【摘要】：齒輪作為汽車變速箱等傳動設備的主要零件,在實際工況下其嚙合面接觸性能的變化對機械傳動機構(gòu)的整體性能有重要影響。微觀尺度下,機械接觸表面均不是絕對平整的,而接觸界面的微觀形態(tài)對零件的承載能力等機械性能有直接影響。本文以微線段齒輪嚙合的微觀接觸為理論研究背景,結(jié)合分形理論建立了更加貼合實際粗糙表面的完整微凸體接觸模型,研究其表面的接觸行為變化,為提高零件的力學性能設計提供理論指導。首先,根據(jù)WM函數(shù)處處連續(xù)、不可導的數(shù)學特性滿足分形特征,據(jù)此用以模擬二維和三維粗糙表面輪廓形貌,并討論了表征粗糙表面相關參數(shù)對其的影響。結(jié)果表明無論是二維或三維粗糙表面,隨著分形維數(shù)D的增大,更小尺度的微凸體顯現(xiàn)出來,表面形貌越趨近于復雜,表面粗糙度降低,輪廓尺度系數(shù)G對其的影響與之相反。其次,根據(jù)WM函數(shù)表征不同頻率等級微凸體的輪廓特征,尋找相鄰頻率等級微凸體之間的疊加規(guī)律,建立了由N層不同頻率等級微凸體按照一定的疊加規(guī)律構(gòu)成的完整微凸體模型。根據(jù)單個微凸體在加載過程中由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化的力學變化機制,.推導出完整微凸體中每一層微凸體的變形狀態(tài),結(jié)合面積密度分布函數(shù)得到整個粗糙表面接觸載荷與接觸面積的關系,并討論了相關分形參數(shù)對其的影響。研究結(jié)果表明:相鄰頻率等級微凸體在奇數(shù)周期疊加分裂,在偶數(shù)周期疊加形成更高的微凸體(完整微凸體);隨著負載的增加,單個微凸體由彈性變形經(jīng)彈塑性變形逐漸向塑性變形轉(zhuǎn)化,而完整微凸體,由于位于完整微凸體頂層的微凸體相較于最底層的微凸體,曲率半徑較小,因此容易發(fā)生塑性變形,完整微凸體的力學變化過程可近似為從上至下逐漸由塑性變形向彈性變形轉(zhuǎn)化,從本質(zhì)上解釋了以往粗糙表面MB等接觸模型中得到“先塑后彈”結(jié)論的原因。最后,根據(jù)理論研究模型,加工相應的試件,通過Leica DCM 3D共聚焦顯微鏡測量試件表面的微觀形貌,并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為理論接觸模型數(shù)據(jù),通過法向加載試驗獲得試件外載荷與變形量的關系,與完整微凸體接觸模型理論結(jié)果對比驗證所建模型的正確性,根據(jù)微觀尺度下粗糙表面力學性能的變化機制為宏觀機械零件的可靠性設計提供理論支撐。
【圖文】：

的要求也隨著提升，除了要求齒輪本身承載能力、傳動效率較高之外，作為汽車變速箱的主要傳動機構(gòu)，更需要考慮傳動噪聲、加工尺寸及精度、使用壽命及綜合成本等各方面的因素。據(jù)統(tǒng)計，全球各個工業(yè)部門傳動設備的故障 60%均是由于齒輪失效導致的，究其原因，影響機械傳動系統(tǒng)性能的主要原因在于齒輪嚙合接觸面力學性能變化，因此從齒輪嚙合的微觀接觸為研究背景，通過對粗糙表面微觀力學性能的分析為實際零件的機械加工提供理論支撐。對粗糙表面微觀接觸行為的研究對現(xiàn)代機械力學性能的影響不可忽視，類似齒輪、軸承等機械零件性能的研究從未間斷。機械零件在不同尺度下的接觸形態(tài)如圖 1 所示，研究表明，無論采用何種材料、何種加工方式，工件表面均不可能是絕對平整的，所有的結(jié)合面接觸在微觀尺度下僅僅是分布在粗糙表面上較高微凸體間的相互擠壓和剪切磨損過程，正是由于粗糙表面上微凸體高低不同的粗糙峰的接觸導致兩表面的實際接觸面積遠遠小于宏觀所看到的接觸面積[1-3]，最終引起零部件的局部應力集中、摩擦磨損加劇、使用壽命縮短等現(xiàn)象的發(fā)生。因此眾多研究人員從單個微凸體力學性能的研究開始，獲取結(jié)合面在微觀接觸狀態(tài)下接觸面積與接觸負荷的關系，通過改變零部件的尺寸設計、加工方式以及加載方式，提高零部件的力學性能。

2 粗糙表面的分形描述與構(gòu)建 形描述與構(gòu)建景的高速發(fā)展，對于齒輪等傳動零件的加工要求傾理論的快速發(fā)展在摩擦學、自然形態(tài)的表征、軸用，以齒輪嚙合接觸應力的分析為例簡要說明分觸應力分析主要包括經(jīng)典 Hertz 彈性接觸理論和有獨特的優(yōu)勢。線段嚙合齒輪，在齒輪嚙合過程中，嚙合點的曲率種方法的優(yōu)缺點。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH112.2

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