航空弧齿锥齿轮结构改进和喷油润滑的数值分析研究

摘要

随着现代工业的不断发展，弧齿锥齿轮所需要传递的功率越来越大、承载能力越来越高、转速越来越快、体积和重量越来越小，这些都促使了对弧齿锥齿轮的啮合设计、加工制造、工作环境等综合特性带来更大的挑战。目前，航空弧齿锥齿轮的设计与应用技术已经成为制约我国航空航天装备向高速重载、大功率、轻量化和高寿命等方向发展的重要因素。本文是针对某航空发动机高速弧齿锥齿轮的承载能力不足、润滑效果不理想的问题，采用有限元法和有限体积法从结构和润滑两方面展开了详细的数值分析研究。
　　首先，针对某航空发动机高速弧齿锥齿轮传动性能达不到现阶段使用要求的现状，通过对弧齿锥齿轮的啮合设计理论、加载接触分析及其本身结构进行分析，提出了增大原有弧齿锥齿轮副模数和齿宽的改进方案。接着，采用传统的强度计算公式进行校核，表明改进后弧齿锥齿轮的接触强度、弯曲强度和胶合承载能力均得到了提高。然后，基于有限元技术建立改进后弧齿锥齿轮的有限元模型，对啮合区的接触应力和弯曲应力进行了详细分析。结果表明本次设计解决了原有齿轮强度裕度不足的问题，使锥齿轮接触疲劳强度提高了约27.3％，轮齿弯曲强度提高了约40.2％，齿面胶合承载能力提高了约28.7％。
　　其次，分析了喷油润滑特性对高速弧齿锥齿轮承载能力的影响，由于弧齿锥齿轮的空间啮合理论比较复杂，直接对其进行润滑数值分析非常困难，本文引入了当量直齿圆柱齿轮。结合摩擦学、传热学、流体动力学等理论知识，并借助计算流体动力学软件对其喷油润滑系统进行深入研究，主要分析了其温度场、压力场和速度场的分布及变化趋势。然后详细分析了喷油润滑的几个主要因素（包括润滑油粘度、齿轮转速和喷油速度）对其承载能力的影响。得到了齿轮润滑系统的温度、压强、速度分析方法，结果表明粘度和喷油速度对温度场的影响较大，转速和喷油速度对压力场的影响较大，三种因素对速度场的影响均较为显著。随后分析了三种因素的两两耦合作用对润滑的影响，得到了更为系统的喷油润滑影响因素研究结论。
　　本文改进后的弧齿锥齿轮不仅能满足现阶段的使用要求，而且采用的有限元法和有限体积法将对弧齿锥齿轮承载能力的数值模拟研究提供技术支持和帮助。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 弧齿锥齿轮设计和啮合理论的研究现状

1．3．2 弧齿锥齿轮动力学分析的研究现状

1．3．3 齿轮润滑问题的研究现状

1．4 当前研究中存在的问题

1．5 研究难点

1．6 研究内容

2 理论分析基础

2．1 弧齿锥齿轮加载接触分析

2．1．1 弧齿锥齿轮接触迹和啮合点位置的确定

2．1．2 轮齿间的载荷分配和接触点曲率

2．1．3 弧齿锥齿轮啮合过程中齿面速度分析

2．2 喷油润滑相关理论

2．2．1 湍流模型

2．2．2 标准k-ε模型

2．2．3 多相流模型

2．2．4 热平衡分析

2．3 齿轮润滑基本方程简介

2．4 本章小结

3 齿轮啮合计算模型

3．1 弧齿锥齿轮啮合改进实例

3．1．1 弧齿锥齿轮的啮合强度计算

3．1．2 三维建模及其有限元仿真

3．1．3 齿面接触应力模拟结果分析

3．1．4 齿轮弯曲应力模拟结果分析

3．2 弧齿锥齿轮计算模型的简化

3．2．1 弧齿锥齿轮的当量直齿圆柱齿轮

3．2．2 啮合点速度分析

3．2．3 啮合点载荷处理

3．3 本章小结

4 齿轮喷油润滑的模拟仿真

4．1 润滑模型的建立

4．2 网格划分及动网格计算模型的建立

4．2．1 模型网格划分

4．2．2 建立动网格模型

4．3 边界条件的选取

4．4 模拟参数的选取

4．5 模拟仿真结果分析

4．5．1 齿轮润滑的温度场分析

4．5．2 齿轮润滑的压力场分析

4．5．3 齿轮润滑的速度场分析

4．6 本章小结

5 齿轮喷油润滑影响因素分析

5．1 润滑油粘度对润滑效果的影响

5．1．1 仿真求解

5．1．2 分析求解结果

5．2 齿轮转速对润滑效果的影响

5．2．1 仿真求解

5．2．2 分析求解结果

5．3 喷油速度对润滑效果的影响

5．3．1 仿真求解

5．3．2 分析求解结果

5．4 耦合作用对润滑效果的影响

5．4．1 润滑油粘度和齿轮转速的综合影响

5．4．2 润滑油粘度和喷油速度的综合影响

5．4．3 喷油速度和齿轮转速的综合影响

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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