【摘要】：控制摩擦、減少磨損、改善潤滑性能以及合理發(fā)揮材料的潛能等摩擦學(xué)研究在工程中具有重要意義。線接觸高副機(jī)構(gòu)由于接觸區(qū)小、接觸應(yīng)力大等原因,其摩擦、磨損和潤滑等問題一直被廣大科研工作者所重視,國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的研究取得不少成果。但線接觸高副機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)研究很不平衡,目前在工程應(yīng)用方面的研究主要集中在輪軌接觸、滾動軸承和齒輪接觸,而凸輪等線接觸高副機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)研究相對較少,對于機(jī)構(gòu)摩擦接觸的安定分析研究則更少。 本文基于摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論的研究成果,結(jié)合常見的凸輪、齒輪等線接觸高副機(jī)構(gòu)的工作原理及其接觸模型,利用接觸疲勞、彈流潤滑、磨損預(yù)測等摩擦學(xué)的基本原理和方法,對齒輪和凸輪等線接觸高副機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)設(shè)計和分析方法進(jìn)行深入地探討。同時基于彈塑性力學(xué)的安定極限分析模型,對齒輪接觸的塑性變形失效準(zhǔn)則進(jìn)行探討。取得的主要結(jié)果和結(jié)論如下： 1.齒輪嚙合過程中,齒面間存在一定的相對滑動。齒面間的滑動摩擦力對齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算有影響,引入摩擦效應(yīng)因數(shù),得到考慮齒間滑動摩擦的齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算模型。計算結(jié)果表明,齒間滑動摩擦對齒面接觸疲勞強(qiáng)度的影響隨潤滑狀況發(fā)生變化,一般可達(dá)6%。設(shè)計過程中為保證可靠的齒面接觸疲勞強(qiáng)度,可適當(dāng)加大齒面接觸疲勞的許用安全系數(shù),或直接采用本文推導(dǎo)的校核模型計算。 2.直動滾子盤形凸輪機(jī)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞點蝕和磨損失效,須校核凸輪的接觸應(yīng)力。凸輪的壓力角和凸輪實際廓線曲率半徑是凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù),且凸輪壓力角和凸輪廓線曲率半徑的計算需多次對運動規(guī)律方程求導(dǎo)。給出凸輪接觸應(yīng)力計算模型和基于MATLAB的相應(yīng)計算程序,可滿足工程實際對凸輪接觸應(yīng)力的計算要求。 3.基于凸輪的接觸強(qiáng)度條件,結(jié)合凸輪的傳動條件,討論了接觸應(yīng)力、許用壓力角、基圓半徑以及偏心距等之間的關(guān)系,給出滿足接觸強(qiáng)度條件的直動滾子凸輪設(shè)計模型。 4.通過計算直動滾子盤形凸輪機(jī)構(gòu)最小油膜厚度和膜厚比,可判別凸輪機(jī)構(gòu)的潤滑狀態(tài),從而可判斷凸輪出現(xiàn)磨損的可能性。凸輪潤滑涉及接觸表面粗糙度、潤滑油和凸輪材料性能、凸輪傳動系統(tǒng)的運動規(guī)律和凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)等諸多因素,且各因素在凸輪運轉(zhuǎn)過程中不斷變化,通過逐點分布計算的方法將凸輪廓線上的動態(tài)潤滑轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)問題。給出MATLAB編制凸輪最小油膜的計算程序,可得凸輪最小油膜厚度隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的情況,從而判斷凸輪廓線各點的潤滑狀態(tài)。 5.基于平底盤形凸輪彈流潤滑理論的最小油膜厚度計算模型,討論了凸輪廓線最小曲率半徑、基圓半徑、從動件運動規(guī)律和最小油膜厚度之間的關(guān)系,給出基于彈流潤滑理論的平底直動盤形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計模型,該模型可按照給定的凸輪潤滑狀態(tài)確定最優(yōu)的凸輪基圓半徑。算例表明,可通過合理選擇最佳的凸輪基圓半徑和輪廓形狀、或選用合理的潤滑油和添加劑、或以最經(jīng)濟(jì)的加工方法改善凸輪和從動件的表面質(zhì)量等措施改善凸輪潤滑效果。 6.針對粘著磨損是平底直動盤形凸輪的主要失效形式之一,考慮潤滑狀況對凸輪磨損的影響,基于彈流潤滑理論給出凸輪潤滑的膜厚比,建立膜厚比與粘著磨損系數(shù)關(guān)系的簡化模型,從而給出平底凸輪粘著磨損與彈流潤滑的耦合計算模型。算例表明,該模型可近似求解平底凸輪各點的磨損狀況。 7.在齒輪初始嚙合階段齒面將發(fā)生微小的塑性變形,在接觸應(yīng)力的作用下輪齒內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力有利于提高齒輪抵抗接觸應(yīng)力的能力�？紤]殘余應(yīng)力的影響,基于安定下限定理,導(dǎo)出齒輪材料的接觸安定極限,討論該值作為判斷齒面塑性變形失效的許用值與相應(yīng)的彈性極限作為許用值相比,可提高50%的材料利用率。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TH117.1
【圖文】：

摩擦表面材料變形情況如圖(l一l)所示。沿纖維組織方向(塑性流向)的金屬移動的阻力最小，當(dāng)表面剪應(yīng)力足夠大時，在表面就會產(chǎn)生晶界微裂紋。圖1一1摩擦表面材料的塑性變形和材料的積聚[ll〕表面形成微裂紋后，潤滑油進(jìn)入其中。而在零件作相對運動的過程中，潤滑油被反復(fù)壓入裂紋內(nèi)部，然后裂紋被封閉，從而使形成的封閉裂紋腔中的油壓增大，迫使裂紋不斷擴(kuò)展。隨著裂紋擴(kuò)展的尺寸越大，裂紋封閉腔內(nèi)儲油也就越多，在接觸體的碾壓作用下，裂紋內(nèi)壁的油壓也更大。多次重復(fù)作用后，裂紋不斷擴(kuò)展，最終使表層材料脫落形成凹坑點蝕。沒有潤滑油的情況下，摩擦表面的摩擦力更大，溫度更高，使表面材料產(chǎn)生畸變，局部應(yīng)力增大，從而使接觸表面在高的壓應(yīng)力、摩擦力和熱應(yīng)力等作用下，也會產(chǎn)生點蝕l’2，13]。 2.1.2次表面初始裂紋形成的疲勞磨損Hertz接觸理論表明

圖2一1固體表面的實際微觀形貌示意圖[2=6]觸表面凹凸不平的這種結(jié)合特征和隨機(jī)性偏差，常采用表面粗糙和瑕疵來表示，接觸表面幾何特征結(jié)構(gòu)示意圖如圖(2一2)所示。描述其最大的波峰波谷之差。國標(biāo)(GB1031一83)規(guī)定了兩種表面粗糙線平均高度(CLA)和平均平方根值(均方根)(RMS)。3)所示，先取一中線(x軸)，把二維輪廓分成上下兩半，并滿足:所圍的面積等于中線下方輪廓的面積。令從中線到輪廓的高度為平均值(CLA)上各點相對于中線的算術(shù)平均偏差。R_一cLA一土目z一m}dxL;’一言菩’Z一m}ZLwe.‘o1一L廓的取樣長度;n是輪廓的取樣點數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2717887