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含热处理畸变的摆线齿准双曲面齿轮啮合特性研究

钱锦年  
【摘要】:摆线齿准双曲面齿轮在高速重载下会出现齿面疲劳破损,通常会通过热处理提高齿面硬度,增加其耐磨性和抗疲劳性。通常情况下针对简单齿轮的淬火使用的是流速均匀的冷却介质下的热处理,主要研究热应变和组织应变对其精度的影响,而对于像形状比较复杂的摆线齿准双曲面齿轮来说,热处理时还需要考虑淬火冷却介质流动下,换热系数的变化对齿面质量的影响。齿轮动态力学特性的好坏会直接影响汽车的舒适性,其中高速重载下的承载力、冲击和振动噪声是目前研究的主要目标。因此,以摆线齿准双曲面齿轮为研究对象,对其进行了渗碳淬火热处理和动态啮合的全流程的数值模拟,具体内容如下:(1)摆线齿准双曲面齿轮热处理仿真研究难点主要在其组织演变及其热畸变,基于20CrMoH材料属性制定了热处理工艺;使用专业材料模拟软件JmatPro计算材料相转变及热物理性能;选用专业热处理仿真软件Deform-HT对齿轮进行热处理仿真;为了使仿真更加接近实际热处理效果,使用了考虑不同表面淬火冷却介质流速的换热系数动态边界条件进行淬火,得到了齿轮齿面、齿顶、齿根、底面和齿芯的碳元素分布、温度场分布、组织场分布和应力应变场分布;热处理后的齿轮齿面硬度、齿芯硬度、内孔椭圆度和底面内外平面度的仿真值均满足实际齿轮热处理要求。(2)为了保证重构出的齿面误差小、精度高,借助专业逆向处理软件Imageware对热处理后的摆线齿准双曲面齿轮点云数据进行预处理,并使用软件强大逆向功能重构齿轮齿面,并对齿面进行了误差分析,得到齿轮凹面和凸面的侧向偏差、负方向偏差、几何偏差、正法向偏差的最大值均小于齿轮直径的0.5%;最后使用UG完成齿轮模型逆向建模,并使用Adams软件对齿轮模型在正车、倒车、空挡前行和空挡后退工况下进行传动误差仿真,得出传动的相对误差都在0.13%以内。(3)摆线齿准双曲面齿轮模型复杂,因此使用专业网格划分软件Hypermesh对齿轮进行网格划分,并导入动力学仿真软件Abaqus中进行接触力学研究,得到正车、倒车、空挡前行和空挡后退工况下接触力和接触面积的变化规律。通过分析发现正车时大小轮间的接触力较小且稳定,接触面积波动小且周期性明显,齿轮传动稳定。空挡运行时大小轮间的接触力和接触面积数值较大且波动范围广,冲击较显著,齿轮损伤较大。(4)通过对摆线齿准双曲面齿轮渗碳淬火热处理和接触性能实验,通过对比得出数值模拟的齿轮齿面硬度和齿芯硬度与实验测量值相近。实测齿轮差曲面的大端、小端、齿根、齿顶附近的误差最大,数值模拟与实际测量结果趋势相似。数字化接触印痕与实际齿轮接触印痕位置大致相同,且倾斜率相差不大,只是接触区形状存在一点偏差。


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