不同失效形式下齿轮副动态接触特性及时变刚度分析

摘要

齿轮传动是目前应用最为广泛的传动形式之一，在航空、航天、船舶、汽车、化工等领域的传动系统中起着十分关键的作用。随着齿轮传动朝着高转速和大功率方向的发展，对齿轮的使役性能提出了更高的要求。齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合以及齿根裂纹等齿轮失效形式广泛存在于各类齿轮传动中，危害着设备运行的稳定性和可靠性，严重时还会引起生产安全事故，造成经济损失。因此，开展不同失效形式下齿轮副动态接触特性及时变刚度分析，对保障齿轮传动运行的稳定性和可靠性具有十分重要的理论意义和工程使用价值。
　　本文针对传动齿轮所存在的齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合以及齿根裂纹等多种失效形式，研究不同失效形式下齿轮副动态接触特性及时变啮合刚度，以揭示齿轮失效形式与啮合刚度间的映射关系。论文的主要研究工作如下：
　　①综合考虑轮齿的接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性刚度，利用解析法计算了齿轮副时变啮合刚度，并与齿轮副静力接触有限元分析结果进行对比，验证了解析法的正确性；进而基于显式动力学计算方法进行齿轮副动力接触分析，研究了齿轮副的动态啮合力和传动误差。
　　②阐述了齿面磨损产生机理，利用齿面磨损量计算公式得出齿面均匀磨损层厚度，将其引入基于能量法的轮齿刚度计算公式中，推导了含齿面磨损的齿轮时变啮合刚度计算式，并通过有限元法验证了解析计算公式的正确性，进而研究了不同磨损情况对齿轮时变啮合刚度的影响；在此基础上建立了含齿面磨损的齿轮副动力分析模型，研究了齿面磨损对轮齿动态接触特性的影响。
　　③阐述了齿面点蚀产生机理，分析了齿面点蚀区域及分布规律，估算出齿面点蚀区大小和深度；将齿面点蚀简化为圆形小坑引入基于能量法的轮齿刚度计算公式中，计算含齿面点蚀的齿轮时变啮合刚度，并与有限元法计算结果进行对比分析，而后基于解析法研究了不同点蚀情况对齿轮时变啮合刚度的影响；通过含齿面点蚀的齿轮系统动力接触有限元分析和振动微分方程求解，研究了齿面点蚀对轮齿动态接触特性的影响。
　　④阐述了齿面胶合产生机理，通过齿面胶合区域及分布规律分析，估算了齿面胶合区大小和深度；将齿面胶合简化为长方形沟槽引入基于能量法的轮齿刚度计算公式中，推导了含齿面胶合的齿轮时变啮合刚度计算式，并通过有限元法验证了解析计算公式的正确性，随后研究了不同胶合情况对齿轮时变啮合刚度的影响；进而建立了含齿面胶合的齿轮系统动力分析模型，研究了齿面胶合对轮齿动态接触特性的影响。
　　⑤阐述了齿根裂纹产生机理，通过齿根裂纹区域及扩展规律分析，估算了齿根裂纹长度和扩展角度；将齿根裂纹简化为直线形裂纹引入基于能量法的轮齿刚度计算公式中，计算含齿根裂纹的齿轮时变啮合刚度，并与有限元法计算结果进行对比分析，随后基于解析法研究了不同裂纹情况对齿轮时变啮合刚度的影响；进而建立了含齿根裂纹的齿轮系统动力分析模型，研究了齿根裂纹对轮齿动态接触特性的影响。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的主要研究内容

2 齿轮系统动态接触特性分析及时变啮合刚度计算

2.1 引言

2.2 计算方法及分析理论

2.3 齿轮时变啮合刚度计算

2.4 齿轮系统动态接触特性分析

2.5 本章小结

3 齿面磨损对轮齿接触特性及时变啮合刚度的影响分析

3.1 引言

3.2 齿面磨损产生机理

3.3 含齿面磨损的齿轮时变啮合刚度计算

3.4 齿面磨损对轮齿接触特性的影响

3.5 本章小结

4 齿面点蚀对轮齿接触特性及时变啮合刚度的影响分析

4.1 引言

4.2 齿面点蚀产生机理

4.3 含齿面点蚀的齿轮时变啮合刚度计算

4.4 齿面点蚀对轮齿接触特性的影响

4.5 本章小结

5 齿面胶合对轮齿接触特性及时变啮合刚度的影响分析

5.1 引言

5.2 齿面胶合产生机理

5.3 含齿面胶合的齿轮时变啮合刚度计算

5.4 齿面胶合对轮齿接触特性的影响

5.5 本章小结

6 齿根裂纹对轮齿接触特性及时变啮合刚度的影响分析

6.1 引言

6.2 齿根裂纹产生机理

6.3 含齿根裂纹的齿轮时变啮合刚度计算

6.4 齿根裂纹对轮齿接触特性的影响

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读学位期间获得的奖励