船用齿轮齿面润滑与接触问题数值分析

论文摘要

齿面的润滑与接触状况直接关系到齿轮传动装置的振动、噪声以及齿轮的点蚀、胶合、过度磨损等失效形式的出现。目前,重承载能力、高可靠性、低功耗、低振动及噪声的船用齿轮设计理念已经越来越引起了人们的重视,并成为了未来发展的趋势。然而,由于传统齿轮润滑设计方法的局限性,使得该方法不再能够满足现代设计的需要。因此,开展对齿轮润滑与接触问题的深入研究是非常有意义的。本研究以某单级船用齿轮为研究对象,开发出了一套专门针对渐开线直齿轮的润滑与接触特性分析的程序模块以指导船用齿轮的润滑设计和出现故障之后的失效分析。论文的主要内容可以概括为以下几点:(1)首先,本文介绍了齿轮润滑油的功效和在啮合传动过程中齿面所处的润滑状态。并对船用齿轮的常见失效形式及相关影响因素进行了深入分析。(2)通过对齿面的运动与受力分析,同时将实际的船用齿轮啮合传动问题进行了适当的简化,最终建立起了线接触的物理模型。(3)建立了关于渐开线直齿轮的混合弹流润滑分析及齿面强度分析的数学模型,并给出了具体的数值计算方法。(4)利用Matlab软件完成了具体的程序设计,经过程序调试之后,成功的开发出一套专门针对渐开线直齿轮的润滑与接触特性分析程序模块。将与其相关的初始条件参数输入到该程序中,便能够算出齿轮在整个啮合过程中的润滑油膜厚度、膜厚比、油膜承载百分比、摩擦系数、齿面及油膜中心处的温度、啮合点处的局部最大剪应力和Vom Mises应力分布等重要参数的数值解。(5)最后,对齿轮的影响因素进行了讨论,结果表明:1)齿面粗糙度是一个非常重要的设计参数,即使齿面综合粗糙度均方根(RMS)值仅仅有0.1微米的偏差都会对齿面的工作状况产生很大的影响。此外,降低齿面粗糙度却有可能会造成润滑油膜温度的升高;2)环境温度主要是对油膜的温度有较大影响;3)合理地选用齿轮润滑油能够使齿面具备一定的抗过载能力;4)低转速状态下运行的影响也是值得重视的,转速越低对齿轮则越不利。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景与研究目的及意义
• 1.2 目前我国齿轮润滑设计的常规方法介绍
• 1.3 国内外相关理论的研究现状
• 1.3.1 弹流润滑的研究
• 1.3.2 混合弹流润滑的研究
• 1.3.3 以齿轮为对象的润滑与接触问题研究
• 1.3.4 国内的相关研究
• 1.4 本论文研究的主要内容、关键问题和研究方法
• 第2章 齿轮润滑的机理及其失效的影响因素
• 2.1 齿轮润滑油的功效
• 2.2 齿面的润滑状态
• 2.3 船用齿轮的常见失效形式
• 2.4 导致齿面润滑失效的影响因素分析
• 2.4.1 润滑油属性的影响
• 2.4.2 粗糙度的影响
• 2.4.3 振动激励的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 实际问题的简化及物理模型的建立
• 3.1 齿面运动速度分析
• 3.2 线接触物理模型的建立
• 3.3 齿面粗糙度
• 3.3.1 船用齿轮的加工方式及精度
• 3.3.2 粗糙度的相关评定参数
• 3.4 本章小结
• 第四章 齿轮润滑与接触问题的相关理论
• 4.1 等温无限长线接触弹流润滑的控制方程
• 4.1.1 Reynolds方程
• 4.1.2 油膜厚度方程
• 4.1.3 粘度方程
• 4.1.4 密度方程
• 4.1.5 载荷方程
• 4.2 等温无限长线接触弹流润滑的相关研究结果
• 4.2.1 基本特征
• 4.2.2 Moes公式
• 4.3 等温无限长线接触混合弹流润滑的中心膜厚
• 4.3.1 Johnson比例因子理论
• 4.3.2 中心油膜厚度解
• 4.4 相关的接触理论
• 4.4.1 Hertz接触理论
• 4.4.2 Greenwood-Tripp接触理论
• 4.4.3 Gelinek-Schippe接触理论
• 4.5 温度分析
• 4.5.1 能量方程
• 4.5.2 能量方程的化简
• 4.5.3 固体表面温度控制方程
• 4.6 齿面强度分析
• 4.6.1 齿面次表层应力
• 4.6.2 相关机械强度理论
• 4.7 本章小结
• 第5章 润滑与接触问题相应的算法及程序设计
• 5.1 中心压力及油膜厚度的计算
• 5.1.1 二分法的基本思想
• 5.1.2 目标非线性方程的构造
• 5.1.3 二分法求解比例因子的具体算法过程
• 5.2 固体表面温度分布的计算
• 5.2.1 固体表面温度控制方程的线性离散化
• 5.2.2 雅可比迭代法的基本思想
• 5.2.3 雅可比迭代法求解表面温度分布的具体算法过程
• 5.3 接触区中心处润滑油膜温度平均值的计算
• 5.3.1 牛顿法的基本思想
• 5.3.2 牛顿法求解油膜温度平均值的具体算法过程
• 5.4 次表层应力分量的数值积分求解
• 5.4.1 复化辛普森法的基本思想
• 5.4.2 复化辛普森法计算次表层应力分量的具体算法过程
• 5.5 本章小结
• 第6章 计算结果与讨论
• 6.1 算例数值计算的结果
• 6.2 齿轮影响因素的对比讨论
• 6.2.1 不同齿面粗糙度的对比讨论
• 6.2.2 不同环境温度的对比讨论
• 6.2.3 不同载荷的对比讨论
• 6.2.4 不同转速的对比讨论
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文