齿轮乏油传动的摩擦学研究

论文摘要

为了实现齿轮传动的绿色制造、提高齿轮的传动性能,本文针对齿轮传动的乏油现象,在乏油工况、乏油机理、乏油磨损、改善乏油的供油方法及其载运齿轮传动工程应用等方面进行了摩擦学研究。论文主要创新工作如下：(1)基于齿轮的啮合过程分析了表征齿轮副工况的两个基本要素——相对运动与载荷。为便于研究齿轮传动设计参数对两理论齿廓相对运动的影响,推导了采用传动比、理论啮合线长度与曲率半径表示的相对滑动率的计算公式；通过随机函数模拟齿轮的制造误差,采用弹簧模型建立了考虑制造误差的啮合刚度与齿间载荷分配率的计算方法。以SS8机车齿轮为例的计算表明：综合误差使得双齿轮副啮合刚度大小在无误差值的啮合刚度值下方波动,但不会超过单齿轮副的啮合刚度值；综合误差使得齿间载荷分配率沿着无制造误差的载荷分配率曲线而上下波动。(2)从供需关系入手进行了齿轮副乏油的研究,提出了齿轮副的乏油机理：接触区有效供油量不足实际的需求量将导致乏油；并进一步提出了有效供应量是受齿轮的自供油能力与外设供油能力影响的判据。首先,基于弹流润滑理论与散热原理分别推导了齿轮传动的润滑供油需求量与冷却需求量的计算公式；然后,从载荷与速度两方面出发研究了齿轮基本参数对齿轮自供油能力的影响；最后,基于供油效率研究了供油方位与齿轮的设计结构等对外设供油能力的影响,为高速、重载下改善齿轮乏油传动提供了有效的措施。(3)针对现有磨损计算的理论依据不充分的问题,提出了高副摩擦功原理的磨损计算模型,该模型从能量的角度高度概括地反映了滑动高副摩擦磨损的规律,理论依据可靠,且计算简单实用,适应于高副摩擦磨损的动态仿真分析；并开发了使用方便、计算全面、结果可靠的齿廓磨损仿真软件,以SS8型机车牵引齿轮为例进行了仿真计算与分析,提出了齿轮耐磨设计与维护的相关措施。(4)针对高速、重载立式齿轮传动在传统润滑供油方法下容易造成供油量不足而导致乏油的情况,提出了具有自主知识产权的齿轮径向自吸流体润滑方法,并以螺杆泵为供油动力源进行了供油能力的理论分析以及实验研究,计算表明：螺杆泵工作容积主要受齿轮转速与齿轮载荷的限制,冷却散热对螺杆泵工作容积的影响与转速无关,螺杆泵工作容积应该按啮合线上最大供油量进行设计；通过实验验证了供油不足将导致乏油的理论分析。本文具有明显的理论价值、实用价值,对于基于绿色制造的齿轮摩擦学设计具有明显的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 乏油润滑
• 1.3.2 齿廓磨损
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 轮齿啮合的运动分析
• 2.1 齿轮啮合过程
• 2.1.1 齿轮的连续传动
• 2.1.2 齿轮副的相对运动
• 2.2 齿轮副的相对滑动
• 2.2.1 相对滑动率
• 2.2.2 设计参数对相对滑动率的影响
• 2.2.3 相对滑动在摩擦学方面的影响
• 2.2.4 减少相对滑动的措施
• 2.3 本章小结
• 第三章 轮齿的刚度与齿间载荷分配
• 3.1 轮齿的变形
• 3.1.1 几何计算
• 3.1.2 柔度计算
• 3.2 啮合刚度
• 3.2.1 理论啮合刚度
• 3.2.2 基于制造误差的啮合刚度
• 3.3 齿间载荷分配率
• 3.3.1 不考虑轮齿综合误差
• 3.3.2 考虑轮齿综合误差
• 3.3.3 机车齿轮实例计算与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 齿轮传动的乏油分析
• 4.1 弹性流体动力润滑
• 4.2 齿轮传动的供油需求量
• 4.2.1 润滑油量
• 4.2.2 冷却油量
• 4.2.3 计算实例与分析
• 4.3 自供油能力
• 4.3.1 承载自供油能力
• 4.3.2 速度自供油能力
• 4.3.3 工程应用
• 4.4 外设供油能力
• 4.4.1 供油方法
• 4.4.2 喷射供油能力
• 4.4.3 工程应用
• 4.5 乏油机理
• 4.6 本章小结
• 第五章 齿廓的磨损计算
• 5.1 摩擦副的数值计算
• 5.2 磨损理论
• 5.2.1 经典磨损理论
• 5.2.2 基于相对滑动的高副摩擦功原理
• 5.3 齿廓磨损计算的数学模型
• 5.3.1 计算原理
• 5.3.2 坐标系
• 5.3.3 齿廓的离散
• 5.3.4 实际啮合角
• 5.3.5 瞬时相对滑动系数
• 5.3.6 正压力
• 3.3.7 轮廓外点的坐标
• 3.3.8 啮合点的坐标
• 5.3.9 共轭条件
• 5.3.10 瞬时传动比
• 5.3.11 附加转矩
• 5.4 机车齿轮实例计算与分析
• 5.4.1 软件设计与实现
• 5.4.2 计算结果与分析
• 5.4.3 耐磨设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 齿轮径向自吸流体润滑方法
• 6.1 齿轮径向自吸流体润滑
• 6.2 供油量分析
• 6.2.1 螺杆泵工作容积
• 6.2.2 计算结果与分析
• 6.3 供油性能实验
• 6.3.1 实验设计
• 6.3.2 结果及其分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 论文结论与展望
• 7.1 论文结论
• 7.2 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果