基于真实粗糙齿面的重载齿轮传动设计理论与方法研究

齿轮传动接触疲劳强度设计所基于的赫兹理论仅仅适于一对光滑表面之间无摩擦、无润滑的静态接触，而重载齿轮传动大都在混合润滑状态下工作，即轮齿之间既有润滑油膜又同时存在着粗糙峰的直接碰撞；此外，由于齿面之间的相对滑动还会导致摩擦力的产生。为了弥补这一差异，该设计标准分别推荐了润滑系数和粗糙度系数。然而，此二系数是根据中、轻载条件下的一些实验结论外推而来的，在应用于重载齿轮传动设计时存在着较大误差，从而致使依此标准所设计的重载齿轮传动有时是不可靠的。本项研究将根据泛函理论开发混合弹流润滑数值计算程序；接着，用此程序并基于齿面真实粗糙度数据和重载齿轮传动参数进行大量数值计算和118组滚子疲劳实验，定量探讨润滑油粘度、齿面粗糙度及摩擦力对齿面接触应力的综合影响，进而从理论上提出一个综合系数；然后，应用此系数对现行设计公式进行修正；在此基础上，建立重载齿轮传动接触疲劳强度的设计理论与方法。

齿轮传动接触疲劳强度设计所基于的Hertz理论仅仅适于一对光滑表面之间无摩擦、无润滑的静态接触，而重载齿轮传动大都在混合润滑状态下工作，即轮齿之间既有润滑油膜又同时存在着粗糙峰的直接碰撞；此外，由于齿面之间的相对滑动还不可避免地导致摩擦力的产生，从而致使依现行公式所设计的重载齿轮传动有时是不可靠的。本项研究通过对实测所得粗糙度数据的插值形成了粗糙度函数，然后将此函数叠加到油膜厚度方程中构建了混合弹流润滑模型；基于此模型成功开发了数值计算程序，并借助泛函理论使计算速度提高了6-30倍；应用此程序，共进行了211组数值计算，获得了一些有价值的理论成果。为了验证计算结果，先后进行了270对滚子疲劳实验，二者之间获得了较好吻合。总结理论与实验研究结果，可获如下主要结论：. 1. 齿面摩擦力对轮齿接触应力的影响幅度取决于油膜比厚λ。当油膜比厚λ<1.0时，应当计及摩擦力对接触应力的影响。此外，还获得了不同润滑状态下摩擦系数的理论计算公式。 . 2. 齿轮传动接触疲劳寿命N 与油膜比厚λ、润滑油粘度η之间均呈抛物线关系。当λ<4.0时，疲劳寿命N 分别与油膜比厚λ的平方根、润滑油粘度η的立方根成正比，即N ∝λ1/2、N ∝η1/3；当 λ≥4.0时，N 随λ或η的增大不升反降，即当润滑油粘度大于一定值后，接触应力随润滑油粘度的增大不降反升。因此，现行国际标准（ISO /6336:1996)以及国家标准（GB/T 3840-1997)中所荐润滑系数具有局限性。鉴此，本研究提出了润滑系数的计算公式。. 3. 建立了粗糙齿面平均油膜厚度的计算公式。同时，还提出了在混合润滑状态下，粗糙齿面平均油膜厚度始终大于光滑齿面膜厚值的结论。. 4. 齿面接触应力与齿面粗糙度之间呈抛物线关系。对于常见的重载齿轮传动而言，粗糙齿面接触应力比Hertz接触应力约大1/4。通过对大量计算结果的回归分析，建立了粗糙齿面接触应力及粗糙度系数的理论计算公式。. 5. 基于上述研究所提出的摩擦力影响系数、润滑系数和粗糙度系数，对现行齿轮传动接触疲劳强度设计公式进行了修正，建立了适于粗糙齿面接触的重载齿轮传动接触疲劳强度设计理论，并提出了相应的设计方法。. 本项研究所获成果对完善齿轮传动接触疲劳强度设计理论、提高设计结果的可靠性具有一定意义。