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齿面应力

发布日期:2015-01-28 21:01:54  点击量:1097   信息来源:原创

接触应力是指两个接触物体相互挤压时在接触区及其附近产生的应力。由于接触应力而引起齿轮失效的形式包括齿面点蚀以及塑性变形。齿面点蚀是齿面材料在变化的接触应力的反复作用下,在接触表面由于疲劳而产生的麻点或者凹坑,随着齿轮的运转,麻点会继续扩大,最后形成明显的齿面损伤,齿轮的运转噪声增大,振动加剧,温度升高,磨损加快,导致其工作失效。塑性变形是轮齿永久性变形的一类失效形式,由于过大的接触应力,齿轮材料在处于屈服状态下的金属质点塑性流动所造成。

因此在设计齿轮、轴承等零件时,必须考虑接触强度。目前各国基于赫兹接触理论制定了相应的齿轮接触强度设计标准,如ISO 6336标准、GB/T 3480-1997标准、AGMA 2001-C95标准等。然而赫兹接触理论建立在完全弹性体的基础上,并且没有考虑到润滑状态、粗糙表面形貌、材料特性等因素,不能准确的预测齿轮接触强度以及疲劳寿命。实践证明几乎所有的齿轮都处于润滑的状态下而且齿面也不是绝对光滑的表面。那么如何模拟由粗糙度以及润滑状态表征的轮齿齿面接触模型,并计算出次表面应力场,从而预测疲劳寿命也是国内外学者在近些年来一直探索的方向。

随着计算机技术的快速发展,研究者开始利用数值分析技术采用确定性模型模拟表面粗糙度。1984年Goglia等首先利用确定性模型研究了线接触弹流问题,结论表明表面粗糙度将使最大剪应力的位置向表层移动。这一结论表明了润滑状态和粗糙形貌对于齿轮传动以及齿轮接触疲劳寿命的不可忽略的影响。2000年Britton等人通过实验研究发现当齿面粗糙度的算术平均值RMS由0.4微米降为0.05微米时,摩擦功率可以减少30%左右。2002年刘双表等探讨了粗糙表面接触时由于摩擦力引起的次表面应力场分布并得出结论粗糙度对于齿轮接触疲劳寿命将产生巨大影响。2009年王优强等研究了粗糙度对于齿轮润滑的影响并得出结论粗糙度对于齿轮传动接触疲劳寿命是十分不利的。

综合以上所述,在现今以及未来,基于啮合过程的动力学与摩擦学耦合,从润滑、材料、形貌等要素入手,分析预测齿轮的动应力以及疲劳寿命,提出齿轮传动设计的新方法,从而满足当今及未来齿轮传动发展的需要也将是我们团队致力的研究重点。

参考文献:

[1] Liu S B andWang Q. Studying Contact Stress Fields Caused by Surface Tractions with aDiscrete Convolution and Fast Fourier Transform Algorithm. ASME Journal ofTribology, 2001, Vol.124, No.1: 36-45.

[2] ISO, "ISO6336: Calculation of load capacity of spur and helical gears," ed:International Organization for Standardization, 2005.

[3] AGMA,"AGMA 2001-C95: Fundamental rating factors and calculation methods forinvolute spur and helical gear teeth," ed: American Gear ManufacturersAssociation, 1995.

[4] H. Hertz, Onthe contact of rigid elastic solids: Macmillan, 1896.

[5]中国国家技术监督局,"GB/T 3480-1997 渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法,": 中国国家技术监督局, 1997.

[6] Goglia. P,Cusano. C, Conry. T.F. The effect of surface irregularities on theelastohydrodynamic lubrication of sliding line contacts, PartⅡ-wavysurface[J]. ASME Journal of Tribology, 1984, 106:113-119.

[7] 王优强,卞荣.连续波状粗糙度对直齿轮热弹流润滑的影响[J].机械工程学报,2009,45(8):112-118.


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