润滑油粘度对齿轮接触疲劳寿命影响的研究

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众所周知,齿轮传动接触疲劳强度的设计基础是赫兹理论,但是赫兹理论仅仅适用于一对光滑表面之间无摩擦、无润滑的静态接触,而几乎所有的齿轮传动都在润滑状态下工作。所以,在齿轮传动接触疲劳强度设计中必须考虑润滑效应。不言而喻,研究润滑效应首先应关注润滑油性能,而润滑油最重要的物理性能是它的粘性,粘度则是对粘性大小的度量。因此,探讨润滑油粘度对齿轮接触疲劳寿命的影响是完全必要的。本文首先建立了渐开线齿轮传动的轮齿啮合模型;然后,基于热弹性流体动力润滑理论,采用多重网格法求解润滑方程组、多重网格积分法计算弹性变形、逐列扫描法计算温度分布,从而求得了全膜润滑状态下的齿面压力分布及轮齿接触区次表面的应力分布。为了探讨润滑油粘度对轮齿接触应力的影响,固定齿轮传动参数和润滑油其它性能参数不变,令润滑油的原始粘度η0在一定范围变化,在轻、中、重三种载荷条件下先后进行了80余组数值计算。计算结果表明:润滑油原始粘度η0存在一临界值ηCR,当η0≤ηCR时,轮齿接触区次表面主剪应力的最大值(?)max随η0的增加而降低;但当η0>ηCR时,(?)max随η0的增大不减反增。有必要指出:这一结论虽有悖于人们的传统认识,但却与前人的实验结果是相当吻合的,这也说明本文的理论计算是完全可信的。与此同时,研究结果还显示:齿面压力分布中的第二压力峰Pmax是个相当重要的参数。它与(?)max之间呈抛物线关系,即第二压力峰也存在一个临界值PCR,当Pmax≤PCR时,τmax随Pmax增大而减小;当Pmax>PCR时,τmax随Pmax增大而增大。这也正是润滑油粘度过高会引起轮齿接触应力增大的原因所在。基于上述研究结论,本文指出了国际齿轮强度计算标准(ISO/TC60423E)中所荐润滑系数ZL的局限性。在此标准中,润滑系数ZL之值随润滑油粘度的增大单调上升,即粘度越大则齿轮的疲劳寿命就越长。而本研究结果表明:就齿轮润滑而言,并非润滑油粘度越高越好;在一定的工况条件下,选用粘度过稠的润滑油不仅会加大润滑成本,同时还有损于齿轮传动的接触疲劳寿命。本项研究的数值计算是基于全膜弹流润滑状态进行的,同时也未考虑齿轮传动过程中的时变性;此外,研究结果仅仅只对国际标准中所荐润滑系数ZL的适用范围提出了质疑,但究竟对此系数如何修正并未探及。
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