齿面粗糙度对齿轮传动接触疲劳应力的影响

论文摘要

现行渐开线圆柱齿轮传动接触疲劳强度的设计基础是Hertz理论,而该理论仅仅适用于一对光滑表面之间的干接触。然而,在生产实际中绝对光滑的齿面是不存在的,且齿面粗糙度和油膜厚度通常处于同一数量级。齿面粗糙峰谷的的存在会造成油膜厚度的时变性,这无疑会引起齿面压力分布和轮齿接触区次表面应力分布呈动态变化。因此,要完善齿轮传动接触疲劳强度设计,就必须考虑齿面的粗糙度效应。在考虑温度效应和齿轮润滑油非牛顿特性的基础上,本文假定齿面粗糙度呈余弦分布,采用多重网格积分法求解油膜厚度分布,采用多重网格法求解齿面压力分布,采用逐列扫描法求解温度分布,采用弹性接触理论求解轮齿接触区次表面应力分布,进行了大量的齿轮传动弹流润滑数值计算,从理论上探讨了齿面粗糙度对齿面压力、摩擦系数、油膜厚度、温度和轮齿接触疲劳应力的影响,研究结果对完善齿轮传动接触疲劳强度设计具有一定参考价值,本文主要研究结论如下：(1)齿面粗糙度会使轮齿接触区次表面发生明显的应力集中。波长愈小,粗糙峰愈大,应力集中愈明显,且愈贴近轮齿表面。(2)齿面粗糙度会使平均油膜厚度hav,和最大主剪应力τmax沿啮合线发生锯齿波状变化,且hav,和τmax总体大于光滑齿面接触时的相应值。(3)当波长小于一定值时,波长固定,最大主剪应力均值τmax,r随峰高的增大近似呈指数关系增大。峰高固定,τmax,r随波长的增大近似呈倒指数关系减小；当波长大于一定值时,波长固定,τmax,r随峰高的增大先减后增,近似呈抛物线变化；峰高固定,τmax,r随波长的增大缓慢增大并逐步趋于光滑解。(4)波长固定,平均油膜厚度均值hav,r。随峰高的增大近似呈指数关系增大；峰高固定,当波长小于一定值时,hav,r随波长的增大而波动变化,当波长大于一定值时,hav,r随波长的增大近似呈倒指数关系减小并趋于光滑解。此外,本文还通过对计算结果的拟合分析,给出了最大主剪应力均值τmax,r和平均油膜厚度均值hav,r与齿面粗糙度峰高、波长之间的拟合关系式。本文假定齿面粗糙度呈余弦分布,而齿面真实粗糙度是随机变化的。因此,基于齿面真实粗糙度进行齿轮传动的弹流润滑研究就构成了本文今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 弹流润滑理论的研究
• 1.2.1 弹流润滑理论的形成与发展
• 1.2.2 弹流润滑的数值计算
• 1.3 齿轮传动弹流润滑研究进展
• 1.3.1 齿轮传动非稳态（准稳态）效应的研究
• 1.3.2 齿面粗糙度效应的研究
• 1.3.3 齿轮传动接触疲劳应力的研究
• 1.4 本文研究的内容和意义
• 第二章 齿轮传动弹流润滑分析的理论基础
• 2.1 齿轮传动弹流润滑模型的建立
• 2.1.1 综合曲率半径
• 2.1.2 卷吸速度与滚滑比
• 2.2 考虑多种因素的弹流润滑方程组
• 2.2.1 润滑剂的流变学模型
• 2.2.2 Reynolds方程
• 2.2.3 粘度方程
• 2.2.4 密度方程
• 2.2.5 油膜厚度方程
• 2.2.6 载荷方程
• 2.2.7 油膜内剪切应力方程
• 2.2.8 能量方程与界面方程
• 2.3 基本方程的量纲一化
• 第三章 齿轮传动弹流润滑数值计算
• 3.1 多重网格法的原理和实施
• 3.1.1 多重网格法的原理和Reynolds方程的离散
• 3.1.2 限制和延拓的基本操作
• 3.1.3 弹流润滑基本方程的离散及其缺陷方程
• 3.1.4 压力的松弛迭代与总体计算流程
• 3.2 多重网格积分法及其在弹性变形计算中的应用
• 3.2.1 多重网格积分法的基本原理
• 3.2.2 多重网格积分法在弹性变形计算中的应用
• 3.3 温度场分布的计算
• 第四章 齿面粗糙度对齿轮传动接触疲劳应力的影响
• 4.1 输入参数的确定
• 4.2 齿面粗糙度对齿面压力、摩擦系数、油膜厚度及温度的影响
• 4.3 轮齿接触区次表面应力分布的数值计算
• 4.3.1 接触应力分布理论及编程计算
• 4.3.2 齿轮啮合点处的次表面应力分布计算及其分析
• 4.3.3 最大主剪应力沿齿轮传动啮合线的变化
• 4.3.4 齿面粗糙度形貌参数对最大主剪应力和平均油膜厚度的影响
• 4.4 数值结果的拟合分析
• 4.4.1 最大主剪应力均值与峰高、波长关系式的导出
• 4.4.2 平均油膜厚度均值与峰高、波长关系式的导出
• 第五章 研究结论与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 本项工作研究不足及今后研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文