基于ANSYS的直齿圆柱齿轮摩擦特性分析

基于CATIA平台,通过参数化方法建立渐开线直齿圆柱齿轮模型,以IGES文件格式导入ANSYS,对齿轮齿廓进行摩擦特性分析。在只改变摩擦因数的情况下,分析齿轮啮合过程中轮齿受到的接触应力、摩擦力和接触压力的变化规律。结果表明:当摩擦因数小于0.3时,随着摩擦因数的增加,接触应力、摩擦力以及接触压力都明显增加;当摩擦因数在0.3~0.8之间时,接触应力、摩擦力以及接触压力随摩擦因数的增加而变化的幅度变小,但是总体趋势是增加的。而齿轮接触应力、摩擦力和接触压力的增加都会加速轮齿失效和缩短齿轮疲劳寿命,因此,减小摩擦因数是提高齿轮抗点蚀能力和延长疲劳寿命的一种可行方法。     

双渐开线齿轮齿面摩擦力对接触应力的影响

建立双渐开线齿轮有限元模型,分析齿面摩擦力对接触应力的影响,并与渐开线齿轮进行对比。结果表明:相同摩擦状态下,双渐开线齿轮与渐开线齿轮的最大等效接触应力的数值差别不大,但接触应力分布不同,渐开线齿轮节点附近接触应力比较高,双渐开线齿轮节点以下靠近齿根处接触应力比较高;齿面摩擦力对接触应力分布的影响不大,但对接触应力数值的影响很大,因此在进行接触应力分析时,必须考虑齿面摩擦力的影响;通过改变齿面间的润滑条件,减小齿面摩擦力,是提高齿轮抗点蚀能力和接触疲劳寿命的有效方法。     

多工况下的直齿轮接触疲劳寿命仿真研究

基于直齿轮静力学分析的应力特征和瞬态动力学的应力时间子步历程,结合弹流润滑理论下的齿面摩擦因数,使用Workbench建立直齿轮接触疲劳寿命模型。通过弹性力学赫兹接触理论对静力学有限元仿真结果进行校核,确定应力历程输入中的放缩系数,估计材料的S-N曲线,并在Palmgren-Miner线性损伤理论框架下,利用nCode计算直齿轮接触疲劳寿命,得到寿命云图和危险节点位置。结果表明：齿轮接触疲劳的危险节点多出现在齿面沿齿宽方向线接触的两端位置,输入转速、负载转矩与接触疲劳寿命呈负相关,摩擦因数与接触疲劳寿命呈正相关,负载转矩对接触疲劳寿命的影响幅度最大。     

斜齿轮时变摩擦激励与啮合效率研究

基于斜齿轮时变接触线长度变化规律,推导了斜齿轮摩擦力和摩擦力矩的解析算法;基于时变摩擦因数模型,研究了滑动摩擦对齿面啮合力和啮合效率的影响。结果表明,考虑滑动摩擦时,齿面啮合力小于法向力,齿面啮合力随转速增大而增大,随齿面粗糙度和润滑油黏度增大而减小,且在多齿啮合区影响更显著;在时变摩擦因数作用下,平均啮合效率随转速、转矩增大而增大,随齿面粗糙度增大而降低,尤其在低温润滑油黏度较大时,影响较大。     

含摩擦的汇流传动齿轮非线性动力学分析

针对齿轮系统运行过程中具有非线性动力学特性，为研究齿面摩擦因数对系统动力学的影响，建立了一种考虑齿侧间隙，齿面摩擦力和时变啮合刚度等因素的三齿轮扭转振动模型。分析了布局参数对齿面摩擦力和时变啮合刚度的影响，研究了不同摩擦因数对系统动态响应的影响以及有无摩擦因数对系统混沌运动的影响，通过幅频曲线研究了系统的跳跃滞后现象和齿轮碰撞运动并分析了摩擦因数对它们的影响。结果表明，随着摩擦因数的变化，系统表现出同周期运动并存、不同周期并存和混沌等动力学现象，摩擦能导致混沌运动和跳跃现象提前并加大齿轮之间的碰撞运动。该结果可为汇流传动齿轮系统的非线性动态设计提供准确合理的理论参考。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

汽车变速器表面涂层齿轮疲劳性能试验与接触强度研究

在齿面制备减摩涂层可以有效地改善接触条件,提高齿轮疲劳寿命。文中主要研究减摩涂层对齿轮接触强度的影响规律。首先,在SRV标准试件表面制备涂层,通过摩擦磨损试验获得涂层试件间摩擦因数变化曲线;其次,对无涂层和有涂层的汽车自动变速器齿轮进行疲劳耐久试验,通过测量得到试验后齿轮的表面形貌特征;最后,根据齿轮非线性弹塑性接触理论,建立粗糙表面的齿轮接触强度分析模型,得出减摩涂层在提高齿轮接触疲劳强度中的作用。研究结果表明,磷酸锰转化涂层通过降低齿轮接触应力从而可以提高齿轮的疲劳耐久寿命;齿轮最大接触应力随粗糙度呈现先降低后升高的趋势。为涂层齿轮强度设计提供理论指导。     

基于时变摩擦系数的直齿轮副动态特性分析

建立考虑时变摩擦系数的圆柱直齿轮啮合模型,讨论啮合过程单齿与双齿交替下的载荷突变下的时变直齿轮副摩擦因数变动规律。基于混合润滑模型分析了不同齿面粗糙度对应的时变摩擦系数,进而研究时变摩擦作用下齿面粗糙度对直齿轮副时变摩擦因数,动态啮合力,动态传递误差,振动速度变化的影响规律。研究结果表明,时变摩擦因数在单双齿交替啮合区发生突变并在节点处趋于0,节点后摩擦因数较节点前小,齿面时变摩擦系数受齿面粗糙度影响较大;齿面摩擦作为内部激励摩擦力对齿轮在啮合线方向的振动产生了一定情况的抑制,从而抑制了齿面动态传递误差的产生与动态啮合力的幅值,齿面表面速度所受影响较小。     

考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析

为研究高速列车传动齿轮在啮合过程中因接触表面各啮合点处滑差不一致对动态接触特性的影响.以CRH3型动车组转向架传动齿轮为研究对象,基于齿轮接触相关理论及轮齿摩擦关系,引入考虑轮齿表面滑差、动力黏度及载荷等因素下的EHL时变摩擦模型,利用ABAQUS/Standard提供的隐式直接积分法对低速重载工况下的传动齿轮进行动态分析.通过对比无摩擦、常摩擦因数及变摩擦下的仿真结果分析齿轮间滑差及摩擦因数大小对齿轮副动态接触特性的影响.结果表明,表面啮合节点摩擦因数不一致对齿轮接触合力、接触斑面积、Mises、接触应力最大值及其分布影响很小;在啮合过程中,考虑滑差影响的齿面摩擦力波动更平缓,均值较常摩擦增加了 40％;摩擦剪应力分布比采用常摩擦得到的结果更贴合实际.而常摩擦因数数值的增加对应力分布影响不大,但会使得接触面应力值相应增加,加剧系统的周期性振动.     

基于双盘试验的齿面时变摩擦特性研究

齿轮啮合过程中齿面时变摩擦特性对齿轮性能有重要的影响,为了研究不同形貌齿面的时变摩擦特性,利用双盘摩擦试验探讨了在线接触状态下表面形貌对摩擦因数的影响,并结合ISO 25178三维表面形貌表征参数进行了分析,然后利用试验结果研究了具有不同齿面特征的齿轮在啮合过程中摩擦因数的变化情况。研究表明,载荷、卷吸速度和滑滚比对接触面间摩擦特性的影响有着不同规律,表面形貌结构对接触面润滑拖动曲线的非线性上升区有一定影响;由于表面形貌的影响,双盘试验数据模拟的齿面摩擦特性与EHL数值模型计算结果有一定差异,并且在齿轮不同啮合区域表面形貌对于齿面摩擦因数曲线的影响程度不同,研究结果将为通过表面形貌设计改善齿面摩擦性能提供理论基础。     

润滑条件对低速重载齿轮胶合损伤影响规律的试验研究

为了研究润滑条件对低速重载齿轮出现胶合损伤的影响规律,采用一对圆环试样滚滑的方式来模拟轮齿的啮合,在MJP-30A滚动磨损试验机上进行了18CrNiMo7-6渗碳钢齿轮材料在不同润滑条件下的胶合试验,分析了摩擦因数的变化规律和试验后试样的表面形貌.结果表明,干摩擦条件下,出现胶合损伤时的接触应力为1927 MPa,出现胶合损伤前,接触界面摩擦因数随接触应力的增加而降低;良好润滑条件下,接触应力达到3047 MPa仍未发生胶合,摩擦因数随接触应力的增加有轻微下降趋势;乏油条件下,摩擦因数随着乏油程度的加剧呈明显上升趋势,仅当摩擦因数几乎增大至干摩擦因数水平时才发生胶合损伤.因此,为避免低速重载齿轮运行过程中发生齿面胶合损伤,应将其润滑状态作为重要监测指标,以避免齿面间发生严重的乏油润滑和干摩擦接触.     

考虑摩擦因数与滑动速度相关时的轮轨滚动接触有限元分析

使用与滑动速度相关的摩擦因数替代库伦摩擦定律中的常系数,结合mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,分析牵引力主导的蠕滑工况下的干燥状态的轮轨滚动接触特性。通过与摩擦因数取值为常数的轮轨滚动接触分析结果对比发现:与滑动速度相关的摩擦因数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响不大,均在1%以内;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大,特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%;更需要引起注意的是对轮轨滚动接触摩擦力矢量分布和切向塑性应变分布影响明显,这对轮轨滚动接触疲劳损伤分析非常重要。     

考虑时变摩擦的直齿轮副啮合刚度计算及其影响因素分析

针对直齿轮副啮合过程存在时变摩擦问题,建立直齿轮副啮合模型,推导齿轮副在啮合点处的相对滑动速度、卷吸速度、滑滚比、综合曲率半径及轮齿接触压力,研究单双齿交替啮合过程中单齿承载变化下的齿面摩擦因数变化规律。基于势能法推导计及时变摩擦的直齿轮副啮合刚度解析式,分析无摩擦力、定摩擦力和时变摩擦力作用下直齿轮副啮合刚度的变化规律,进而研究时变摩擦作用下齿轮模数、齿宽、压力角、粗糙度、输入转矩等参数对直齿轮副时变啮合刚度的影响规律。研究结果表明,时变摩擦因数在单双齿交替啮合区发生突变,在节点处趋于0;摩擦力作用下单齿刚度在啮入阶段将增大,啮出阶段将减小;定摩擦力作用使啮合刚度在节点处发生突变;时变摩擦力作用使啮合刚度在单双齿交替啮合处发生突变,在节点处与无摩擦时变化规律一致;齿轮副啮合刚度随模数、齿宽增大而增大,随压力角增大而减小;啮合刚度变化量随齿面粗糙度增大而增大,随输入转矩增大而减小。     

弧齿锥齿轮啮合过程动态应力分析

介绍了利用ANSYS对弧齿锥齿轮进行瞬态啮合的前置处理、划分网格、使加约束的方法。基于目前弧齿锥齿轮的应力分析研究现状。对齿面啮合质量进行了齿面接触分析(TCA),并且利用在CAE方面有很强能的ANSYS软件对弧齿锥齿轮进行啮合状态下的动态仿真[5-7],得到较为准确的齿面接触应力和齿根弯曲应力。建立了弧齿锥齿轮三维有限元非线性接触模型,对弧齿锥齿轮在一定的转速和负载转矩下进行了动态啮合仿真,得到了一个啮合周期下的齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的变化规律。进行了轮齿加载接触分析(LTCA),得到了轮齿啮合传动中的齿面接触应力、弯曲应力变化过程。该方法可以进一步为弧齿锥齿轮强度分析和疲劳寿命计算提供理论依据。     

纯电动汽车二挡变速箱齿轮接触疲劳寿命研究

针对纯电动汽车变速箱尚没有确定的疲劳载荷谱,难以得到较为准确的变速箱齿轮疲劳寿命值的问题,基于瞬时道路工况UDDS工况,以整车参数作为输入,采用仿真建模方法,提出一种纯电动汽车二挡变速箱齿轮接触应力-时间的获取方法。通过对齿轮接触应力过程的分析提出一种新的应力计数方法,并对接触应力进行计数得到疲劳载荷谱。最终运用名义应力法及疲劳累积损伤理论对纯电动汽车二挡变速箱齿轮接触疲劳寿命进行了预测。结果表明,该寿命值满足纯电动汽车变速箱寿命设计值。     

斜撑式超越离合器接触分析

斜撑式超越离合器在航空发动机和直升机传动系统上广泛应用,针对其接触特性进行研究,对设计高可靠性的斜撑式超越离合器有重要的意义。基于Hertz接触理论,研究了转矩、摩擦因数对斜撑式超越离合器接触特性的影响,通过有限元法研究了斜撑式超越离合器的动态接触特性。结果表明,考虑摩擦力的情况下,斜撑块与内外环接触时会同时发生滚动和滑移;斜撑块与内外环的接触应力呈偏心率较大的椭圆状分布;斜撑块与内外环的接触应力沿斜撑块长度呈开口向下的抛物线形状分布;最大接触应力不能反映转矩对接触应力的影响;超越离合器传递的转矩与其扭转角正相关;摩擦因数不影响最大接触应力和超越离合器的扭转角;摩擦因数与接触滑移量呈非线性关系,与最大摩擦应力呈线性关系。     

摩擦对滚-磨工艺齿轮齿根应力的影响

采用有限元法研究了齿面摩擦力对滚．磨工艺制造的、齿根部有沉切的齿轮齿根应力的影响。结果表明：摩擦对滚-磨工艺齿轮齿根应力的影响不容忽视，考虑摩擦时，齿根最大拉、压应力随摩擦因数的增大而增大，其中最大拉应力增加的幅度比最大压应力大，当摩擦因数从0增大到0．2时，齿根最大拉应力增加比率为19．08％，晟大压应力增加比率为3．16％；有沉切时齿面摩擦力对齿根弯曲应力的影响比没沉切时要大。     

摩擦因数对单排球转盘轴承接触次表层的影响

利用ABAQUS有限元软件建立单排四点接触转盘轴承球与沟道接触的局部模型,通过对比Hertz理论计算的最大接触应力验证模型的正确性,以接触次表层的正交剪应力和等效应力作为疲劳损伤的评价依据,分析不同摩擦因数对滚动接触次表层正交剪应力幅值、到沟道表面的深度以及等效应力变化的影响。结果表明:随着摩擦因数的增大,最大正交剪应力交变幅值有所增加,疲劳损伤萌生位置的深度减小,转盘轴承的寿命减小。     

接触分析在车轮弯曲疲劳有限元分析中的应用

利用有限元接触分析方法,建立车轮、试验轴、螺栓连接件的有限元模型,施加合理的载荷与边界条件,模拟车轮弯曲疲劳试验。通过有限元分析软件ANSYS,建立模型、设置接触对与相关参数,得出车轮高应力区域与各应力值。运用疲劳寿命计算理论中的名义应力法及ANSYS软件估算车轮疲劳寿命,且两数据基本一致。与车轮弯曲疲劳试验结果比较表明:在疲劳寿命计算理论与ANSYS软件估算的疲劳寿命内车轮均没有破坏。从而验证了运用接触分析有限元法预估车轮寿命的有效性,为以后的结构改进起到了指导作用。     

基于有限长线接触弹流润滑模型的冠状修形直齿轮副接触分析

现代齿轮对高功率密度、长寿命、高可靠性的要求迫切需要对齿面接触与疲劳行为进行深入研究。提出了一种先进的齿轮接触数值模型,可以考虑非牛顿润滑流体、齿面冠状修形、齿面几何运动学参数、工况、涂层材料等因素对齿面接触压力、齿面摩擦、油膜厚度及次表面应力的影响。该模型不仅为开发国产齿轮设计分析软件提供支撑,同时也可配合试验验证,为提高工程实际中的齿轮寿命与可靠性提供参考。