大模数齿轮断齿的修复

轮齿折断主要有两种: (1)弯曲疲劳折断 齿轮啮合时,轮齿相当于悬臂梁,齿根处弯曲应力最大,由于齿轮的转动,使轮齿多次重复受载,因而齿根处会产生疲劳裂纹,裂纹扩展,导致轮齿折断。 (2)过载折断 轮齿受到短时过载或冲击载荷,或者轮齿严重磨损减薄后,都可能发生过载折断。对于直齿圆柱齿轮,齿根裂纹一般从齿根沿齿向扩展,发生全齿折断。斜齿圆柱齿轮和人字齿轮,由于接触线为一斜线,因此裂纹往往从齿根沿斜线向齿顶方向发展而发生轮齿的局部折断。     

硬齿面齿轮齿根裂纹扩展特性与剩余寿命研究

为了研究齿根裂纹对硬齿面齿轮疲劳寿命的影响,以某渐开线硬齿面齿轮为研究对象,基于断裂力学方法和疲劳裂纹扩展理论,分析研究了齿轮齿根疲劳裂纹扩展机制;建立了考虑载荷大小、初始裂纹大小以及初始裂纹位置等因素影响的硬齿面齿轮齿根裂纹扩展剩余寿命分析模型,研究了齿根裂纹不同扩展阶段的应力强度因子演变规律与裂纹扩展机制;根据某渐开线硬齿面齿轮副弯曲疲劳试验数据,对所建计算模型进行了分析与验证,证明了模型的准确性。结果表明,与Ⅱ型裂纹、Ⅲ型裂纹相比,Ⅰ型裂纹应力强度因子最大,从齿面到裂纹深度方向,其值逐渐减小;随载荷、裂纹长度、裂纹宽度以及初始裂纹距齿宽中心位置的距离等因素的增大,裂纹扩展剩余寿命都随之减小。     

某地铁齿轮箱齿轮弯曲疲劳裂纹分析

结合动力学仿真和扩展有限单元法(XFEM),对某城轨车辆齿轮箱齿轮进行裂纹扩展分析。通过动力学分析,确定扩展有限元模型初始裂纹的位置及载荷加载位置;建立扩展有限元模型,对计算结果进行分析,总结齿轮齿根裂纹扩展规律。结果表明,齿根处最大弯曲应力位置不随齿轮啮合过程而改变,裂纹起裂位置应在此位置附近;裂纹尖端应力值在量化一裂纹长度到达0. 61前低速率稳定增加,0. 61后裂纹进入瞬断区,裂纹尖端应力值变化明显;结合有限元动力学及扩展有限元分析发现,裂纹扩展初期属于Ⅰ型裂纹,在裂纹扩展的中后期属于Ⅰ、Ⅱ混合型裂纹;不同加载位置结果显示,扩展初期裂纹偏转角度随着加载位置的下移而减小,扩展后期裂纹整体沿着齿厚方向进行扩展。     

基于疲劳试验与数值分析方法的齿根裂纹扩展规律及寿命预测研究

通过疲劳试验机对带有齿根裂纹故障的变位直齿轮进行疲劳试验,得到齿根裂纹扩展规律:齿根裂纹相对于齿根方向更易于沿着齿宽方向扩展,扩展速率呈现先慢后快的趋势.采用FRANC3D仿真模拟软件,对设置了相同初始裂纹的变位直齿轮齿根裂纹进行了自动扩展分析研究,确定了裂纹扩展方向及路径.通过对比,模拟结果与试验结果是相吻合的,表明...     

齿根过渡圆角半径对齿根裂纹扩展的影响规律研究

齿根过渡圆角对齿根应力有着重要影响,而齿根应力是齿根疲劳裂纹扩展的重要影响因素,因此,研究齿根过渡圆角半径对齿根裂纹扩展的影响十分必要。建立3种不同过渡圆角半径的直齿轮,假设齿根初始裂纹在相同位置,初始裂纹长度一致,基于ABAQUS软件研究齿根裂纹扩展规律。结果表明,不同过渡圆角半径下的齿根裂纹扩展总体趋势一致,但扩展前期过渡圆角半径越大,裂纹越向深入齿轮轮缘方向扩展,扩展后期过渡圆角半径越大,裂纹越往齿顶方向扩展。过渡圆角半径对齿轮临界裂纹长度影响较小。相同裂纹长度下,过渡圆角半径越大,裂纹尖端Mises应力越小,裂纹扩展速率越小,齿轮的裂纹剩余寿命越长。     

含双裂纹齿轮副轮齿裂纹扩展寿命分析

裂纹扩展是齿轮传动的主要故障,而且裂纹所处位置对裂纹扩展行为作用明显。为探讨齿轮副轮齿裂纹位置与裂纹扩展寿命的关系,提出几种相邻轮齿含分度圆裂纹和齿根裂纹的双裂纹齿轮副模型,基于ABAQUS建立齿轮副的三齿啮合有限元分析模型,分析不同载荷作用下分度圆裂纹和齿根裂纹尖端的主应力值和应力强度因子值;结合Pairs方程探讨分度圆裂纹扩展和齿根裂纹扩展寿命之间的关系。结果表明:齿轮副单齿啮合时的裂纹尖端应力比齿轮副双齿啮合时的裂纹尖端应力大,而且裂纹尖端的弯曲应力明显大于剪切应力;同一载荷同一裂纹深度时,齿根裂纹尖端的应力强度因子值大于分度圆裂纹尖端的应力强度因子值;相同加载时,含齿根裂纹齿轮的裂纹扩展寿命小于含分度圆裂纹齿轮的裂纹扩展寿命;裂纹扩展过程中,齿根裂纹深度和分度圆裂纹深度之比非定值,而且深度之比与载荷无关。     

基于ABAQUS的圆柱直齿轮齿根裂纹扩展与寿命估计

以渐开线直齿轮为研究对象,通过齿轮应力分析确定轮齿裂纹易萌生位置,利用ABAQUS软件建立齿轮裂纹扩展有限元模型,获取齿根裂纹扩展路径,计算不同阶段裂纹尖端应力强度因子。通过多种曲线拟合方式的对比,选取指数函数建立的裂纹长度与裂纹尖端应力强度因子幅之间的函数关系。运用Paris公式构建裂纹扩展速率模型,实现含齿根裂纹齿轮的寿命估计。     

基于ANSYS的面齿轮轮齿刚度影响因素分析

面齿轮轮齿刚度是面齿轮传动动态分析及优化设计的重要参数,面齿轮设计参数对其轮齿刚度有重要影响。建立了面齿轮传动模型,运用有限元分析软件Ansys Workbench和Ansys Classic对面齿轮不同啮合点处的轮齿刚度进行了联合仿真,研究了面齿轮主要设计参数对其轮齿刚度的影响。结果表明:面齿轮轮齿刚度沿齿根到齿顶方向逐渐减小,随着面齿轮模数、压力角及齿宽的增大而相应增大;面齿轮轮齿刚度沿齿根到齿顶的变化率随着模数的增大而变小,随着齿宽的增大而增大,而压力角对其变化率基本没有影响。     

高速列车齿轮副裂纹扩展寿命研究

为研究高速列车齿轮的齿根裂纹扩展特性,在有限元软件ABAQUS中建立齿轮副模型并通过静力学分析,以确定裂纹萌生位置。基于线弹性断裂力学理论,在软件ABAQUS中建立含齿根初始裂纹的斜齿轮模型,计算裂纹前缘不同节点处的应力强度因子;研究齿根裂纹自动扩展的方式及轨迹,通过计算得到齿根裂纹的扩展寿命。在此研究的基础上,探讨了载荷大小等因素对裂纹扩展寿命及轨迹的影响规律。研究表明,裂纹扩展速率先慢后快,载荷对裂纹扩展寿命的影响十分明显。     

齿面几何结构对面齿轮弯曲疲劳寿命的影响

基于坐标变换和啮合原理推导出面齿轮齿面方程,建立不同齿面参数(压力角、模数)的面齿轮传动有限元模型,分析了齿面参数对齿根弯曲应力、接触面积的影响以及弯曲应力沿齿高方向、齿宽方向的分布规律。面向磨齿及铣齿齿面粗糙度,根据修正的局部应力应变法计算了不同齿面粗糙度下的疲劳裂纹生成寿命,利用损伤容限设计法对疲劳裂纹扩展寿命进行了预测。研究结果表明,压力角对齿面弯曲疲劳寿命影响明显,尤其是对裂纹扩展寿命影响较大,增大压力角有助于提高齿面弯曲疲劳综合寿命;此外,磨削齿面较铣削齿面有利于提高齿面弯曲疲劳寿命。研究内容可为面齿轮抗疲劳设计提供依据。     

液力变矩器行星齿轮的失效探析

通过试验手段分析了液力变矩器行星齿轮的失效原因,并且给出了相应的解决措施,通过金相观察齿根及侧面可以看出在整个齿轮的渗碳并不均匀,从齿根处向外有裂纹,该裂纹易引起轮齿的断裂;通过显微硬度计分别对齿顶径向方向、齿廓工作面附近以及齿根处沿相邻齿齿根圆弧进行分析,获得了对比实验数据,通过实验结果分析出齿轮失效原因并提出相应的改进措施。     

风电行星斜齿轮齿根裂纹对其时变啮合刚度的影响

以风电增速斜齿轮行星轮系为研究对象,运用非线性动力学理论和数值分析法计算齿根裂纹故障时斜齿轮副的时变啮合刚度。建立不同程度的齿根裂纹并分析其对斜齿轮时变啮合刚度的影响。经研究斜齿轮齿根裂纹分为贯穿性与非贯穿型,贯穿型裂纹在深度方向上用抛物线形式进行啮合,贯穿整个齿宽;非贯穿型裂纹在深度和齿宽方向上分别用抛物线拟合。共建立二十种不同形状的斜齿轮齿根裂纹。用刚度劣化率定量分析不同程度齿根裂纹对斜齿轮副啮合刚度的影响。分析表明：无裂纹斜齿轮副啮合时,时变啮合刚度是高低循环变化的,在高低变化之间刚度是线性递变。贯穿型裂纹比非贯穿型裂纹啮合刚度劣化更明显,单齿啮合时刚度劣化更为明显。裂纹在深度方向与宽度方向上延长相同百分比时,宽度方向上刚度劣化更明显。     

斜齿圆柱齿轮裂纹扩展特性及剩余寿命研究

随着现代检测技术的发展,开展有初始裂纹的齿轮寿命的预测,对特殊情况下的动力传动装置以及精密预测齿轮寿命来说都具有重要意义。基于线弹性断裂力学理论,应用边界元分析软件FRANC3D分析了某型变速器5挡齿轮的小齿轮裂纹前缘在不同位置处的应力强度因子,探讨了裂纹的扩展方式以及进程,并预测齿根中部裂纹扩展的失效特征及裂纹扩展预期寿命。提出的齿轮裂纹扩展研究方法,不仅可以丰富齿轮的强度理论,也为优化齿轮设计理论等提供较好的参考依据。     

直齿圆柱齿轮磨损过程模拟

用Archard磨损公式 ,结合赫兹接触理论对标准直齿圆柱齿轮轮齿磨损过程进行了模拟计算。算例表明 :(1)轮齿表面上靠近齿根处磨损量最大 ;(2 )分度点处磨损量最小 ;(3)轮齿根部磨损量大于顶部 ;(4)啮合次数相同时 ,小齿轮齿根磨损较大齿轮多。     

渐开线斜齿圆柱齿轮的三维造型

渐开线斜齿圆柱齿轮的三维造型存在两大难点:端面齿廓的绘制和轮齿的生成。利用渐开线的参数方程式并通过AutoLISP编程绘制出端面齿廓一侧的渐开线;在对轮齿端面齿廓进行几何分析与计算的基础上,确定并绘制出其对称线及齿顶圆弧,并利用该对称线获得轮齿端面齿廓另一侧的渐开线;绘制出齿轮轮齿两端的齿廓曲线及通过齿廓曲线两端点的齿根螺旋线后,用AutoCAD的“边界曲面”命令,构造斜齿圆柱齿轮的轮齿表面模型。     

基于XFEM的齿轮腹板结构与齿根裂纹扩展关联规律研究

研制基于扩展有限元方法(XFEM)的齿轮裂纹扩展计算程序,用标准算例验证计算程序准确性。提出裂纹扩展路径与齿轮中心的距离作为轮齿/轮缘断裂的评判指标,研究轮缘厚度、腹板厚度、腹板圆孔大小及位置对直齿轮齿根裂纹扩展路径的影响,计算结果表明,轮缘厚度的减小导致了齿根裂纹扩展路径整体地朝齿轮中心方向移动,增加了轮缘断裂的可能性;腹板厚度的减小导致齿根裂纹扩展路径整体地朝齿轮中心方向移动,增大了轮缘断裂的可能性;腹板圆孔的存在增加了齿轮轮缘断裂的可能性,而且圆孔尺寸越大,轮缘断裂的可能性越大;齿槽正下方可作为腹板圆孔的优选位置。     

基于XFEM的高速工况下齿根裂纹扩展规律研究

基于扩展有限元方法和线弹性断裂力学理论,使用Fortran语言开发二维裂纹扩展计算程序,并对程序计算准确性进行验证。在此基础上,仿真计算离心力、初始裂纹参数和轮缘厚度系数(Backup ratio)对齿轮齿根二维裂纹扩展的影响,计算结果表明,齿根初始裂纹位置对齿根裂纹扩展的路径影响很大,初始裂纹位置越靠近齿槽中心位置,越容易发生齿轮轮缘断裂(裂纹沿径向扩展至断裂);齿轮轮缘厚度对齿根裂纹影响很大,轮缘厚度系数越小,越容易发生轮缘断裂,同时发生轮缘断裂的裂纹初始位置范围越大;离心力对齿轮齿根裂纹扩展影响很大,离心力越大,越容易发生轮缘断裂,同时发生轮缘断裂的裂纹初始位置范围越大;该研究成果对提高齿轮在高速工况下的可靠性和超安全性具有一定的工程应用价值。     

考虑齿面闪温的风电齿轮箱裂纹故障特征分析

为了研究齿面闪温对风电齿轮箱裂纹故障时系统动力学响应的影响,利用Blok闪温理论分析齿轮啮合时的齿面温度,应用热变形公式计算齿廓形变,进而通过Hertz接触理论获得计及齿面闪温影响的轮齿刚度。考虑齿面闪温、阻尼、时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙,建立含有高速级齿轮齿根裂纹的齿轮箱扭转动力学模型。通过时域图、频谱图、相图和Poincaré截面分析不同裂纹长度下系统振动特性随齿面闪温变化的规律,并比较裂纹故障仿真与实验的时频域结果。结果表明：齿面闪温使时域图上裂纹产生的冲击幅值增大、频域图中故障边频结构更为复杂、相图曲线向外扩展以及Poincaré截面离散点增多,且变化均随裂纹长度的增加越为明显。研究结论可为齿轮裂纹故障状态的诊断与监测提供依据。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

基于齿轮切向变位分配齿根弯曲应力方法研究

齿轮是机械传动中重要的基础零部件,针对齿轮副传动中小齿轮轮齿薄弱最先发生弯曲疲劳断裂的情况,采用切向变位重新分配大小齿轮齿厚。在中心距和传动比不变的情况下,重新分配齿厚使小齿轮齿根弯曲应力降低,大齿轮齿根弯曲应力增加,从而使相互啮合齿轮的弯曲疲劳寿命近似相等。采用APDL语言对齿轮进行有限元建模,在单齿齿顶加载和啮合状态下进行弯曲应力分析,并与普通齿轮副设计进行比较,结果验证了切向变位重新分配齿根弯曲应力的准确,对解决工程上小齿轮断齿问题具有指导意义。