新型涂层钢蜗轮副传动机理研究与传动性能评价

论文摘要

在重载蜗杆传动中,蜗轮材料采用铸锡青铜,而蜗杆采用钢材料,组成具有良好减磨特性的啮合副。但青铜蜗轮存在以下几方面的缺点:耗费贵重的有色金属且工艺较复杂,成本高;钢-铜接触副耐磨性差,重载工况下磨损严重,缩短了产品使用寿命;青铜合金的接触、弯曲疲劳强度较低,远远低于合金钢,从而增大了蜗轮传动的模数。针对以上问题,本文在对蜗杆传动全工况啮合分析的基础上,采用表面工程强化技术和齿面改质理论,在钢蜗轮副齿面上生成功能性涂层,并进行了深入系统的理论和试验研究,实现了以钢蜗轮替代青铜蜗轮的目标。论文具体的研究工作如下:①结合蜗杆副啮合原理和3D实体建模方法,建立了阿基米德蜗杆传动副的三维实体模型;采用弹性接触理论,分别对钢-钢蜗轮副和钢-铜蜗轮副进行接触有限元分析。结果表明啮合副材料的机械特性和力学性能直接影响蜗轮副的传动性能,钢蜗轮副齿面生成的涂层应具备加载可跑合性。②运用摩擦磨损理论,建立了蜗轮轮齿接触磨损模型,获得了轮齿齿面的磨损深度分布特征;基于建立的蜗轮轮齿接触磨损模型,分析材料的力学机械性能对蜗轮磨损的影响。研究表明磨损率与配对材料副的磨损系数、较软材料的硬度、等效弹性模量等因素有关。③建立蜗轮轮齿本体温度的数学模型,运用有限元方法对蜗轮稳态温度场进行分析,获得了轮齿的温度分布规律。构建了接触副的摩擦系数、热分配系数、导热系数、熔合性与本体温度的关系模型。从理论上论证了钢蜗轮表面减摩涂层的抗胶合能力。④在标准试件上制备超微细磷酸锰转化涂层和硫化亚铁固体润滑涂层;在摩擦磨损试验机上对涂层标准试件进行摩擦磨损试验;分析涂层磨面形貌和微观结构,并结合能谱分析的结果研究了涂层的减摩耐磨机理和跑合性能。结果表明两种涂层均具有优良的减摩耐磨性能,且具有加载可跑合性能。⑤在设计加工的钢蜗轮副齿面上制备两种不同的涂层:超微细磷酸锰转化涂层及硫化亚铁固体润滑涂层。在蜗杆传动试验台上对涂层钢蜗轮副进行综合性能测试,对比研究其传动性能。试验结果表明:涂层钢蜗轮副较之未涂层钢蜗轮副缩短了跑合时间,具有更高的传动效率和更优良的抗胶合能力。同时,与硫化处理的钢蜗轮副相比,磷酸锰涂层钢蜗轮副的运转更为平稳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 蜗杆传动的研究现状
• 1.3 表面减摩耐磨涂层
• 1.3.1 发展概述
• 1.3.2 减摩耐磨涂层的结构分类
• 1.3.3 减摩耐磨涂层的摩擦学机理
• 1.3.4 传动副表面减摩耐磨涂层的应用
• 1.4 课题拟解决的关键问题及研究内容
• 1.4.1 拟解决关键问题
• 1.4.2 主要研究内容
• 2 蜗杆传动弹性啮合分析
• 2.1 引言
• 2.2 传统零件3D 实体建模
• 2.3 蜗杆副零件实体建模
• 2.3.1 蜗杆实体模型的建立
• 2.3.2 蜗轮实体模型的建立
• 2.4 蜗杆传动副弹性接触分析
• 2.4.1 弹性接触问题的求解步骤
• 2.4.2 不同材料蜗杆传动副的弹性接触分析
• 2.5 小结
• 3 基于摩擦磨损理论的蜗杆传动磨损研究
• 3.1 引言
• 3.2 齿面瞬时接触线的求解
• 3.3 磨损模型
• 3.3.1 Holm 线性磨损模型
• 3.3.2 蜗轮副轮齿接触磨损模型
• 3.4 轮齿齿面的磨损分析
• 3.5 材料的力学机械性能对蜗轮副磨损的影响
• 3.6 小结
• 4 蜗杆传动胶合数学模型及本体温度场的仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 胶合失效的机理及影响因素
• 4.2.1 胶合失效的机理
• 4.2.2 胶合的影响因素
• 4.3 齿面瞬时温度准则
• 4.4 影响蜗轮轮齿温度场的主要因素
• 4.4.1 蜗轮轮齿对流换热系数的影响
• 4.4.2 齿面摩擦热流密度的影响
• 4.4.3 轮齿几何参数的影响
• 4.5 蜗轮轮齿对流换热系数分析
• 4.5.1 轮齿端面对流换热系数
• 4.5.2 轮齿啮合面对流换热系数
• 4.6 蜗轮齿面摩擦热流密度分析
• 4.7 本体温度控制方程及有限元求解原理
• 4.7.1 控制方程的建立
• 4.7.2 有限元求解原理
• 4.8 蜗轮稳态温度场的模拟
• 4.8.1 轮齿温度场有限元模型的建立
• 4.8.2 温度场模拟结果分析
• 4.8.3 材料特性对蜗轮温度场的影响
• 4.9 小结
• 5 涂层标准试件的摩擦磨损性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 涂层标准试件的制备
• 5.2.1 标准试件
• 5.2.2 超微细磷酸锰转化涂层
• 5.2.3 硫化亚铁固体润滑涂层
• 5.3 涂层的微观结构分析
• 5.3.1 SEM 分析
• 5.3.2 XRD 分析
• 5.4 涂层的摩擦磨损试验方法
• 5.5 涂层的摩擦学性能评价
• 5.5.1 涂层的减摩特性
• 5.5.2 涂层的耐磨特性
• 5.6 涂层的磨面形貌与磨损机理
• 5.6.1 超微细磷酸锰转化涂层磨面形貌与磨损机理
• 5.6.2 硫化亚铁固体润滑涂层磨面形貌与磨损机理
• 5.7 小结
• 6 涂层钢蜗轮副传动性能综合试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 钢蜗轮副的加工及表面涂层的制备
• 6.2.1 蜗杆的加工
• 6.2.2 蜗轮的加工
• 6.2.3 表面涂层钢蜗轮副的制备
• 6.3 蜗杆传动综合试验台的设计
• 6.3.1 蜗杆传动综合试验台的构成及工作原理
• 6.3.2 蜗杆传动试验台主要部件的确定
• 6.3.3 蜗杆传动试验台设计、加工及装配
• 6.4 涂层钢蜗轮副传动性能综合试验方案的确定
• 6.4.1 跑合试验方案
• 6.4.2 传动效率试验方案
• 6.4.3 振动测试方案
• 6.4.4 油温采集方案
• 6.5 涂层钢蜗轮副传动性能评价
• 6.5.1 跑合试验结果分析
• 6.5.2 传动效率试验结果分析
• 6.5.3 振动测试结果分析
• 6.5.4 油温采集结果分析
• 6.6 小结
• 7 全文总结
• 7.1 论文的主要研究工作及结论
• 7.2 继续研究的方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目