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高性能齿轮摩擦与接触强度

时间:2021-12-06来源:北京精密

导语:摩擦是导致轮齿破坏机理的重要物理量,而强度是衡量结构抵抗破坏的能力,界面接触是连接二者的“桥梁”。周教授团队在齿轮传动、齿面摩擦和齿面强度领域进行了长期深入研究,取得了多项突破性研究成果。本次讲座从“齿轮摩擦及其计算方法”、“齿面粘着磨损计算方法”、“齿轮传动润滑计算模型”和“齿轮接触疲劳计算方法”四个方面展开。

  高性能齿轮摩擦与接触强度

  摩擦是导致轮齿破坏机理的重要物理量,而强度是衡量结构抵抗破坏的能力,界面接触是连接二者的“桥梁”。周教授团队在齿轮传动、齿面摩擦和齿面强度领域进行了长期深入研究,取得了多项突破性研究成果。本次讲座从“齿轮摩擦及其计算方法”、“齿面粘着磨损计算方法”、“齿轮传动润滑计算模型”和“齿轮接触疲劳计算方法”四个方面展开。周长江教授首先对于课题的研究背景做了系统地讲解,指出齿轮是重要基础件,其设计与制造水平直接影响到机械装备性能和可靠性。在《中国制造2025》规划、美国“先进制造业国家战略计划”和知名齿轮制造商等均对高性能齿轮提出了高要求。在学术研究领域,工程技术与制造领域的齿轮摩擦致损论文逐年增多,研究尺度跨度大,涉及面广。

  一、齿轮摩擦及其计算方法

  齿轮传动中齿面摩擦力的主要影响有:降低传动效率,加剧轮齿失效(磨损、点蚀、胶合、折断等),引起系统振动与噪声等。在“齿轮摩擦及其计算方法”板块中,周教授对复杂润滑状态下齿面摩擦系数的测算方法进行了详细介绍,一类以弹流润滑理论为基础,另一类则是以齿面摩擦特性试验为基础,并提出了计算方法与实验方法的反求方法。同时讲解了线外啮合冲击摩擦模型及其摩擦因数的计算方法。

  齿轮啮合时,轮齿变形和误差使接触齿对产生“啮合合成基节误差”,导致轮齿在啮入点与啮出点偏离理论啮合线,转速突变并引起啮合冲击。基于齿轮传动线外啮出冲击原理,周教授团队提出在啮合线方向上构建含系统等效误差和齿对综合变形的啮出冲击计算模型。根据齿轮变形随载荷变化的曲线推导出线外啮出冲击点的综合变形。将系统等效误差与齿对综合变形沿啮合线方向进行合成,求出线外啮出点与冲击点的位置。根据啮合点法向速度相等原理,求解线外啮出过程中被动齿轮最小转速和啮出冲击速度,进而求解出线外啮出冲击力与冲击摩擦。发现线外啮出冲击力为啮入冲击力的70%-80%,且冲击摩擦高出正常啮合40%-50%。

  图1 齿轮摩擦及其计算方法发展历程

  图2 齿轮摩擦系数计算反求

  周教授团队提出了一种基于齿根应力的齿轮摩擦系数反求方法。通过加载接触分析得到齿根应力,构建径向基函数代理模型表征应力与摩擦系数的映射。基于齿根应力的计算值与测试值建立摩擦系数的收敛准则,反求实现有/无润滑齿面摩擦系数的量化。不同于润滑理论计算方法,摩擦系数反求方法可适用于各种润滑状态,且不需要确定复杂的齿轮润滑状态。反求结果表明转速、负载和润滑状态对齿面摩擦系数均有较大的影响。转速增大或负载减小,摩擦系数会变小;干摩擦状态下的摩擦系数是有润滑状态下的两倍多。与已有研究结论不同的是,发现节点处的摩擦系数不为零,结论与实际齿轮传动中节点处相对滚动速度不为零的状况相符。

  二、齿面粘着磨损计算方法

  磨损贯穿齿轮的全服役周期,导致齿面材料持续损伤和脱落,增大传递误差和降低传动精度。周长江教授系统阐述了齿轮磨损计算方法与测试技术概况,基于粘着磨损、疲劳磨损、能量磨损理论及材料磨损率,对齿轮磨损最常用的几种计算方法进行介绍。分析等效试件、比例试件和实际试件3类试验方法在齿轮磨损测试中的应用。

  图3 齿轮磨损计算模型与试验方法

  基于单点观测法与坐标变换法,在Flodin滑移距离基础上提出接触点对的动态滑移距离计算模型,为齿轮的粘着磨损计算提供更为准确的滑移距离。

  图4 接触齿对的广义滑移距离模型

  基于改进的坐标变换和动态滑移距离模型的齿轮粘着磨损预测方法,并应用到人字齿轮的磨损深度问题求解。根据反向圆锥滚子等效接触模型和Hertz接触理论计算齿面压力和接触椭圆;结合滑动距离模型和Archard磨损公式,求出齿面的磨损量分布,并基于此模型计算得到人字齿轮副的齿面磨损深度。

  图5 人字齿轮齿面粘着磨损深度

  三、齿轮传动润滑计算模型

  周教授以三峡升船机超大模数变位齿轮-齿条传动润滑设计为例,对低速重载使役状态下传动系统的润滑特性进行介绍,阐述了润滑性能分析的重要性。基于该案例,周教授还深入浅出的讲解了在“高速齿轮喷油润滑”、“人字齿轮传动润滑”、“齿面-滑油复合刚度与阻尼”和“齿轮启动点接触润滑”等领域的研究进展。

  图6 高速齿轮喷油润滑模型

  喷油润滑是高速重载齿轮传动的主要润滑方式。但高速旋转的齿轮边缘带动的高速气流会对喷油嘴喷出的润滑油液束造成影响,使滑油难以进入齿轮啮合区,啮合区常处于无油或乏油状态,最终导致齿轮出现润滑劣化而引起齿面损伤。如何改善和优化高速齿轮的喷油系统,使齿轮得到良好的润滑是解决齿面损伤的关键。

  图7 三峡升船机齿轮-齿条润滑计算模型

  针对三峡升船机超大模数变位齿轮-齿条传动润滑设计缺失与过早磨损,团队开展低速重载使役状态下传动系统的润滑特性研究。构建变位齿轮-齿条传动系统瞬态热弹流润滑计算模型,利用多重网格法与FFT方法求解各啮合点处的润滑特性参数。分析启动至正常运行阶段的转速和载荷、变位系数、模数、压力角、材料配副和油膜黏度,对油膜压力、膜厚、齿面摩擦力与摩擦系数的影响。发现,齿条啮入瞬间的成膜条件差,滑移速度与摩擦力较大,易使齿条顶部发生磨损;齿轮副硬材料表面的润滑性能较差;适当增大变位系数、模数、压力角和黏度可改善润滑性能。

  图8 修形人字齿轮点接触弹流润滑

  随着转速、承载能力和功率密度的增大,人字形齿轮的热弹流润滑在重型车辆、能源设备、大型飞机和舰船等的主减速器或增速器中的应用越来越多,但人字齿轮的润滑仍然是一个非常复杂的问题。周教授团队建立了点接触非牛顿热弹流润滑理论,并结合已验证的数值计算程序,研究了人字齿轮传动的润滑问题。研究了主要几何参数和工作参数(压力、油膜厚度、温升和剪切应力)对润滑性能的影响。研究表明,法向模数、法向压力角、螺旋角和传动比的增大有利于抗点蚀性能的提高。

  图9 齿轮与滑油的复合刚度-阻尼模型

  将齿轮传动之间的粘弹性流体等效为无质量弹簧-阻尼单元,建立新的油膜法向刚度-阻尼模型,并根据层流单元表面剪应力相等的假设,提出了切向刚度-阻尼模型。进而提出齿轮与滑油的复合刚度-阻尼模型,研究法向与切向刚度、法向与切向阻尼的变化规律,用于齿轮-转子系统弹性摩擦动力学模型,为齿轮动力学与摩擦学耦合提供基础参量。

  图10 启动过程中点接触混合润滑膜厚的演变

  齿轮在恒加速启动过程中处于时变的多态润滑形式,先后经过边界润滑、混合润滑与全膜润滑状态,因此考虑点接触下恒加速启动过程中的时变混合润滑特性研究具有现实意义。在这一过程中,润滑油膜和界面粗糙峰接触形式的演变过程非常复杂。周教授团队分析和验证了启动运动中光滑接触和粗糙接触点接触副的瞬态成膜过程。对比分析光滑齿面与粗糙齿面在启动过程中的润滑特性参数(油膜承载力与膜厚),启动过程中接触面积比,光滑界面刚开始比粗糙界面大,速度继续增大时光滑齿面接触面积比较粗糙齿面小,直至达到全膜润滑状态两者大小一致。且粗糙齿面在启动过程中的膜厚变化、油膜承载压力比受到齿面粗糙度的影响较大。

  四、齿面接触疲劳计算方法

  在最后一个板块中,周教授指出“含摩擦齿轮强度计算”课题源于ISO和AGMA标准中,齿面接触应力和齿根弯曲应力的计算未考虑摩擦对齿轮弯曲与接触应力的影响。分别进行了基于Lewis悬臂梁理论推导含摩擦齿轮弯曲强度和根据第四强度理论推导含摩擦齿轮接触强度。并对摩擦系数对于弯曲应力和接触应力的影响效应进行了计算,并将理论结果与有限元结果进行对比分析,结果表明:随着齿面摩擦力的增大,弧齿锥齿轮齿根弯曲与齿面接触应力均增大;对于润滑不良的弧齿锥齿轮,摩擦对齿轮强度的影响不容忽视。

  图11 含摩擦的齿轮强度计算方法

  齿面接触疲劳破坏是高载荷下齿轮的重要失效形式,裂纹萌生是接触疲劳失效的关键阶段。而齿面残余压应力则一定程度上可抑制疲劳损伤,为此,周教授团队针对齿面残余应力的产生机理与加载方式进行了研究。针对齿面疲劳寿命的计算和裂纹萌生及扩展进行了相关研究,分别结合临界平面法预测齿面接触疲劳寿命,考虑非比例加载路径影响提出了多轴疲劳寿命预测模型,可以有效考虑正切应力幅值比的影响,提高了非比例加载工况的寿命预测精度。

  图12 齿轮接触疲劳寿命计算

  至此,本次学术报告周长江教授系统地讲解了高性能齿轮摩擦与接触强度领域的研究进展,在座的同学们纷纷表示受益匪浅,从周长江教授的报告中,不仅开阔了视野和丰富了专业知识,同时也了解到了该课题的重要性与研究现状,收获颇丰。

   周长江简介:湖南大学教授、博士生导师,闽江学者。国际摩擦学者与润滑工程师协会会员,CGMA专家委员会委员,齿轮标准化技术委员会委员,摩擦学分会理事,工业摩擦学工作委员会委员。发表论文80余篇,获发明专利与软著40余项,起草国家标准9项。获国家科技进步二等奖1项,部省级科技进步一等奖2项。主要从事高性能齿轮传动、摩擦磨损与润滑、结构损伤与可靠性、智能测控等领域研究。  

标签: 齿轮传动

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