩和齿侧间隙增大,齿面接触温度升高。研究结果可为齿面接触温度的计算和实验测量提供依据。     

考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析

为研究高速列车传动齿轮在啮合过程中因接触表面各啮合点处滑差不一致对动态接触特性的影响.以CRH3型动车组转向架传动齿轮为研究对象,基于齿轮接触相关理论及轮齿摩擦关系,引入考虑轮齿表面滑差、动力黏度及载荷等因素下的EHL时变摩擦模型,利用ABAQUS/Standard提供的隐式直接积分法对低速重载工况下的传动齿轮进行动态分析.通过对比无摩擦、常摩擦因数及变摩擦下的仿真结果分析齿轮间滑差及摩擦因数大小对齿轮副动态接触特性的影响.结果表明,表面啮合节点摩擦因数不一致对齿轮接触合力、接触斑面积、Mises、接触应力最大值及其分布影响很小;在啮合过程中,考虑滑差影响的齿面摩擦力波动更平缓,均值较常摩擦增加了 40％;摩擦剪应力分布比采用常摩擦得到的结果更贴合实际.而常摩擦因数数值的增加对应力分布影响不大,但会使得接触面应力值相应增加,加剧系统的周期性振动.     

双渐开线齿轮齿面摩擦力对接触应力的影响

建立双渐开线齿轮有限元模型,分析齿面摩擦力对接触应力的影响,并与渐开线齿轮进行对比。结果表明:相同摩擦状态下,双渐开线齿轮与渐开线齿轮的最大等效接触应力的数值差别不大,但接触应力分布不同,渐开线齿轮节点附近接触应力比较高,双渐开线齿轮节点以下靠近齿根处接触应力比较高;齿面摩擦力对接触应力分布的影响不大,但对接触应力数值的影响很大,因此在进行接触应力分析时,必须考虑齿面摩擦力的影响;通过改变齿面间的润滑条件,减小齿面摩擦力,是提高齿轮抗点蚀能力和接触疲劳寿命的有效方法。     

汽车变速器表面涂层齿轮疲劳性能试验与接触强度研究

在齿面制备减摩涂层可以有效地改善接触条件,提高齿轮疲劳寿命。文中主要研究减摩涂层对齿轮接触强度的影响规律。首先,在SRV标准试件表面制备涂层,通过摩擦磨损试验获得涂层试件间摩擦因数变化曲线;其次,对无涂层和有涂层的汽车自动变速器齿轮进行疲劳耐久试验,通过测量得到试验后齿轮的表面形貌特征;最后,根据齿轮非线性弹塑性接触理论,建立粗糙表面的齿轮接触强度分析模型,得出减摩涂层在提高齿轮接触疲劳强度中的作用。研究结果表明,磷酸锰转化涂层通过降低齿轮接触应力从而可以提高齿轮的疲劳耐久寿命;齿轮最大接触应力随粗糙度呈现先降低后升高的趋势。为涂层齿轮强度设计提供理论指导。     

基于ANSYS的直齿圆柱齿轮摩擦特性分析

基于CATIA平台,通过参数化方法建立渐开线直齿圆柱齿轮模型,以IGES文件格式导入ANSYS,对齿轮齿廓进行摩擦特性分析。在只改变摩擦因数的情况下,分析齿轮啮合过程中轮齿受到的接触应力、摩擦力和接触压力的变化规律。结果表明:当摩擦因数小于0.3时,随着摩擦因数的增加,接触应力、摩擦力以及接触压力都明显增加;当摩擦因数在0.3~0.8之间时,接触应力、摩擦力以及接触压力随摩擦因数的增加而变化的幅度变小,但是总体趋势是增加的。而齿轮接触应力、摩擦力和接触压力的增加都会加速轮齿失效和缩短齿轮疲劳寿命,因此,减小摩擦因数是提高齿轮抗点蚀能力和延长疲劳寿命的一种可行方法。     

正交面齿轮传动系统啮合动力学仿真

利用CATIA建立直齿圆柱齿轮参数化模型和面齿轮模型,将其导入ADAMS软件中,建立正交面齿轮传动系统仿真模型,通过动力学仿真,得到齿轮传动过程中的输出转速和啮合力数据,经分析与齿轮啮合理论的结论趋于一致,较真实地反映齿轮啮合过程中的载荷历程,为较准确地分析计算面齿轮疲劳寿命提供载荷历程信息输入。     

滤波减速器基于ANSYS-LS/DYNA的多齿啮合动态性能仿真分析

对滤波减速器的结构原理及多齿弹性啮合效应进行了介绍,借助显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA建立了其三维有限元非线性接触分析模型,对齿轮传动机构在一定转速和不同负载转矩下进行了动态啮合仿真,得到了多齿接触情况下齿面接触应力、齿根弯曲应力分布以及接触合力随时间变化规律,该方法可以进一步为滤波减速器齿轮强度分析和疲劳寿命计算提供理论依据。