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齿轮副的静、动态数值计算与动态光弹性实验研究

常江  
【摘要】: 本文以标准渐开线直齿圆柱齿轮作为研究对象。利用共轭曲面原理推导出齿根齿形曲线方程,并据此创建出精确的二维和三维全齿数齿轮模型。论证了齿轮加工刀具齿顶圆弧半径对齿根齿形曲线的曲率以及齿根弯曲强度的影响。针对四种加载方式进行静、动态有限元计算,并对简化的齿轮模型进行误差分析。 本文提出一种新的边界条件,同时约束两轮的径向和轴向位移,保留两轮的周向转动自由度,在主动轮上施加由于高速旋转引起的惯性转矩,在从动轮上施加因外部阻力引起的扭矩负载。利用创建的三维齿轮啮合模型结合新的边界条件进行有限元计算,通过对比可知,采用新边界条件得到的结果更接近真实值。 齿轮传动是最重要的传动形式之一,良好润滑是保证齿轮正常运转的关键因素,为了研究各种齿轮参数对润滑油膜的影响,引入多重网格法求解齿轮在重载下的弹流润滑问题,计算结果令人满意。多重网格法具有收敛速度快,数值稳定性好的优点,已经被证明是一种功能强大的数值计算方法。计算结果显示,通过增大齿轮的模数、传动比、分度圆压力角、齿轮转速和润滑油粘度等参数可以增加齿面间的润滑油膜的厚度,从而有效地减小磨损、胶合等失效形式发生的几率。 综合考虑轮齿在不同啮合点处的当量曲率半径、卷吸速度、轮齿所受载荷随时间的变化,以及压力对润滑油粘度和密度的影响,利用多重网格技术求得齿轮在非稳态弹流润滑条件下的完全数值解。分析了轮齿在整个啮合过程中受到的载荷以及冲击载荷对齿轮弹流润滑的影响,并将计算出的油膜压力作为加载参数进行考虑弹流润滑影响的齿轮强度有限元计算,这一工作是前人没有做过的探索性工作。 以光弹性法原理为基础,在一对由聚碳酸脂材料制成的齿轮啮合模型上施加不同脉宽的冲击载荷,通过“动态光力学实验的数字图像采集系统”记录模型受到冲击载荷作用后不同瞬时产生的等差线条纹图。对比实验数据与有限元计算结果可知,两者的吻合性非常好。


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