表面完整性参数对齿轮弹塑性接触性能影响研究

摘要

齿轮是重要的工业基础件，其性能直接决定装备的服役寿命、安全性和可靠性。随着现代机械装备的发展，齿轮传动的承载能力和疲劳寿命面临更加严峻的挑战，齿轮接触疲劳失效问题日益突出。齿轮齿廓曲线复杂，齿面处于滑滚并存的运动状态；齿面微观粗糙度与润滑的相互作用，会在表面产生较高的局部接触压力；齿轮接触疲劳是典型的高周疲劳，齿面啮合过程经历复杂的多轴应力状态。现有齿轮接触强度设计方法主要基于赫兹接触理论，对齿轮接触界面力学行为、表面完整性影响以及性能演化过程等做了较多简化，缺少对齿轮使役性能退化机理以及表面微观力学特征的深层次科学认识。本文针对齿轮接触疲劳问题，综合考虑宏观几何运动学要素、微观齿面形貌、流体润滑特性以及材料力学参量梯度特征，建立齿轮弹塑性流体动力润滑接触疲劳分析模型，采用滑滚接触试验台进行接触疲劳试验，研究齿轮接触疲劳失效机理，为建立现代齿轮抗疲劳设计体系提供理论支撑。本文主要内容如下：　　①通过齿轮几何运动学分析，提取齿轮时变齿面速度、等效曲率半径以及啮合力等参数，采用统一雷诺方程建立弹流润滑控制方程组，使用半解析法求解表面弹塑性变形与次表面应力场，基于J2流动准则计算塑性应变，通过膜厚方程耦合弹流润滑方程组与弹塑性接触方程组，建立弹塑性流体动力润滑接触模型，分析齿轮润滑接触特性。　　②对齿轮硬度梯度、残余应力及齿面微观形貌进行测量与数学表征，采用基于临界平面法的多轴疲劳准则，研究表面硬度、有效硬化层深度以及表面粗糙度等对齿轮接触疲劳性能的影响。　　③模拟齿轮滑滚接触运动状态，考虑服役过程中齿面形貌演化，表征齿轮受载循环中的应力历程，通过雨流计数法提取微观应力循环，结合损伤累积理论分析齿面速度、滑滚比以及粗糙度对齿面疲劳损伤的影响。　　④采用滑滚接触疲劳试验台开展齿轮等效接触疲劳试验研究，观测表面形貌、表面疲劳损伤及次表面裂纹，计算表面微点蚀面积比率，通过接触带宽度计算磨损体积，研究滑滚接触下的接触疲劳寿命、微点蚀损伤以及表面磨损规律。　　本文建立了齿轮弹塑性流体动力润滑接触疲劳分析模型，讨论了齿轮硬度梯度、残余应力以及齿面粗糙度对接触疲劳性能的影响，研究了微观应力循环与形貌演化对齿面疲劳损伤的影响，基于滑滚接触疲劳试验研究了不同滑滚比、膜厚比以及载荷等对接触疲劳失效的作用规律，为揭示齿轮接触疲劳失效的演变机理和建立现代齿轮抗疲劳设计体系提供了理论支撑。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2.1 齿轮润滑接触研究现状

1.2.2 齿轮接触疲劳研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 齿轮弹塑性流体动力润滑接触模型

2.1 引言

2.2齿轮几何运动学分析

2.3.1弹流润滑控制方程

2.3.2塑性接触基本方程

2.3.3塑性应变计算

2.4.1弹流润滑数值求解

2.4.2弹塑性接触算法

2.5.1 数值模型的验证

2.5.2 齿轮弹塑性流体动力润滑接触分析

2.6 本章小结

3 渗碳齿轮硬化层对接触疲劳性能的影响研究

3.1 引言

3.2渗碳齿轮表面完整性表征

3.3 高周-多轴接触疲劳分析方法

3.4.1 硬化层深度的影响

3.4.2 表面硬度的影响

3.4.3 残余应力的影响

3.4.4 粗糙度幅值的影响

3.4.5 粗糙度与齿面硬化层综合影响

3.5 本章小结

4 考虑形貌演化的粗糙齿面滑滚接触疲劳分析

4.1 引言

4.2应力场时间历程

4.3.1滑滚接触分析

4.3.2 雨流计数法与损伤累积准则

4.3.3 表面磨损方程

4.4结果与讨论

4.4.1 滑滚接触的微观应力循环

4.4.2粗糙度及速度的影响

4.4.3磨损的影响

4.5 本章小结

5 滑滚接触等效疲劳试验研究

5.1 引言

5.2试验设备及材料

5.3试验方法及步骤

5.4试验结果及分析

5.4.1 滑滚比的影响

5.4.2 膜厚比的影响

5.4.3 载荷的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要工作与结论

6.2 论文创新点

6.3 后续研究工作展望

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目录

C. 学位论文数据集

致谢