漸開線齒輪傳動(dòng)的混合彈流潤(rùn)滑研究.pdf

1、漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是以Herze理論為基礎(chǔ)的，而Herze理論僅僅適用于一對(duì)光滑表面之間無潤(rùn)滑、無摩擦的靜態(tài)接觸，這與齒輪傳動(dòng)的實(shí)際狀況出入較大。因?yàn)檩嘄X在嚙合過程中，由于齒面之間的相對(duì)滑動(dòng)不可避免地導(dǎo)致摩擦力的產(chǎn)生；此外，所有的輪齒齒面都是凹凸不平的且一般都處在潤(rùn)滑接觸狀態(tài)。這樣，齒面接觸載荷往往由潤(rùn)滑油膜和齒面粗糙峰之間的直接接觸來共同承擔(dān)，這就意味著絕大多數(shù)齒輪傳動(dòng)都工作在混合潤(rùn)滑狀態(tài)下。因此，本項(xiàng)研究既具有一定

2、的理論意義又富有較強(qiáng)的實(shí)際價(jià)值。 本文首先建立了混合彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下齒面摩擦系數(shù)的計(jì)算模型，基于此模型進(jìn)行了80余組數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示：當(dāng)油膜比厚λ＜1.6時(shí)，摩擦系數(shù)μ隨λ的增大急劇減小；之后，μ的降低幅度趨于平緩，但在λ≤4.5之前一直呈下降趨勢(shì)。然而，在λ＞4.5后，μ隨λ的增大略有上升。這說明，過大的油膜比厚(過稠的潤(rùn)滑油粘度)會(huì)加劇齒面的摩擦損耗。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的回歸分析，形成了混合彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下齒面摩擦

3、系數(shù)的計(jì)算公式。 混合彈流潤(rùn)滑數(shù)值計(jì)算是本文的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其困難在于數(shù)值計(jì)算中的易于發(fā)散且收斂速度緩慢。為了解決這一難題，本文借助泛函理論對(duì)Reynolds方程的求解做了收斂分析，基于分析結(jié)果對(duì)計(jì)算區(qū)域做了合理離散，并通過采用快速迭代法和謹(jǐn)慎選用計(jì)算初值等技術(shù)手段，使計(jì)算速度與通常算法相比提高了6-30倍，但仍保持了通常算法的計(jì)算精度。采用修改后的算法，本文先后進(jìn)行了近40組混合彈流潤(rùn)滑數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，與全膜彈流潤(rùn)滑相比

4、，混合彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下的齒面壓力分布和油膜厚度分布呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)，且輪齒接觸區(qū)次表面出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)：由于齒面粗糙峰的存在，齒面平均油膜厚度hav,r與光滑齒面接觸時(shí)的相應(yīng)值hav,s相比，非但沒有減小反而有所增大。二者之間的差異幅度與油膜比厚λ存在如下關(guān)系：hav,J/hav,s=1+0.4175/λ1.8259(0.9＜λ＜3.2) 與此同時(shí)，研究結(jié)果還顯示：混合彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下輪齒接觸區(qū)次表面主剪應(yīng)力的最大值τm

5、ax,r始終大于光滑齒面接觸時(shí)的相應(yīng)值τmax,s，二者之間的差異幅度隨油膜比厚λ的增大而下降，但當(dāng)λ＞2.3時(shí)，二者之比趨于恒定：{τmax,r/τmax,s=1+0.4332/λ2(0.9＜λ≤2.3)τmax,r/τmax,s=1.088(2.3＜λ＜3.2)本項(xiàng)研究還進(jìn)行了100余組全膜彈流潤(rùn)滑數(shù)值計(jì)算，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的回歸分析，確立了潤(rùn)滑狀態(tài)下輪齒接觸應(yīng)力與齒輪傳動(dòng)參數(shù)之間的定量關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了潤(rùn)滑狀態(tài)參數(shù)Jr：Jr=

6、(η0u)0.20(ER)0.55w-0.75不難看出，該參數(shù)是由齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)和潤(rùn)滑油性能參數(shù)共同決定的，其數(shù)值大小顯著影響著齒面壓力分布及輪齒接觸區(qū)次表面的應(yīng)力分布。當(dāng)Jcr＜12.0時(shí)，潤(rùn)滑狀態(tài)下的應(yīng)力分布與干接觸時(shí)的Hertz分布相差無幾，只是在壓力峰下的齒面表層有輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象；但當(dāng)Jr≥12.0時(shí)，潤(rùn)滑狀態(tài)下的齒面壓力分布在其接觸區(qū)出口端出現(xiàn)峰值較大的第二壓力峰，且在壓力峰下的輪齒表層有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 為了驗(yàn)

7、證上述理論計(jì)算結(jié)果，本文利用圓盤滾子來模擬齒輪傳動(dòng)，先后進(jìn)行了6組疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地驗(yàn)證了理論結(jié)論。理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明：齒輪傳動(dòng)的接觸疲勞壽命N與潤(rùn)滑狀態(tài)參數(shù)Jr之間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。當(dāng)Jr＜9.0時(shí)，隨著潤(rùn)滑劑粘度η或齒輪轉(zhuǎn)速u的增大，齒輪疲勞壽命在提高。但當(dāng)Jr≥9.0時(shí)，疲勞壽命隨粘度或速度的增大在降低，尤其是當(dāng)Jr≥12.0時(shí)，潤(rùn)滑狀態(tài)下的齒輪疲勞壽命反而小于干接觸時(shí)的疲勞壽命。本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，為了保證齒輪傳動(dòng)的最佳壽命

8、，潤(rùn)滑油粘度應(yīng)按下式選用：η0=55840u-1.0(ER)-2.75w3.75 基于上述研究結(jié)論，本文指出了國(guó)際齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)(ISO/TC60423E)中所推薦的兩個(gè)系數(shù)的局限性。在此標(biāo)準(zhǔn)中，為了考慮齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑效應(yīng)，提出了潤(rùn)滑系數(shù)ZL和速度系數(shù)ZY，而這兩個(gè)系數(shù)的數(shù)值分別隨潤(rùn)滑油粘度和齒輪轉(zhuǎn)速的增大而單調(diào)上升。造成這種情況的主要原因在于這些系數(shù)是根據(jù)為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外推而來的，缺乏理論依據(jù)，因而具有一定的局限性。為了

9、克服這一局限性，本文最后提出了綜合潤(rùn)滑系數(shù)ZLV和粗糙度系數(shù)ZR。其中，前者考慮了齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)、模數(shù)、載荷、轉(zhuǎn)速、輪齒材質(zhì)及潤(rùn)滑油特性等多種因素的綜合作用；后者則定量反映了齒面粗糙度對(duì)齒輪接觸應(yīng)力的重要影響。在此基礎(chǔ)上，使用這兩個(gè)系數(shù)對(duì)現(xiàn)行齒輪接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式做了修正，以彌補(bǔ)如前所述的Hertz理論在應(yīng)用于齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的所存缺陷，從而使設(shè)計(jì)結(jié)果更加客觀、科學(xué)、安全。 本項(xiàng)研究的不足之處是實(shí)驗(yàn)組數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少，從而限制了