高副接触机械零件弹流动力润滑研究新进展

弹性流体动力润滑是润滑理论的一个重要分支,也是关系到高副接触机械零件使用耐久性和可靠性的关键技术问题。计算机模拟仿真技术、数值计算方法和弹流测试技术的发展,推动了弹流润滑理论的发展和该理论在高副零件摩擦副设计中的广泛应用。综述齿轮、凸轮、轴承3种高副接触零件基于表面粗糙纹理、轮齿修形、有限长接触、热效应、镀层等因素的弹流润滑研究发展概况。指出现代弹流润滑理论虽然在高副接触零件中的应用已逐渐接近工程实际要求,能够较可靠地解决实际工况下的润滑难题,但在非稳态效应和真实粗糙表面对高副零件弹流润滑的影响方面,高副零件弹流润滑的多重参数耦合、计算机仿真及相关实验验证方面,还须进一步深入研究。     

弹流应力用于齿轮强度设计的研究

研究用弹流应力取代Hertz应力进行齿轮强度设计。给出了基于弹流应力拟合公式的齿轮接触强度设计公式,研究了各种因素对设计结果的影响,并和基于Hertz应力的设计结果进行了对比。结果表明,和Hertz应力一样,弹流应力也完全可以作为齿轮强度设计的依据;基于弹流中心应力拟合公式的设计结果和基于Hertz应力公式的设计结果非常接近,但在高速工况时,由于弹流二次应力峰远大于中心应力,应将弹流二次峰应力作为接触强度设计依据。     

机械学专家温诗铸

(1)建立工程模型弹流润滑理论,奠定现代润滑设计的基础他相继在国际上提出以完备数值解为基础的考虑热效应的热弹流、考虑动态效应的非稳态弹流、考虑润滑剂非牛顿性的流变弹流以及分析粗糙表面的微观弹流等润滑理论,系统地建立了工程中各类弹流润滑问题的设计方法.在此基础上,导出当今普适性最高的润滑方程,并将上述各种实际因素全部纳入分析,建立了工程模型的弹流润滑理论,为现代润滑设计奠定基础.     

线接触热弹流润滑中材料热膨胀系数的计算

运用线接触热弹性流体动压润滑理论,结合热弹性力学理论和热力转换原理,提出了一种求解线接触热弹流润滑下接触固体表面材料热膨胀系数的方法,能解决油膜压力约束下的非均匀温度场引起的固体表面热弹性变形的求解问题.通过算例求解得到了满足收敛条件的数值解,进一步分析了载荷、卷吸速度和固体材料变化对材料热膨胀系数的影响.研究结果表明...     

线接触弹流润滑下固体表面热应力的计算

线接触热弹流润滑下,与油膜接触的两固体表面会产生温升变化,固体表面必定会产生热应力,由于固体表面受到了非均匀油膜压力的约束,数值求解固体表面热应力的难度较大。将热力转换原理和热弹性力学理论引入弹流润滑计算中,给出了数值计算方法,实现了固体表面线胀系数的数值求解,解决了热应力和热弹性变形的数值计算,通过算例得到了满足收敛精度的润滑特性和热应力的数值解,并讨论分析了线载荷变化对固体表面热应力的影响。研究内容可为热弹流润滑分析和约束条件下固体热应力分析提供理论基础和数值方法。     

基于有限长线接触的锥齿轮热弹流润滑分析

为了研究锥齿轮的热弹流润滑机理,基于弹性流体动力润滑理论,建立有限长线接触模型,研究了直齿圆锥齿轮热弹流润滑特性。首先,将直齿圆锥齿轮热弹流问题近似等效为两同向圆锥滚子的准稳态热弹流润滑问题,应用多重网格法和逐列扫描法求解了锥齿轮整个接触线上的油膜压力、油膜厚度及固体和油膜中层的温度。结果表明,直齿圆锥齿轮沿齿宽方向上各点的压力、膜厚、温度均不相同。其中,小端的油膜压力略大于大端的油膜压力;小端的油膜厚度小于大端的油膜厚度;沿齿宽方向的温度分布差异较为明显,油膜中层的温度大于两固体表面的温度。该研究为直齿圆锥齿轮的润滑设计提供一定的理论依据。     

基于真实粗糙齿面的齿轮传动接触应力分析

现行齿轮传动接触疲劳强度的设计基础是仅适用于一对光滑表面之间干接触的赫兹理论,这显然与齿轮传动实际状况有一定差异。为获得齿轮传动实际状况的齿面压力分布、油膜厚度及轮齿接触区次表面的应力分布,基于实测所得的表面粗糙度数据,采用有限元法对重载齿轮传动进行混合弹流润滑数值分析。结果表明:粗糙齿面接触时的齿面压力分布及轮齿接触区次表面应力分布均明显相异于赫兹分布或基于光滑齿面全膜弹流润滑计算所得的相应分布;齿面粗糙峰谷的存在会使齿面接触应力比赫兹接触应力增大25%左右,且齿面平均油膜厚度的最小值及接触应力的最大值均发生在啮入点而非节点。因此,现行的以赫兹应力为基础、以节点参数为依据进行齿轮传动接触强度设计的做法有失科学性和安全性。     

基于弹流摩擦副刚度的直齿轮修形研究

首次在直齿轮修形时考虑了弹流润滑的影响,提出用齿轮弹流摩擦副啮合刚度取代传统齿轮啮合刚度计算最大修形量进行齿轮修形的新方法。基于弹流润滑理论,将弹流油膜简化为线性化的弹簧阻尼,建立了线接触摩擦副的摩擦学―动力学耦合模型,运用数值方法求得齿面弹流摩擦副刚度;采用ISO齿轮啮合刚度定义分别计算出齿轮的啮合刚度和齿轮弹流摩擦副啮合刚度,并基于两种不同的齿轮啮合刚度计算最大修形量,进行齿轮修形;通过Creo分别建立了标准齿轮、ISO方法修形齿轮、基于弹流摩擦副啮合刚度修形的齿轮啮合模型,运用Adams和Romax对3种齿轮副的动态啮合力、角加速度和传动误差进行了仿真和比较,并将基于弹流摩擦副啮合刚度计算的最大修形量和一些工程实际修形齿轮的修形量进行了对比。结果表明,计入弹流润滑影响后,齿轮刚度明显降低,导致齿轮最大修形量增大,且基于弹流摩擦副刚度的修形效果优于ISO方法的修形效果,齿轮动力学性能和传动性能改善明显,并且修形量的理论计算值也更贴近于工程齿轮的实际修形量。     

非对称聚合物齿轮的瞬态弹流润滑分析

聚合物齿轮质轻而耐腐蚀,可降低噪声,提高经济效益.相对地,聚合物轮齿强度低于金属轮齿,故采用非对称设计提高聚合物齿轮的强度.为探究非对称聚合物齿轮的弹流润滑特性,在水润滑条件下,采用多重网格法对非对称聚合物齿轮进行了瞬态弹流润滑分析:对比非对称齿轮与传统对称齿轮的水膜压力与厚度;改变齿轮运行工况及考虑轮齿的表面粗糙度,研究其对齿轮弹流润滑分析的影响.结果表明,非对称齿轮可有效改善弹流润滑,润滑膜的压力和膜厚受齿轮转速和载荷影响较大,表面粗糙度对于非对称聚合物齿轮的弹流润滑有着不利影响,在应用中应保证齿面加工质量.     

三滚轮整体加载旋转工况光弹流试验机设计及实验

弹流润滑的光干涉法必须采用透明材料,而一般玻璃等透明材料不能承受高的拉应力,且局部柔性加载技术较为困难,制约着有限长线接触光弹流实验的开展。为了弥补目前对有限长线接触光弹流实验研究的不足,设计了一种三滚轮整体加载旋转工况光弹流试验机,并对滚子的弹流油膜形状进行了初步的实验。实验表明,该试验机可以有效地工作在旋转工况下,测量滚子类线接触弹流润滑接触表面的油膜形状及其变化情况,为今后相关弹流润滑成膜机理的理论研究提供有效的实验数据。     

基于分形理论的变齿厚齿轮接触应力分析

为了更准确地反应变齿厚齿轮齿面真实接触应力,构建了变齿厚齿轮的齿面接触系数,并对其合理性进行了验证。基于分形接触理论和Hertz接触理论建立了综合考虑齿轮齿面粗糙形貌、接触点弹性变形、材料特性等参数的变齿厚齿轮接触模型,计算变齿厚齿轮的接触强度,并与有限元计算结果进行比较,验证了方法的有效性。通过分形理论得出齿轮啮合时载荷与面积的关系,并对4个基本参数进行仿真,分析分形接触模型的效果。结果表明,通过数值模拟和分析实际接触面积与载荷的关系图,验证了分形接触模型的准确性。基于有限元理论、Hertz接触理论和分形理论,对变齿厚齿轮的齿面接触强度进行了比较和分析,验证了分形接触模型计算变齿厚齿轮接触应力的正确性,该模型的建立为变齿厚齿轮的设计与强度校核提供了一定的理论依据。     

弹性流体动力脂润滑光干涉试验台的研制

由于弹流润滑的接触区域小、润滑膜厚度薄,且由于润滑脂的非线性黏塑性和强烈的非牛顿性,使得弹流脂润滑的润滑膜厚度测量及实验研究十分困难。基于光干涉测量润滑膜厚度的基本原理,研制出一种弹性流体动力脂润滑的光干涉试验台,并设计其机械传动装置、图像采集装置、供脂及加载装置。在该光干涉试验台上进行白光干涉和单色光干涉试验,Hertz干接触及弹流脂润滑试验。结果表明,该光干涉试验台采集的图像清晰稳定;采用单色光干涉试验比白光干涉试验获得的条纹更加清晰,且测量范围更大。理论计算与实验测量结果一致,表明该试验台可用于弹流脂润滑的实验研究。     

有限长线接触斜齿轮副瞬态弹流润滑研究

采用统一Reynolds方程建立斜齿轮有限长线接触瞬态弹流润滑模型,研究瞬态效应与表面粗糙度对润滑特性的影响。结果表明:考虑瞬态效应的斜齿轮副润滑参数在单齿啮合区域剧烈变化,其接触区域膜厚较低且摩擦因数较大,容易处于混合润滑状态;在单齿啮合区域,瞬态解有效承载区变窄且二次压力峰明显增大。当前算例表明全膜弹流润滑状态下,粗糙度对斜齿轮副的瞬态弹流润滑特性影响较少,仅在双齿啮合区域考虑粗糙度的平均膜厚较大,且对应接触压力与膜厚围绕光滑解波动。     

齿轮动力学与弹性流体动力润滑耦合研究

为探究齿轮的动力学特性与弹流润滑耦合效应,综合考虑齿轮啮合刚度的时变效应和表面粗糙度对齿轮动力学行为的影响,基于动力学理论,建立了6自由度摩擦动力学模型。采用解耦方法求解该模型,将求解获得的轮齿动态啮合力和表面波动速度用于弹流润滑分析中。通过实例研究了动、静两种载荷模型下齿轮的弹流润滑特性。研究表明,与平稳载荷相比,基于动载荷模型的齿轮弹流润滑研究更能准确反映齿轮的瞬态润滑特性,在啮合刚度的激励下,润滑时油膜压力和油膜厚度均表现出一定的振荡效应。啮入点、单齿啮入点以及单齿啮出点存在较大的冲击,是齿轮弹流润滑的危险点。     

渐开线直齿圆柱齿轮非牛顿瞬态弹流润滑分析

齿轮的润滑设计都是应用理想牛顿流体的结果,但实际上,在中、轻载荷下Ree Eyring流体更符合实际。因 此研究齿轮在非牛顿润滑下的瞬态弹流机理,对于指导齿轮润滑问题的设计更具有工程实际价值。本文应用数值 稳定性好、收敛速度快和计算精度高的多重网格算法,得到了用Ree Eyring流体润滑的齿轮瞬态弹流问题的完全数 值解。     

基于润滑承载接触分析的直齿轮滑动摩擦效率研究

结合圆柱直齿轮承载特性和齿面线接触非牛顿流体的时变热弹流润滑分析,建立了齿轮润滑承载接触模型,从而形成润滑状态下渐开线圆柱齿轮摩擦效率的精确计算方法。通过齿轮承载特性分析,获得啮合周期内轮齿各瞬时离散接触点载荷等动力参数。利用多重网格法和逐列扫描的方法交替求解线接触瞬态微观热弹流润滑模型,最终求得的滑动摩擦效率。结果表明:当载荷变化较小时,其对滑动摩擦系数和瞬时摩擦功率损失影响较小,而载荷发生突增时,摩擦系数将随之减小。     

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。     

数值法研究无限长线接触弹流问题发展状况

基于现代弹流润滑理论，在数值分析法研究无限长线接触弹流问题方面，指出了考虑各种实际工况如热效应、非牛顿效应、瞬态效应、表面粗糙度等的必要性及研究现状，指出了存在的问题及发展的方向。     

变位斜齿轮的热弹流润滑数值分析

运用斜齿轮有限长线接触数学模型,对渐开线变位斜齿轮进行热弹流润滑数值分析;分析正变位、负变位、等变位3种变位系数下斜齿轮的热弹流润滑状态,计算不同变位系数下斜齿轮的油膜压力、膜厚及温升,并与标准斜齿轮传动计算结果进行比较。结果表明:热弹流润滑条件下,斜齿轮的变位对油膜压力影响不大,对膜厚有较大的影响;变位斜齿轮正传动时,随变位系数的增大,压力减小,膜厚增大;沿最长接触线时,与标准斜齿轮的传动相比,变位斜齿轮正变位系数下压力最小、膜厚最大、温度最低,因此,选择正变位系数更有利于斜齿轮的润滑。     

齿轮转速对齿轮传动接触疲劳寿命影响的研究

通过热弹流润滑数值计算,分析了齿轮转速对齿轮传动接触疲劳寿命的影响.研究结果表明:在一定的工况条件下,提高齿轮转速有利于延长齿轮传动的接触疲劳寿命;然而,当齿轮转速超过一定值时,疲劳寿命随转速的提高不增反降.这一研究结果对国际齿轮强度计算标准中所荐速度系数的适用范围提出了质疑.