高速重载齿轮传动瞬态热力耦合分析及修形设计

With gear transmission systems developed with higher and higher speed and heavier and heavier loads, the scuffing damage of gears has become one of the main failure modes. Now the ISO and AGMA standards adopt MCT（maximum contact temperature）method to calculate the scuffing load capacity. However, the MCT method was derived under dry contact and non-lubrication, therefore it has some limits. In addition, the common modification design of gear considers only the stiffness and elasticity deformation of tooth, without the effect of tooth thermal deformation, so it has also some certain defects. This project puts forward a solution to obtain the body temperature, flash temperature and scuffing load capacity of gear transmission by way of thermal elasto-hydrodynamic lubrication, finite element analysis and thermal network technology, the distribution for transient temperature field of tooth face, analyzes the tooth elastic deformation, tribology of tooth face, manufacture error, installment error, lubricant and thermal deformation, simulates the condition and thermal characteristics of gear tooth, and discusses the temperature variation of transmission gear. Moreover, this paper also establishes an experiment method to measure the tooth face temperature to test and scuffing load capacity, sets up the optimum modification curve and failure law. All the research results mentioned above in this paper will provide the support for scuffing strength calculation and modification design of gear transmission with high speed and heavy load.

随着齿轮传动向高速重载方向发展，齿面温度不断升高进而引起胶合破坏已成为主要的失效形式之一，现有国际ISO标准及美国AGMA标准采用最大接触温度法进行齿轮胶合承载能力计算，该方法是在干接触及无润滑条件下推导出来的，存在一定的局限性，而现有齿轮修形设计方法只考虑了轮齿的刚度及弹性变形，并未有考虑轮齿热变形的影响，亦存在一定的缺陷。本项目提出精确求解齿轮本体温度和齿面闪温及胶合承载能力的方法, 应用耦合系统动力学、传热学、瞬态热弹流润滑理论、热弹性接触有限元分析和热网络技术, 分析齿轮在齿面摩擦、加工误差、安装误差、润滑剂和热变形等因素作用下齿轮传动的齿面瞬时温度场分布，真实地模拟运转过程中啮合轮齿的形态和热行为, 探讨传动齿轮轮齿的温度变化规律，研究齿轮齿面温度无线传感测试技术及胶合承载能力实验方法，创建高速重载齿轮胶合失效判据和计算准则及最佳修形曲线，为齿轮抗胶合强度计算和修形设计提供依据。

随着工业技术的不断进步，高速重载传动设备在各个领域内得到了广泛应用，齿轮系统热行为已成为制约其发展的主要因素。本文以高速重载齿轮系统为研究主体，基于传热学理论和赫兹接触理论，通过数值仿真和热弹流方法研究了整个齿轮系统的热行为，包括本体温度场分布、接触区闪温分布、热变形、热弹耦合、热胶合承载能力及动态热特性等，为高速重载齿轮系统的热设计和热校核提供了依据。基于赫兹接触和传热学理论，通过数值仿真及热弹流方法提出了精确的齿轮系统温度场的预测方法。基于有限元方法，在对流换热系数计算中考虑了粘压温和密压温效应，得到了更为精确的本体温度场分布；以本体温度作为热弹流界面初始温度，通过求解热弹流润滑方程组，得到了沿啮合线的闪温和接触温度分布，最后在封闭功率流齿轮试验台上验证和优化了本体温度的计算方法；并研究了压力角、变位系数和齿廓修形等参数对本体温度和闪温的影响。在本体温度场基础上，通过有限元方法和数值解法研究了齿轮系统的热变形，并探讨了热变形对载荷分布和传动误差的影响规律。通过数值计算方法研究了静态和动态情况下接触区内部应力场分布。通过有限元方法对直齿轮和斜齿轮系统进行了热弹耦合分析，得到了啮合过程中的应力、热弹变形和传动误差分布，研究了温度场对齿轮系统接触行为的影响，为齿廓修形提供了参考。通过热弹流理论研究了齿轮系统胶合承载能力。综合分析了胶合承载能力的评判标准和设计方法。通过数值仿真研究接触点温度随时间的变化规律。基于热弹流方法研究接触区润滑特性和热效应，得到了齿轮系统闪温和油膜厚度分布，研究了不同工况参数和润滑油参数对热弹流润滑特性的影响。基于啮合刚度分布和载荷平衡方程，研究了直齿轮系统的齿廓修形机理，得到了不同修形参数下的载荷分布和传动误差分布。根据热变形和热弹耦合分析结果确定了最佳齿廓修形曲线。在静态分析和动态分析的基础上，提出了齿廓修形参数的选择原则和方法。