高速重載齒輪傳動瞬態熱力耦合分析及修形設計

《高速重載齒輪傳動瞬態熱力耦合分析及修形設計》是依託北京科技大學，由李威擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高速重載齒輪傳動瞬態熱力耦合分析及修形設計
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：李威
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著齒輪傳動向高速重載方向發展，齒面溫度不斷升高進而引起膠合破壞已成為主要的失效形式之一，現有國際ISO標準及美國AGMA標準採用最大接觸溫度法進行齒輪膠合承載能力計算，該方法是在乾接觸及無潤滑條件下推導出來的，存在一定的局限性，而現有齒輪修形設計方法只考慮了輪齒的剛度及彈性變形，並未有考慮輪齒熱變形的影響，亦存在一定的缺陷。本項目提出精確求解齒輪本體溫度和齒面閃溫及膠合承載能力的方法, 套用耦合系統動力學、傳熱學、瞬態熱彈流潤滑理論、熱彈性接觸有限元分析和熱網路技術, 分析齒輪在齒面摩擦、加工誤差、安裝誤差、潤滑劑和熱變形等因素作用下齒輪傳動的齒面瞬時溫度場分布，真實地模擬運轉過程中嚙合輪齒的形態和熱行為, 探討傳動齒輪輪齒的溫度變化規律，研究齒輪齒面溫度無線感測測試技術及膠合承載能力實驗方法，創建高速重載齒輪膠合失效判據和計算準則及最佳修形曲線，為齒輪抗膠合強度計算和修形設計提供依據。

結題摘要

隨著工業技術的不斷進步，高速重載傳動設備在各個領域內得到了廣泛套用，齒輪系統熱行為已成為制約其發展的主要因素。本文以高速重載齒輪系統為研究主體，基於傳熱學理論和赫茲接觸理論，通過數值仿真和熱彈流方法研究了整個齒輪系統的熱行為，包括本體溫度場分布、接觸區閃溫分布、熱變形、熱彈耦合、熱膠合承載能力及動態熱特性等，為高速重載齒輪系統的熱設計和熱校核提供了依據。基於赫茲接觸和傳熱學理論，通過數值仿真及熱彈流方法提出了精確的齒輪系統溫度場的預測方法。基於有限元方法，在對流換熱係數計算中考慮了粘壓溫和密壓溫效應，得到了更為精確的本體溫度場分布；以本體溫度作為熱彈流界面初始溫度，通過求解熱彈流潤滑方程組，得到了沿嚙合線的閃溫和接觸溫度分布，最後在封閉功率流齒輪試驗台上驗證和最佳化了本體溫度的計算方法；並研究了壓力角、變位係數和齒廓修形等參數對本體溫度和閃溫的影響。在本體溫度場基礎上，通過有限元方法和數值解法研究了齒輪系統的熱變形，並探討了熱變形對載荷分布和傳動誤差的影響規律。通過數值計算方法研究了靜態和動態情況下接觸區內部應力場分布。通過有限元方法對直齒輪和斜齒輪系統進行了熱彈耦合分析，得到了嚙合過程中的應力、熱彈變形和傳動誤差分布，研究了溫度場對齒輪系統接觸行為的影響，為齒廓修形提供了參考。通過熱彈流理論研究了齒輪系統膠合承載能力。綜合分析了膠合承載能力的評判標準和設計方法。通過數值仿真研究接觸點溫度隨時間的變化規律。基於熱彈流方法研究接觸區潤滑特性和熱效應，得到了齒輪系統閃溫和油膜厚度分布，研究了不同工況參數和潤滑油參數對熱彈流潤滑特性的影響。基於嚙合剛度分布和載荷平衡方程，研究了直齒輪系統的齒廓修形機理，得到了不同修形參數下的載荷分布和傳動誤差分布。根據熱變形和熱彈耦合分析結果確定了最佳齒廓修形曲線。在靜態分析和動態分析的基礎上，提出了齒廓修形參數的選擇原則和方法。