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螺旋锥齿轮弹流润滑及动力学特性研究

孙晓宇  
【摘要】:螺旋锥齿轮因具有接触比高,承载能力强,传动平稳等优点而广泛应用于需要在相交轴或交错轴间传递扭矩的高速重载传动系统中。过大动载荷引起的轮齿疲劳断裂和润滑失效导致的齿面磨损是螺旋锥齿轮常见的失效形式。因此,在齿轮传动系统设计阶段,对其进行动力学和弹流润滑分析显得尤为重要。然而,在动力学分析方面,现有啮合模型不适合分析多齿啮合区每对轮齿动态啮合力;传统采用啮合刚度计算动态啮合力的方法因忽略了啮合力与啮合变形非线性关系,使用时具有一定局限性。在弹流润滑分析方面,因未考虑齿轮承载时实际接触点偏移,弹流润滑分析结果没能准确反映齿轮实际承载接触位置的润滑特征。针对上述问题,本文开展了以下研究工作。为更准确地计算螺旋锥齿轮多齿啮合区各对啮合轮齿的动态啮合力,建立了描述每对轮齿在啮合过程中啮合特征变化的轮齿对啮合模型。对比了轮齿对啮合模型和现有齿轮副啮合模型的啮合特征参数以及轮齿动态啮合力计算结果,分析了啮合模型对动态啮合力计算结果的影响以及轮齿对啮合模型在计算多齿啮合区每对啮合轮齿动态啮合力时的优越性。提出了采用考虑啮合力与啮合变形非线性关系的弹性接触力插值函数计算动态啮合力的方法,与传统采用啮合刚度计算动态啮合力的方法对比,分析了采用啮合刚度计算动态啮合力的局限性。提出了一种确定螺旋锥齿轮实际承载接触点处齿面几何和运动参数的方法,为对螺旋锥齿轮在实际承载接触位置进行弹流润滑分析提供所必须的输入参数。通过对比螺旋锥齿轮承载接触点和理论接触点的弹流润滑分析结果,分析了考虑因齿轮承载变形导致的接触点偏移对准确分析螺旋锥齿轮润滑性能的重要性。分析了螺旋锥齿轮齿面几何和运动参数对其润滑特性的影响,并探究了影响螺旋锥齿轮润滑性能的主导因素。建立了考虑齿面加工形貌和非牛顿润滑剂剪切稀化行为的螺旋锥齿轮热弹流润滑分析及摩擦系数计算模型。分析了润滑剂剪切稀化行为和热效应对齿轮润滑特性的影响,以及随齿轮转速的增加轮齿从边界润滑状态到混合润滑状态再到全膜润滑状态过程中摩擦系数的变化。同时,为满足工程需求,提出了一种快速计算螺旋锥齿轮摩擦系数的方法。建立了考虑轮齿时变啮合特征、齿侧间隙、传动误差以及时变滑动摩擦力的螺旋锥齿轮摩擦-动力学耦合模型。分析了摩擦力对齿轮动态特性的影响。搭建了螺旋锥齿轮动力学测试平台,实现了螺旋锥齿轮传动误差、振动和齿根应力的测量。提出了根据最大齿根动应力估算最大动态啮合力的方法。对比实验和分析结果,验证了动力学模型的准确性。


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