多種載荷下齒輪彎曲強(qiáng)度與齒面摩擦因數(shù)的計(jì)算方法研究.pdf

1、齒輪是重要的基礎(chǔ)件，其設(shè)計(jì)與制造水平影響到機(jī)械裝備的性能和可靠性。開展齒輪強(qiáng)度和齒面摩擦的計(jì)算與試驗(yàn)研究，對(duì)于增大承載能力、提高疲勞壽命、減少摩擦磨損、改善傳動(dòng)性能等具有顯著的意義。關(guān)于齒輪彎曲強(qiáng)度和齒面摩擦的計(jì)算和試驗(yàn)研究較多，以下問(wèn)題值得探索:多種荷載下齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算的精確建模方法，齒根應(yīng)力和輪齒變形的數(shù)值計(jì)算;能夠表征齒面多樣的摩擦潤(rùn)滑性態(tài)及其變化規(guī)律的過(guò)程模型，齒面關(guān)鍵摩擦參數(shù)的普適計(jì)算方法;基于嚙合理論與摩擦學(xué)、接觸動(dòng)力學(xué)等

2、交叉的齒面沖擊摩擦機(jī)理及定量計(jì)算等。
　　 基于上述問(wèn)題的思考并結(jié)合作者承擔(dān)的相關(guān)課題，提出了本論文的研究論題。重點(diǎn)研究三個(gè)問(wèn)題:多種荷載下齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算的精確建模方法;齒面摩擦潤(rùn)滑的多態(tài)性模型與計(jì)算方法;齒面摩擦力與摩擦因數(shù)的普適量化計(jì)算方法。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1.對(duì)齒輪有限元精確建模與彎曲強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行了研究，通過(guò)比較研究驗(yàn)證了上述方法的正確性。根據(jù)齒輪展成加工原理和坐標(biāo)系矩陣變換法推導(dǎo)出齒形曲線

3、，基于純文本數(shù)據(jù)文件的APDL與MATLAB的混合建模方法，實(shí)現(xiàn)了齒輪幾何模型的精確建模?；诤`差與變形的計(jì)算模型，推導(dǎo)出彎曲強(qiáng)度計(jì)算力點(diǎn)的位置判別式，可作為彎曲強(qiáng)度計(jì)算力點(diǎn)選取的參考。研究了齒輪彎曲強(qiáng)度有限元計(jì)算的多種有效荷載，通過(guò)對(duì)不同荷載下齒根峰值應(yīng)力和輪齒變形的比較研究發(fā)現(xiàn):按集中力、線分布力、Hertz接觸面分布力、靜態(tài)接觸力的次序，計(jì)算結(jié)果的精確性不斷提高;移動(dòng)負(fù)荷的動(dòng)載等效分析，較難體現(xiàn)嚙合沖擊效應(yīng)。
　　 2.

4、研究了齒間載荷疊加效應(yīng)、齒高及齒寬方向的載荷分布及輪齒變形和齒根最大拉/壓分布規(guī)律。研究顯示:
　　 (1)相鄰齒對(duì)嚙合引起的力疊加效應(yīng)，在齒輪強(qiáng)度精確計(jì)算中不能忽略，嚙合力疊加效應(yīng)對(duì)中心齒受壓側(cè)的影響大于受拉側(cè)，并使輪齒最大變形進(jìn)一步增大。
　　 (2)均布荷載、三角分布和三次拋物線分布荷載作用下，齒寬方向的齒根峰值應(yīng)力和接觸區(qū)域輪齒變形的變化規(guī)律，驗(yàn)證了齒端剛度效應(yīng)和輪齒變形及應(yīng)力分布的連續(xù)性;齒向荷載的不均勻性和齒

5、端剛度效應(yīng)，使得齒根最大壓/拉應(yīng)力有所增大，接觸區(qū)域的最大變形略有下降。
　　 3.基于虛擬儀器集成平臺(tái)，提出了通過(guò)無(wú)線應(yīng)變采集卡和路由器傳輸齒根應(yīng)變數(shù)據(jù)的新方法，設(shè)計(jì)了齒根動(dòng)應(yīng)力無(wú)線測(cè)試臺(tái)。通過(guò)多點(diǎn)平均法消除隨機(jī)電噪聲獲取待測(cè)數(shù)據(jù)，將輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩取平均值，作為計(jì)算模型的加載工況，保證了計(jì)算模型力邊界與試驗(yàn)條件的一致性。測(cè)得的齒根應(yīng)力變化曲線比較準(zhǔn)確地反映了單/雙嚙區(qū)交變、嚙合沖擊及相鄰嚙合齒對(duì)的影響;測(cè)得的最大齒

6、根應(yīng)力與有限元計(jì)算結(jié)果及其他研究者的結(jié)論比較一致，驗(yàn)證了本文提出的無(wú)線測(cè)量方法及上述有限元計(jì)算模型的正確性。獲取了齒面摩擦因數(shù)反求需要用到的試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，即測(cè)量應(yīng)力。
　　 4.提出了齒面摩擦潤(rùn)滑的多態(tài)性模型。將嚙合傳動(dòng)理論與摩擦學(xué)理論相結(jié)合，對(duì)齒輪傳動(dòng)中的多種摩擦潤(rùn)滑性態(tài)（彈流潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑、干摩擦、沖擊摩擦等）的形成機(jī)理、特征及存在條件等進(jìn)行了研究。結(jié)合齒輪系統(tǒng)的復(fù)雜性和傳動(dòng)中出現(xiàn)的摩擦過(guò)渡特性，提出了齒輪傳動(dòng)摩擦

7、潤(rùn)滑的多態(tài)性概念和過(guò)程模型。根據(jù)齒面是否出現(xiàn)局部干摩擦，提出將混合潤(rùn)滑分為Ⅰ型（不含局部干摩擦）和Ⅱ型（含局部干摩擦）。最后，研究了混合潤(rùn)滑Ⅰ型的構(gòu)成模型及其齒面摩擦力/摩擦因數(shù)的計(jì)算方法。
　　 5.提出了基于齒根計(jì)算應(yīng)力和測(cè)量應(yīng)力的齒面摩擦因數(shù)反求方法。研究發(fā)現(xiàn)，輪齒在單嚙上界點(diǎn)嚙合時(shí)，齒根非接觸區(qū)的最大拉/壓應(yīng)力對(duì)齒面摩擦具有較高的靈敏性，其中最大拉應(yīng)力的靈敏度比壓應(yīng)力高出近1倍。在此基礎(chǔ)上，提出了以計(jì)算應(yīng)力和測(cè)試應(yīng)力為變

8、量構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，利用隔代映射小種群遺傳算法與有限單元程序，反求干摩擦狀態(tài)下的齒面摩擦因數(shù)。根據(jù)反求的齒面摩擦因數(shù)，研究了齒面摩擦對(duì)齒根應(yīng)力和輪齒變形的影響。
　　 6.提出了將線外嚙入沖擊階段分為沖擊、刮行和正常嚙合三個(gè)階段，基于齒輪嚙合原理與數(shù)值反推技術(shù)，計(jì)算含系統(tǒng)誤差和輪齒變形的線外嚙入沖擊幾何位置、沖擊速度及沖擊摩擦因數(shù)。主要研究結(jié)論:
　　 (1)考慮到影響嚙入沖擊的主要誤差項(xiàng)、輪齒變形和齒面載荷均沿嚙合作用

9、線方向，提出了在該方向上構(gòu)建“系統(tǒng)等效誤差—輪齒綜合變形”計(jì)算模型。
　　 (2)按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律將基節(jié)偏差、法向側(cè)隙和齒廓修形量沿嚙合線合成為系統(tǒng)等效誤差;將彎曲、壓縮、剪切、接觸等變形沿作用線合成為輪齒綜合變形;再將系統(tǒng)等效誤差與輪齒綜合變形進(jìn)行二次合成，用以判斷線外嚙入沖擊點(diǎn)的初始幾何位置。
　　 (3)根據(jù)輪齒變形—載荷歷程曲線按搜索法反推出線外嚙入沖擊點(diǎn)的輪齒綜合變形，據(jù)此推算出線外嚙入初始點(diǎn)的位置和沖擊力;建立