齿轮干润滑滚滑接触的行为及局部摩擦能的计算.docx

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1、齿轮干润滑滚滑接触的行为及局部摩擦能的计算目录1 .项目背景12 .研究现状23 .研究对象及目标44 .干式润滑滚动滑动触点的试验研究55 .圆盘接触内的接触计算66 .计算方法77 .压力分布改变78 .局部摩擦能89 .总结与展望101 .项目背景由于众多不同的原因，在动力型的齿轮箱中，由于机械负载的原因，通常被设计采用油润滑接触（如图I）。在这种情况下，在两个齿轮之间的驱动面和受载面之间，会形成一种油膜，以分离两个接触面。接触面的分离是由于弹性水动力润滑纤维的形成，这是由两个齿侧面之间的倾斜速度造成的。润滑膜减少了接触区的应力，从而防止齿侧损伤，如微点蚀、点蚀和磨损的情况。除了减少摩擦

2、外，润滑剂的主要任务之一是消散在轮齿接触时产生的摩擦热量。液体润滑剂的其他优点是消除齿接触中研磨磨损产生的磨损颗粒，同时对齿轮表面防腐。然而，对于某些操作条件和环境下，齿轮传动不可能采用液体润滑，或者只能在很大的限制或高成本下实现。如在食品行业，指南规定了设备中危险工作介质材料的处理，如润滑油。因此，液体润滑剂的使用需要设计复杂的密封系统，并对润滑剂组件进行持续检查，因此无流体滚动滑动接触设计思路，可以作为此应用的另一种解决方案。在航空航天工业中，由于极端的操作条件，润滑油和油脂的使用受到限制。这些限制包括特别大的温度和压力范围。这些极端的工作条件导致许多油脂和油的渗漏，进而导致润滑油的工作性

3、能的变化。由于航空航天工业所要求的高系统可靠性，因此润滑油和油脂的使用经常被排除在外。此外，从经济角度来看，润滑类型在变速箱的设计中起着作用。润滑系统的设计和维护以及润滑剂的购买和处理需要支付相当大的费用（图1）。Functions of Lubrication Reduction of FrictionRemoval of Heata . Removal of Wear ParticlesProtection against CorrosionOxygen Hydrogen AE O)WIP3EJaju 一Base BodyCounter BOWHPUiJfiU- / Dry Lubrica

4、ted Contact Large Pressure changes A Large Temperature ChangeSX Health Risk Costs of Lubncation 9/stem一 Design-Production一 Maintenance Costs of Lubrication-PurchaseZDisposal Protection of EnvironmentFailure of theLubricr5on %Mm瘀加回空;图1润滑剂在滚动接触中的功能和在干式润滑中的应用由于润滑剂供应中断，图1中的齿轮显示出两个齿轮的严重变形。传动装置表面的变色表明材料过热

5、，从而导致强度的降低，导致传动装置失效。对润滑剂供应间隔的研究表明，在较高机械载荷下，传统齿轮不能达到接近传统应用齿轮的运行时间。对于不能用润滑油或不可行的应用领域，固体润滑剂系统提供了减少功率损耗的替代选择。然而，干式摩擦学系统的结构不同于传统的润滑系统，例如，没有消耗功率损耗的润滑油路。这意味着需要对摩擦学机制的精确知识，特别是对于具有高机械性能的干式滚动滑动接触的运行负载进行研究。干滚动滑动接触的转移和作用机制是目前德国研究基金会DFG优先项目DFGSPP2074研究的主题。2 .研究现状在干式滑动接触中，宏观接触表面的应力由正态力（压力分布）、切向力（摩擦力分布）和温度（热膨胀）三个局

6、部分量组成。在这三个分量的总和中，平行于滑动方向的应力分量占总应力状态的比例最大。1.oad(Normal+Tangential)(Normal) (Tangential) (Temperature)图2由干法润滑的滚动接触引起的应力图2分别比较了等效应力ay、负滑移和正滑移的三个分量的个体分布。很明显，各个分量的最大应力量在负滑移和正滑移之间没有差异。然而，负滑移比正滑移的应力之和更大，同时变化更剧烈，接触区域由于更关键的应力而增加了失效的风险。Optimization of GeometryTarget: Qr Sliding SpeedApproachftA to Design Dry

7、I IibricatAd Rolling ContactBase MaterialTarget 畲 Thermal ConductivityCoatingTarget，Frictal FaceLow-Loss-GearingThermal Conductivity Contact Ratio Pressure Angle Modulem Copper-300 Aluminium:228 Steel；76 Titanium Alloy；22 Ceramics:T5 Molybdenum Disulphide (MoS2) Graphite Soft Metal(Lead, Gold. Silve

8、r. Copper) Carbon based Hard Coating 然/C丽R鼐哥吻齿轮对于干式和机械高滚动滑动接触的齿轮设计，分别采用三种不同的方法并相互组合进行验证（图3）。借助于优化的齿轮几何形状，可以降低齿侧的滑动速度，从而降低热应力，改善磨损行为。优化齿轮损耗（所谓的低损耗齿轮）的特点是倾斜压力角、小的轮廓重叠度和尽可能小的模数（降低齿高度）。更换齿轮的材料会影响干燥运行性能。除了高合金钢，铝和钛合金也可用于干式齿轮传动。陶瓷材料已经用于干滚动滑动轴承。然而，陶瓷不适合作为基础材料应用于齿轮，由于需要高抗拉强度，特别是由于齿啮合，传动时带有类似冲击应力峰值。图3干式润滑滚动滑动

9、触点的使用方法作为干滚-滑动触点优化设计的第三个出发点，固体润滑剂可以以涂层的形式使用（图3）。使用固体润滑剂可由于减少摩擦力和降低热膨胀，使应力恢复。在固体润滑剂中，聚四氟乙烯是静摩擦和滑动摩擦系数最低的材料之一。然而，与软金属等其他固体润滑油相比，聚四氟乙烯的热工作范围相对较低。部分软金属，如铅、金、银和铜，由于其低摩擦系数和良好的热阻，用于滚动接触较多。在目前的研究领域，已经详细分析了使用单层和多层碳基涂层系统来润滑轮齿整体，以减少应力和磨损的影响。BreCher的工作表明，PVD涂层对齿轮和滚动滑动触点的摩擦行为和承载能力有显著影响。对类干球与金刚石碳涂层接触的研究表明，位移和摩擦系数

10、对湿度有很强的依赖性。在对干滚动滑动接触的质量温度和摩擦系数的实验研究中，考虑了碳基硬涂层和二硫化铝涂层对滑移的影响。根据DlNnOI4635的试验程序，滑移分阶段增加。在偏离DINISO14635时，各阶段的载荷变化不均匀，且取决于质量温度的变化。试验结果表明，与未涂层和未润滑的滚动滑动接触相比，摩擦性能有所改善，但没有达到油润滑滚动接触的大小。Kropp研究了各种材料和涂层组合中的干式接触情况。载荷水平的载荷循环数偏离了磨损的标准化试验程序。试验结果分析表明，试样的基材对涂层的使用寿命有影响。然而，没有观察到符合通常的齿轮钢16MnCr5的明显更好的组合涂层系统和基材。结果表明，与普通的齿

11、轮钢相比，需要进一步对涂层和底材料的其他组合进行显著的改进。增加涂层厚度和降低粗糙度可以增加碳涂层齿面齿侧的使用寿命。对涂层齿轮齿面使用寿命的研究表明，在应用涂层之前，用磨合过程平滑的样本的使用寿命没有增加。除涂层之外，生产后的条件和生产过程中残留的冷却润滑剂也会影响油润滑齿轮的摩擦行为和负载能力。制造工艺的影响，如不同的表面结构和剩余的冷却润滑剂，如何影响干式滚动滑动接触是值得怀疑的。综上所述，对于齿形接触，干滚滑接触的应力与油润滑滚滑接触的应力有显著差异。有一些方法来实施和研究干式齿轮的应用，但其作用机制的研究程度尚未与油润滑齿轮的应用相同。3 .研究对象及目标目前的技术表明，干式润滑在许

12、多应用中是不可行的。使用寿命的增加与功率损失的增加有关，因此出现了摩擦力在干式滑动接触中摩擦力的表现以及表面结构如何影响局部摩擦能分布的问题。本报告的目的是了解干滚滑动接触中的摩擦力行为，并计算表面结构不同方向下的时变压力分布和局部摩擦能（图4）0扩大现有标准的范围通常需要对扩展区域进行广泛的实验研究（图4）o实验研究需要一个统一的测试概念和一个明确的损伤准则。将使用初步测试来研究影响齿轮服役寿命及干滚滑接触件的使用寿命的因素，以及其运行行为。Analysisofoperationbehaviorofthedyrolling-slidingcontactCalculationofthepres

13、suredistributionwithinthedryrolling10000FN StosI Rz=20 N= -100 %=2 m=0.027=0.054 =10 mLBKCross GrindingCross GrindingCircumferenceGrinding*-Circumference2j150 m WS,couterYTest surfaceCounter surface 4Grindingcross GnndingCircurnfence GIlnclingWS1WS2WS3WS4WS5Slmding velocity一 N一t8000600040002000Ij图7压

14、力分布取决于接触位置和表面结构两种间压力分布曲线的比较不同研磨槽方向的变量（见图7）显示出显著差异。样本1显示了横向地面接触的压力分布。在滚动位置WSl到WS3中可以看到的弯曲接触线是由粗糙度峰值的随机分布和表面的地形测量得出的结果。变量1的压力分布特征图随着每个滚滑位置的变化而变化。这里可以看出，对于单个微接触，在宏观接触区域内存在若干接触变化。在对照试验中，样本2的压力分布对所有滚动滑动位置都表现出近似恒定的接触模式。样本3显示了横向表面和圆周表面之间接触的接触模式。在这里，一方面，可以看到在所有滚动滑动位置上与相反地形接触的区域。另一方面，可以通过滚动滑动位置看到移动的区域，这可以追溯到

15、柜台盘的横向地面结构。宏观载荷变化中的接触变化中断了摩擦引起的能量供应，从而减少了局部热输入。因此，接触的变化同时对局部温度梯度和接触的使用寿命有积极的影响。8 .局部摩擦能微观接触区域在所有滚动滑动位置上的均匀分布的优势可以通过局部摩擦相关的能量转换来说明。如果从宏观上考虑整个接触，与摩擦相关的平均能量转换可以根据公式1计算。为了计算摩擦能的微观分布，正向力F可以根据公式2从所有元素的压力和边长dz和dy之和计算出来。ER=K(1)ERNmFrictionalEnergyFNNNormalForceHFrictionCoefficientSSIiPmSlidePathnFN=2Pydz(2)

16、FNNNormalForcedymmEdgeLengthofElementinyn-NumberofElementsPlNmm2PressureofElementidzmmEdgeLengthofEleme.t公式1及公式2Contact Data Grinding procedureExternal cylindrical CircumefExternal cylindrical cross ParameterFN SM RZ WSIea UwSjMXrt” S. .cOunitr dz 0y=1 m Frictional Er = 1064EO=20 N = -100% =2 m = 0

17、027 = 0 054 10 m =02 =5 mA ),50 m二 UBLlBA- Changing Frictional Energy of one Element Micor- ZlElement CD q 6 L 0 * 2 , LU a 1M a croscopica I Conta ct Are a-0,2 mm0.0 mm0.2 mmMovementStE=-10%ssp= 0.5 me-0,2 k4J 3B1，i ol 1山 0-0,2EZXmlll IlContact Distance mm 0,2福 =-28%= 1.4 m.l Illili . ll M JiContac

18、t Distance mm 021 mMicroElementA 卜 Cross Grinding图8局部摩擦能的分布图8显示了3个样本的所有5个滚动滑动位置的总摩擦能量和宏观接触面积。与压力分布类似，与摩擦相关的能量转换的分布也对样本1和3表现出更均匀的分布。然而，样本2表现出更高的局部摩擦能，尽管样本1和3的局部压力更大，但在所有滚动滑动位置上的接触模式近似不变。除了总和摩擦能外，图8显示了一个边缘长度为dy=lm和dz=5um的特征元件在两个横向齿面结构之间接触的接触距离上的摩擦能。这两个图显示了单个元素在kxmtact=0.4mm的整个宏观接触距离上的摩擦能量转换。摩擦能量在整个接触距

19、离上的分辨率为80个滚动滑动位置。对于摩擦能曲线的计算，我们认为压力与滑动距离Aslip的增量相比是恒定的。上图显示了滑移为SteSt=10%的摩擦能量曲线，结果滑移路径为slip=0.5mo摩擦能量曲线表明，所考虑的微观元素在接触距离上与相反的表面接触了三次。对SteSt=-28%的偏差，这将导致更多的整体变化。因此，上图中的三个接触相也是下图中的前三个接触相。对每种情况下的第一接触相的比较表明，由于滑动距离Aslip增大，映射了更高的摩擦能量。此外，在较高滑移时的接触距离内还增加了进一步的接触相。总的来说，存在一个接触模型，它适合作为预测涂层磨损和使用寿命的预测模型的基础，它考虑了取决于涂

20、层表面无流体接触的载荷循环数的热效应。假设干滚动滑动接触中的总摩擦能转化为热量，计算局部摩擦能的方法为在接触模型中考虑热效应提供了基础。此外，利用摩擦能量的时空分布，可以实现和开发一种计算层磨损的方法，以应用于干接触。9 .总结与展望减少大多数滚动接触点，如在齿轮箱中的齿接触的摩擦系数和磨损是通过使用带油或润滑脂的流体润滑系统来实现的。这些系统的生产和维护都产生了高昂的成本。此外，诸如真空或高压范围等特定情况会导致流体润滑剂的性能不稳定。从这个角度来看，干式润滑对于许多应用都是必要的，因为在这种情况下，流体润滑系统是不可行的。传统的润滑系统有两个主要功能。首先，通过分离滚动表面来降低摩擦系数，

21、第二，从接触区和系统中去除热量，次要功能是扩大接触区和保护接触表面不被锈蚀。为了优化干润滑滚动接触，可以采用三种不同的方法：齿轮齿轮的几何形状、齿轮的核心材料和接触面的涂层。本报告的目的是了解关于尺寸分布的缺陷和对干式润滑滚动接触点的分析。此外，还分析了粗糙表面在滚动接触范围内压力分布的变化。干式润滑式滚动滑动接触齿轮尺寸的现状表明，目前的计算负荷上限标准化准则的方法对于高机械负荷的干式润滑是无效的。干式润滑接触造成的损伤模式的特征与磨损失效的特征相似。但对于实验分析，目前还没有统一的测试方法。WZL盘上摩擦试验台的预试验表明，该试验台和磨损试验程序适用于干润滑滚动接触的试验研究。为了降低试样的成本和试验机的能力，采用预测模型来预测齿轮和加工工具的磨损行为和负载能力。提出了一种预测流体润滑接触中涂层齿翼磨损的预测模型。该预测模型在干润滑滚动接触上的应用需要高分辨率，才能考虑到整个接触面积，以考虑热效应。本文为了预测干润滑辐接点的磨损行为，提出了一种计算保证量分布变化的方法。三种具有不同表面结构的样本的接触模式表明，两种表面结构的组合影响了压力分布的变化行为。摩擦能的分布显示了在接触面积内对热效应的影响。为了预测考虑热效应的磨损行为，未来需要试验台的实验数据。