基于混合润滑理论斜齿轮动态特性研究

Based on the theory of mixed elastohydrodynamic lubrication(mixed-EHL) in finite line contact and gear system dynamics, the relationship of helical gear lubrication parameters and dynamic characteristics are revealed, where the tribo-dynamic model for a helical gear pair is proposed. In theory, a finite line contact mixed-EHL model is established and the robust and efficient numerical algorithm is developed. The influence of surface roughness characteristic parameters on lubrication performance for contact pair is researched, and the mixed-EHL model is used to study lubricated contact performance of a helical gear pair. The model is developed by combining with mixed-EHL and gear system dynamics, and the iterative computational scheme is proposed to implement the lubrication and dynamics models simultaneously to couple tribological and dynamic behaviors of a helical gear pair. In this study, the sample cases have been analyzed to investigate the effects of gear geometry design parameter, surface roughness texture characteristics and operation condition on the dynamic performance and fatigue life of gears. Then, a corresponding experiments rig is built to approve and revise the theoretical model. Finally, the objectives of the project are to obtain the relationship of tribological parameters and the system dynamic performance for helical gear pair, and put forward the optimization design method of gear design parameters.

以有限长线接触混合润滑理论和齿轮系统动力学为基础，建立斜齿轮副的摩擦—动力学耦合模型，揭示斜齿轮润滑参数与动力学特性的关联规律。理论上建立有限长线接触混合润滑模型和提出稳健和高效的数值算法，研究不同表面粗糙度特征参数对接触副润滑性能影响，并将模型运用于斜齿轮副的摩擦学研究。解决基于混合润滑与齿轮系统动力学理论的斜齿轮副摩擦-动力学耦合建模问题，研究齿轮传动摩擦-动力学耦合模型的求解方法，分析齿轮几何设计参数、表面粗糙度纹理特征、运行工况等因素对齿轮副动态性能与疲劳寿命影响规律。构建实验装置与测试系统，通过实验研究，验证与修正理论模型。课题研究最终目标，得到齿轮副摩擦学参数与系统动力学性能的关联规律，为齿轮副设计提供摩擦学理论支撑，提出优化齿轮设计参数的设计方法。

界面接触疲劳失效是齿轮传动的主要失效形式，为揭示其疲劳失效机理，开展理论分析和试验研究。首先，采用统一雷诺方程和移动点热源法，建立有限长线接触混合润滑模型。采用DC-FFT算法和Semi-System技术进行润滑控制方程求解，研究粗糙度参数和工况变化对润滑特性影响。研究结果表明，该模型可处理实际表面粗糙度下的混合润滑问题。在相同工况下，纵向粗糙度分布更有利于改善接触副的润滑状态。其次，基于有限长线接触混合润滑理论，建立斜齿轮有限长线接触混合热弹流润滑模型。研究齿轮设计参数、工况、润滑油性能及表面粗糙度对其润滑特性影响。研究结果说明，适当增加压力角、螺旋角和模数，可改善斜齿轮的润滑特性和啮合效率。小齿轮采用正变位，大齿轮采用负变位时，可增大接触副的啮合效率。第三，考虑系统动态特性并结合单自由度刚度阻尼系统模型，提取系统特征参数刚度和阻尼。通过油膜刚度与阻尼参数，建立斜齿轮副的摩擦-动力学耦合模型。同时，采用基于应力强度理论的Zaretsky接触疲劳理论，建立混合润滑状态下的斜齿轮接触疲劳模型。研究结果表明，除了啮入和啮出区域外，斜齿轮副润滑特性的瞬态效应影响不显著。相对于转速变化，载荷是影响斜齿轮疲劳寿命的主要因素。最后，搭建齿轮测试平台，开展实验研究，验证理论分析的正确性。