考虑裂纹与磨损故障的齿轮传动系统动态特性分析

针对齿轮系统中同时出现裂纹与磨损故障时实现复合故障诊断较为困难的问题，提出了考虑齿廓磨损和齿根裂纹故障的齿轮传动系统动态特性分析模型。首先，基于Archard公式，建立齿轮传动系统磨损数值仿真模型，求解不同磨损周期下的齿廓磨损量；然后，通过势能法建立裂纹及磨损作用下的单齿啮合刚度计算模型，在双齿接触区考虑啮合齿对磨损量间的关系，结合变形协调，建立双齿啮合刚度计算模型；最后，采用集中质量法建立齿轮系统4自由度动力学模型，以含故障的时变啮合刚度为输入，使用Newmark-β法对动态响应进行求解，获得不同程度裂纹与磨损作用下的齿轮动态特性。实验结果表明：该模型能够较好反应复合故障中磨损与裂纹特征；与未考虑磨损后双齿区实际变形的裂纹与磨损复合故障模型相比，该复合故障模型双齿区刚度计算准确性提高了约22%,所提模型可为含磨损与裂纹的齿轮传动系统故障诊断提供有效的动力学补充。     

行星齿轮传动的齿面动态磨损特性

针对动态载荷下行星齿轮传动系统齿面磨损问题,考虑了时变啮合刚度和齿廓磨损误差激励的影响,应用势能法求解齿廓磨损情况下的齿轮副啮合刚度,采用集中参数法建立了平移-扭转多自由度齿轮动力学模型,通过Newmar k-β时域积分法求解动态啮合力,基于变形协调原理确定齿间载荷分配系数,依据赫兹接触理论确定齿面接触压力分布,采用有限元方法等转角度离散齿面,基于Archard磨损公式建立了行星齿轮传动系统动态磨损数值仿真模型。通过算例,分析了不同磨损程度的啮合齿面接触压力分布,探讨了负载转矩和磨损次数对磨损的影响以及磨损深度与齿轮系统啮合刚度间的关系。仿真结果表明:磨损后双齿啮合区齿面压力呈"∧"形分布;磨损速率与负载转矩呈正比映射关系,与磨损次数呈指数映射关系;啮合刚度与最大磨损深度呈一次函数关系。该研究结果对行星齿轮传动系统的齿廓修形设计及减磨延寿具有一定的参考意义。     

工业机器人用RV减速器的齿廓动态磨损特性

针对工业机器人用精密RV减速器齿廓动态磨损难以准确预测的问题，以BX-40E减速器为实例，基于广义Archard磨损公式，通过等效实验求得不同位置条件下减速器的磨损系数，并在磨损预测过程中考虑磨损演化后不同位置条件变化的影响。根据变形协调理论和Langkali-Nikraves接触力模型确定齿间载荷分配与接触压力，考虑时变齿廓磨损与啮合力激励，采用解析建模方法建立了传动系统齿廓动态磨损数值计算模型。对比磨损系数取定值的齿廓磨损曲线，磨损数值与齿面分布规律均存在显著差异，整体差异随磨损次数增加而加剧，得出考虑接触位置条件差异的磨损系数对齿面磨损量化的准确性与必要性。摆线轮、针齿轮的齿面磨损深度曲线沿齿廓呈非对称不规则的倒“W”形，靠近齿根齿顶的部分因磨损而率先脱齿后再啮合，造成冲击，从而出现微突峰。在摆线齿廓凹凸过渡位置几乎不发生磨损。随磨损次数增加磨损峰峰域变窄，磨损率增势非均匀减缓。啮合力与压力角之间成一次函数映射关系。文中研究结果可为提高摆线针齿轮的减磨减振性能提供理论基础。     

渐开线圆柱齿轮啮合过程中磨损的计算机仿真

利用边界元的基本思想，渐开线直齿圆柱齿轮可以简化到端面进行分析，从而将空间啮合问题转化为平面啮合问题。将边界曲线离散成许多单元和结点，对这些离散点进行啮合和磨损分析，提出了用参数三次样条曲线来模拟磨损后的齿面，实现了对任意啮合点磨损量的计算。编制了一系列的软件，实现了用计算机对齿轮啮合过程中的载荷、应力及磨损进行动态模拟，得出的结果符合通常的磨损规律。     

渐开线直齿圆柱齿轮啮合磨损试验研究

为齿轮啮合磨损计算机仿真提供依据,在CL 100型齿轮试验机上进行了渐开线直齿圆柱齿轮啮合磨损试验,利用高精度的UMC1000C型三坐标测量仪进行了轮齿磨损前后的齿形检测·检测结果经计算机数据处理,再利用Mathematica软件绘出线磨损量线图,试验方法与理论计算方法比较,结果相符·节圆附近的磨损量最小,齿顶圆附近的磨损量最大,径向线磨损量分布的规律与齿面啮合相对速度的变化规律基本一致·     

齿轮啮合摩擦疲劳磨损的计算模型

闭式齿轮传动中的齿面疲劳磨损机制类似于剥层磨损机制,由此建立了齿面啮合摩擦疲劳磨损计算的数学模型.磨损层厚度的表达式中,涉及磨损率、每啮合一次轮齿的滑动距离、工作转速、工作时间、相啮合齿轮副数以及齿面改性系数、润滑系数、载荷系数等参数.给出了计算模型中各参数的确定方法,讨论了计算模型的适用场合.通过反映齿面磨损物理过程规律的数学模型,寻找不同工况下减小齿面啮合疲劳磨损的途径;该模型具有工程实际意义,为齿轮啮合磨损过程的计算机仿真提供了依据.     

齿间动态载荷分配下的齿轮磨损分析

为了寻求与实际更为符合的直齿圆柱齿轮磨损量计算方法,基于单双齿交替啮合和磨损后轮廓形状改变对齿间载荷的影响,推导了相邻2对轮齿在共同承担载荷时的动态载荷分配公式,得到了啮合轮齿的齿间动态载荷;基于Winkler弹性模型和轮齿啮合原理,获得了磨损量计算所需要的压力分布及啮合速度;基于Archard磨损模型,推导了齿轮的磨损量计算模型。算例显示:随着磨损次数的增加,磨损量逐渐增大;齿根处磨损最为剧烈,单双齿转换处的磨损有缓慢微幅波动;磨损与载荷耦合增加;在考虑载荷分配后,最大磨损量大幅减小。研究表明,计算齿轮磨损需考虑齿轮间动态载荷的分配问题。     

齿廓形状对谐波齿轮共轭啮合区润滑性的影响

采用公切线双圆弧齿廓作为谐波传动柔轮齿廓,通过包络理论推导出刚轮与柔轮的共轭齿廓方程和共轭区域,同时运用最小二乘法拟合刚轮齿廓的离散点,得到刚轮的拟合圆弧曲率半径.在此基础上,综合考虑卷吸速度、啮合点法向载荷、真实表面粗糙度和轮齿接触几何等因素,建立了双圆弧齿廓和渐开线齿廓谐波齿轮在共轭啮合区的混合润滑数学模型,分析了不同转速下谐波齿轮共轭啮合区处齿根啮合点和齿顶圆啮合点的润滑状态.研究结果表明:齿廓形状对润滑性能影响显著,采用双圆弧齿廓能显著增加平均油膜厚度和降低最大油膜压力,使润滑性能得到改善;随着波发生器转速逐渐降低,共轭齿根啮合点和共轭齿顶圆啮合点的平均油膜厚度和膜厚比随之减小,接触载荷比随之增大,润滑效果变差.     

基于动态啮合力的齿轮磨损量计算方法

针对直齿轮磨损问题,考虑到齿轮动态特性对磨损的影响,联合Archard公式和齿轮动力学方程建立了基于动态啮合力的齿轮磨损定量计算模型。基于动力学方程求出动态啮合力,将动态啮合力及滑动系数代入Archard公式计算磨损量;将磨损量视为齿形误差重构齿廓,并重新计算动态啮合力及滑动系数;反复迭代则可得到动态啮合力和磨损量的变化规律。进行齿轮磨损试验,采用光谱仪分析油液中Fe元素浓度变化,得到齿轮磨损量的变化规律及磨损系数K,通过仿真结果与试验结果的对比验证了模型的准确性。最后对齿轮的磨损状态进行仿真预测,结果表明,当主动轮运转5.578×107次后,总磨损量达到2.085 g,动态啮合力峰值超过理论值的4倍,有过载风险;以此作为阈值则可得到齿轮的磨损寿命。仿真模型对于齿轮的磨损寿命预测和抗磨损设计具有重要的工程意义。     

三圆弧谐波齿轮传动齿廓设计及参数优化

以三圆弧谐波齿轮为研究对象,结合改进运动学法和数值离散思想方法,求解出谐波齿轮柔轮齿廓方程和谐波齿轮传动的啮合不变矩阵,进而求解柔轮共轭齿廓;在共轭齿廓基础上,采用圆弧拟合和几何计算相结合的方法,设计求解出刚轮齿廓,并分析柔轮齿廓参数对柔轮共轭齿廓的影响。为进一步提高谐波齿轮的传动精度、传动平稳性、啮合刚度和承载能力,以增大谐波齿轮传动双共轭区间为目标,建立优化函数,对柔轮齿廓参数进行单变量和多变量优化分析。研究结果表明:采用合理的齿廓参数,可增加刚轮齿廓所包含的柔轮的理论共轭啮合点,最大化谐波齿轮传动双共轭区间,提高谐波齿轮啮合传动特性。     

齿轮稳态温度场及热变形研究

根据摩擦学、传热学以及齿轮啮合原理等知识,确定了轮齿各表面的对流换热系数的计算方法,及啮合面摩擦热流密度的计算方法.利用APDL语言建立了单齿热力耦合分析的有限元参数化模型.引进了混合介质特性参数的比例因子及修正系数,使得有限元模型更加接近实际工况.得到了齿轮单齿稳态温度场及热变形的有限元分析结果.并通过数据处理得到了啮合面热变形量沿啮合线法线方向的变形曲面.研究结果表明:齿轮的稳态温度场存在明显的温度梯度,啮合面温度最高,最高温度出现在啮出端双齿啮合区中部.齿轮的热变形存在明显的变形梯度,齿顶变形量最大,齿根最小.热变形沿啮合线法线方向的变形量,在齿顶中部最大,在齿宽方向成上凸分布,且在齿顶位置上凸最明显;在量级上与齿廓修形的修形量处于同一量级,因此将对齿廓修形的效果产生很大影响.本文的研究可为考虑热变形的齿廓修形设计等提供理论依据.     

分阶式双渐开线齿轮轮齿刚度的研究

用有限元方法首次计算分析了分阶式双渐开线齿轮轮齿的刚度、啮合刚度和载荷分配系数,结果表明双渐开线齿轮的刚度、啮合刚度均提高了,而载荷分配系数基本不变;提出直线逼近齿廓曲线近似求解该齿轮刚度的能量积分法。     

基于弹性势能的多模数直齿轮副接触应力分析

为了研究模数变化对多模数渐开线直齿轮副齿面接触应力的影响规律,根据理论齿侧间隙为零原则,推导了多模数渐开线直齿轮副的啮合角计算公式;引入了渐开线齿廓参数,结合基于最小弹性势能的非均匀载荷分配模型和赫兹应力模型,提出了多模数直齿轮副齿面接触应力计算公式并对多模数渐开线直齿轮副接触应力进行分析.结果表明:齿面接触应力随模数比增大而减小;采用多模数啮合形式,能减小少齿数主动轮啮合起始点的接触应力;齿面最大接触应力位置在啮合起始点或单齿啮合内点.     

双压力角非对称齿廓齿轮齿根弯曲应力的有限元分析

推导出双压力角非对称渐开线齿轮系统全齿廓方程,以及在单、双齿啮合上、下界点处坐标和载荷角的计算公式,编制了相应的参数化程序.对实例的有限元分析表明非对称渐开线齿轮的齿根弯曲强度比对称齿轮有较大提高.计算结果揭示了由于时变啮合刚度的影响齿根弯曲应力在一个啮合周期的变化规律.     

航空发动机齿轮接触分析与修形研究

基于齿轮啮合原理,在有限元分析软件ANSYS中采用APDL语言建立了齿轮传动三维参数化有限元模型.依据传热学和摩擦学理论,建立了单个轮齿的本体温度有限元分析模型,利用ANSYS软件求解出单个轮齿的本体温度场.将温度分布作为轮齿的温度载荷,计算轮齿的热变形,求出基于热变形的齿廓最大修形量.此外,依据经验公式,根据轮齿的受载情况计算齿廓的最大修形量.结合修形理论,得出了热弹耦合修正的渐开线齿廓修形曲线方程.通过ANSYS接触分析验证修形效果,得到修正后的修形曲线方程.     

渐开线少齿差行星齿轮减速器的承载能力和齿面磨损

本文的主要观点是：（１）实际啮合行轮齿对数较多，而且是轮齿凸面对凹面接触，齿面接触强度高，承载能力大；（２）由于有的齿轮在啮合线以外啮合，因此，接触两轮齿的齿面滑动磨损较大。     

齿面磨损最小直齿锥齿轮Ease-off修形设计与分析

为了改善齿轮传动性能和可靠性,提出了直齿锥齿轮齿面抗磨设计与分析方法。该方法结合碟型刀具在摇台型机床切制直齿锥齿轮方法获得大轮齿面;通过预置传动误差及抛物线修形参数设计小轮法向Ease-off曲面,并叠加于大轮的共轭齿面表达修形齿面。结合齿面接触分析、承载接触分析、Archard磨损公式,提出考虑磨损深度影响的齿面承载接触分析数值方法,将齿面几何分析与力学分析融为一体,且充分考虑了安装误差、齿面修形和磨损的耦合性,可准确快速获得齿形重构后的齿面磨损量;以无磨损时承载传动误差幅值(ALTE)最小、齿面磨损次数最多进行修形优化设计,获得最优Ease-off曲面,并分析磨损对ALTE的影响。结果表明:相同磨损量下,随载荷的增加磨损次数逐渐减少且趋于相等;随齿形重构次数增加,主要是双齿啮合区的齿面初始间隙增加,导致承载变形增大;多载荷工况下,随磨损次数增加最小ALTE及其对应的载荷逐渐增大;共轭齿面轻度磨损后ALTE有所改善。     

齿轮啮合动态接触过程仿真分析

以圆柱体接触力学相关原理为基础,基于Ansys/Ls-dyna操作平台,对齿轮啮合过程动态接触应力进行有限元仿真分析.将啮合齿轮等效为两圆柱体接触,以等效圆柱体的接触应力作为齿轮接触应力,将有限元计算结果与Hertz理论进行对比分析发现,齿轮接触过程最大接触应力与Hertz理论较为接近,说明该等效模型的正确性.在单齿啮合区,其接触应力较双齿啮合处有所增加;在双齿啮合区,其最大接触应力较为平稳.轮齿两端处的接触应力远大于齿面中间处的接触应力,在轮齿中间区域,其接触应力分布比较均匀.     

船用齿轮传动的动态优化设计

考虑齿轮副的时变啮合刚度、啮合阻尼及轮齿的综合误差,建立了船用齿轮传动系统的动力学模型;将齿轮副接触线长度变化代替齿轮瞬时啮合刚度的变化,啮合阻尼和齿面摩擦等效为粘性阻尼以提高求解效率.并以齿轮的振动加速度和质量为目标函数,对船用齿轮传动进行多目标动态优化,有效降低船用齿轮的振动水平和质量.     

渐开线少齿差行星齿轮减速器的承载能力和齿面磨损

本文的主要观点是 :( 1 )实际啮合行轮齿对数较多 ,而且是轮齿凸面对凹面接触 ,齿面接触强度高 ,承载能力大 ;( 2 )由于有的齿轮在啮合线以外啮合 ,因此 ,接触两轮齿的齿面滑动磨损较大。