弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析毕业设计.docx

弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析毕业设计.docx

《弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析毕业设计.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析毕业设计

-

毕业设计（论文）

设计（论文）题目

弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析

姓名：

学号：

学院：

机电与信息工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

年级

指导教师：

毕业设计（论文）原创性声明和利用授权说明

原创性声明

本人郑重许诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的功效。

尽我所知，除文中专门加以标注和致谢的地址外，不包括其他人或组织已经发表或发布过的研究功效，也不包括我为取得及其它教育机构的学位或学历而利用过的材料。

对本研究提供过帮忙和做出过奉献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

利用授权说明

本人完全了解大学关于搜集、保留、利用毕业设计（论文）的规定，即：

依照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保留毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览效劳；学校能够采纳影印、缩印、数字化或其它复制手腕保留论文；在不以获利为目的前提下，学校能够发布论文的部份或全数内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究功效。

除文中专门加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的功效作品。

对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权利用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、利用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，许诺论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学能够将本学位论文的全数或部份内容编入有关数据库进行检索，能够采纳影印、缩印或扫描等复制手腕保留和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处置。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部份：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数很多于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数很多于万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写笔迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部份用尺规绘制，部份用运算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准标准。

图表整洁，布局合理，文字注释必需利用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

依照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）顺序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

真实的直齿轮传动是复杂的，在关于高速传动的直齿轮进行接触疲劳寿命的准确评估时，应该考虑其弹流润滑效应；又考虑到高速、重载和大滑滚比下,阻碍弹流润滑偏离经典弹流润滑理论的三个因素,即温度效应、润滑剂的非牛顿效应和表面粗糙度效应，故将齿轮的数学模型导入到有限元分析软件ANSYS中。

在ANSYS环境下设置齿轮的相应工作情况对齿轮进行接触分析,再设定齿轮的材料属性及材料的S-N曲线,对齿轮接触疲劳寿命进行分析,获取齿轮在高速重载工况下的接触疲劳寿命,对齿轮的寿命进行合理的预测。

关键词：

直齿轮疲劳寿命有限元分析

ABSTRACT

Realspurgeartransmissioniscomplex,Inthehighspeedtransmissionofstraightgearcontactfatiguelifeofaccurateassessment,shouldconsidertheelastohydrodynamiclubricationeffect;Andconsideringthehighspeed,heavyandlargerollerthantheelastohydrodynamiclubricationdeviatesfromtheclassicaltheoryofelastohydrodynamiclubricationofthreefactors,namelythetemperatureeffect,thenon-newtonianeffectoflubricantandsurfaceroughnesseffect,sothemathematicalmodelofgearintothefiniteelementanalysissoftwareANSYS.InANSYSenvironment,setupgearworkingconditionofgearcontactanalysis,andthensetthegearmaterialpropertiesandthes-ncurve,analyzesthecontactfatiguelifeofgear,accesstothecontactfatiguelifeofgearinundertheconditionofhighspeedandheavyloading,tothelifeofgearandreasonableprediction

KEYWORDS:

Spurgear;Dynamicalsimulation;Thefatiguelife

一、绪论

（一）研究背景及意义

1.研究背景

随着科学技术水平的不断进步，机械传动系统已经不断地向高速、重载的方向进展，齿轮的受载条件和润滑状态与低速、轻载的齿轮有了明显的不同。

在高速运转下啮合齿面间形成的弹流润滑效应即是其中一个超级重要的物理现象。

19世纪后期,弹性流体润滑理论随着机械大工业的迅猛进展应运而生。

弹性流体动力润滑（EHL）主若是研究点、线高副接触机械零件的润滑问题（譬如齿轮、凸轮和转动轴承等机械零件的润滑）。

人们通常以为,利用弹流润滑膜厚回归公式必需明确其所基于的计算点,因为不同研究者所提供的公式不大相同,它们只能适用于某些特定的工况范围。

随着动力机械不断高速化和大型化,弹流润滑失效现象愈来愈多。

实践说明:

现代工业中齿轮、轴承等机械零件的失效大多数是由弹流润滑失效引发的。

可是,发生失效的机械零件多数通过弹流润滑设计说明能够良好的润滑。

这就使得人们对经典弹流润滑理论预测润滑失效的正确性提出了质疑。

关于阻碍实际的弹流润滑理论偏离经典的弹流润滑理论的要紧因素,中外学者已经做过了大量的研究。

这些阻碍因素要紧有以下三个方面:

润滑剂的非牛顿效应、温度效应和被润滑表面的粗糙度效应。

因此在进行直齿轮疲劳寿命的分析时应该将这三个方面考虑进去。

如此才能合理的分析齿轮的疲劳寿命。

2.研究意义

目前咱们已经能够在各个技术领域见到齿轮传动的普遍应用,但齿轮的在润滑方面的要紧失效机理至今还未能研究的超级清楚。

尽管直齿轮是齿轮传动中的最简单的一种形式,但在直齿轮啮合中的润滑条件和对其性能的分析仍是一个十分复杂的工程问题,齿轮传动的弹流润滑问题已然为国际摩擦学界的一个热点研究课题之一。

而齿轮的润滑与接触问题的解决程度则被各国视为衡量摩擦学进展的重要标志。

最近几年来,润滑流体非牛顿特性对齿轮传动性能的阻碍已经渐渐引发了一些学者的紧密重视,尤其是在高速、重载的工况下,润滑剂失去了牛顿特型性状特点。

为此国内一些学者开展了非牛顿流体弹流润滑的理论研究。

因此研究在非牛顿流体弹流润滑状态下的直齿轮疲劳寿命对提高齿轮组的靠得住性与运行寿命具有重要的意义。

（二）课题研究现状

由于实际情形中高速重载的直齿轮啮合情形超级复杂，计算量庞大，想要对弹流润滑状态直齿轮的疲劳寿命进行分析进行实际的运算是十分困难的。

可是可是ANSYS软件提供了包括建模、导入、分析整套的研究体系，利用ANSYS有限元分析软件壮大的前后处置能力及计算能力会使分析进程变得简单。

（三）研究内容与目标

本课题研究的是弹流润滑状态下直齿轮的接触疲劳寿命分析，依照现有的计算公式推导出经典弹流润滑的直齿轮接触疲劳寿命，再综合考虑实际情形中高速重载情形下对弹流润滑效应和齿轮几何形状的阻碍，通过Ansys有限元分析获取齿轮接触应力，再结合材料P−S−N曲线研究弹流润滑效应付直齿轮接触疲劳寿命的阻碍程度。

二、理论分析

1齿轮弹流润滑物理模型的成立

当咱们研究直齿轮弹流润滑问题的时候，咱们能够用一对圆柱体的接触来模拟直齿轮啮合，这对圆柱体的半径那么别离等同于齿轮啮合点处渐开线的当量曲率半径R1和R2，转动速度别离等同于相应齿轮的转速n1和n2，啮合点的切线速度别离为u1和u2。

如图1（a）所示。

同理咱们能够进一步，用1个当量半径为R、转速为n，切线速度为u的等效圆柱体和1个无穷长的刚性平面的接触来模拟，如图1（b）所示。

图1齿轮弹流润滑物理模型

2齿轮接触应力分析

齿轮啮合进程的几何参数计算

现选用一对啮合直齿轮大体参数如下：

模数m=mm，传动比i=75，齿数z1=32，z2=103，齿宽bg=45mm，压力角α=°}。

工况取转速n=7500r/min，传递功率PE=600kW，齿轮副材料20Cr2Ni4A，屈服强度σs=1080MPa，拉伸强度σb=1175MPa，弹性模量E=×105MPa，泊松比ν=，润滑油动力黏度η=Pa·s。

咱们对这五个啮合点能够表示为1个双齿啮合的瞬态B−和1个单齿啮合的瞬态B+、节点J、单双啮合交替点C同理那个C能够表示为1个单齿啮合的瞬态C−和1个双齿啮合的瞬态C+、啮出点D，咱们对这五个点用稳态的一维形式的雷诺方程进行来进行求解。

从而这些特殊啮合点的几何参数进行计算。

1）主动轮转角计算分析

实际的啮合长度应该为

式中：

ra1和ra2是主动轮和从动轮的齿顶圆半径；r1和r2别离为主、

从动轮的分度圆半径；rb1和rb2那么是主动轮和从动轮的基圆半径运算时为了方便均能够以使两数值相等。

主动轮单齿啮合转过的角度为

式中：

pb为齿轮的法向齿距

主动轮双齿啮合转过的角度为

主动轮从基圆处到进入啮合转过的角度为

主动轮从啮入点A到节点J转过的角度为

2）啮合点处的单位齿宽载荷w

因为齿轮从渐开线的A处到D处，齿轮啮合经历了从单齿到双齿再到单齿的进程，因此齿轮的单位齿宽载荷的计算在渐开线不同位置是不一样的，计算公式如下：

式中：

k为同时啮合的齿轮对数

3）啮合点处的综合曲率半径R。

咱们以A点作为例子，剩下的点只需代入对应的数值就能够完成计算

4）啮合点处的齿面平均速度为

啮合进程的几何参数计算出来的结果如下表所示

弹流润滑油膜压力的计算

咱们假定润滑油是牛顿流体，处于等温线接触弹流润滑状态。

成立1个x轴为表面卷吸速度方向，y轴为油膜压力的坐标系。

弹流润滑大体方程组如下。

1）Reynolds方程为

式中：

ρ和η别离代表润滑油的密度和黏度；p和h各自表示油膜的压力和厚度；u为齿面平均速度。

咱们求解Reynolds方程的边界条件为

2）膜厚方程。

膜厚方程中包括了初始间隙、弹性变形和中心膜厚等，其形式为

式中：

h0为待定常数；s为任意散布载荷p（s）与坐标原点的距离；R为综合曲率半径；E′为综合弹性模量。

3）黏压方程。

黏压方程采纳Reolands公式

式中：

η0为大气压下的黏度；z为矿物油系数，一样可取；p0为压力系数。

4）密压方程。

式中：

ρ0为润滑油的环境密度

5）载荷方程为

因为未知数过量难以计算，因此为了减少上述方程组的未知数的个数，咱们引入以下7个无量纲参数p=p/pH，X=x/b，H=hR/b2，ρ*=ρ/ρ0，η*=η/η0，U*=η0u/（E′R），W=w/（E′R）。

其中：

b为赫兹接触半宽，其公式为

pH为最大赫兹接触应力，pH=2w/（πb），将这些量纲1的参数代入弹流润滑方程组，简化后进行弹流润滑数值解的求解[14]。

弹流润滑油膜压力计算结果如图3所示

图3弹流润滑油膜压力计算结果

图3咱们看到的确实是齿轮沿啮合线弹流润滑油膜压力曲线的转变趋势。

当从齿根到齿顶时，出口压力峰值位置是向着出口处移动的，等过了节点J以后，出口压力峰值的位置那么开始向着入口处移动。

在单齿啮合的情形下（B+，J和C−），出口压力峰值对于中心油膜压力而言，它的值是比较小的，可是在双齿啮合的情形下（A，B−，C+，D），出口压力峰值相对于中心油膜压力而言，数值却是比较大的，也确实是说重载有助于抑制出口压力的形成，而轻载的情形下容易形成较大的出口油膜压力。

接触应力的转化

咱们假设这种工作情形下油膜是稳固而且不发生破裂的，咱们能够用看到B+点的油膜压力沿齿宽散布的情形见图4。

由于要考虑油膜的压力在赫兹接触变形区呈现出来的不规那么转变（图4），为了能够最大程度的表现出齿轮表面上油膜压力的作用情况。

咱们别离以齿轮中的各个啮合点为中心，把赫兹接触区作为油膜压力的加载区域，并以赫兹接触宽度把那个加载区域等分成5块狭长的加载面。

咱们取赫兹接触区内的计算结果作为该点处的油膜压力并作为施加条件，利用一样的方式分成5等分，而且对每一个小部份的油膜压力求平均值，然后再将那个油膜压力的平均值作为加载区域的外载荷。

最后再通过有限元分析，即可得出再油膜压力作用下齿轮的接触应力。

通过计算咱们得出了各个点处弹流润滑状态下的接触应力：

A点处的接触应力为617，B−点处的接触应力为547，B+点处的接触应力为806，J点处的接触应力为794，C−点处的接触应力为762，C+点处的接触应力为522，D点处的接触应力为435。

图4B+点油膜压力沿齿宽散布

3疲劳分析

能够用双对数坐标系绘制的P−S−N曲线内，其有限寿命方程近似为一条斜线，方程的通用式能够表示为

在公式中：

ap和bp为与存活率有关的材料常数，Np为与存活率有关的疲劳寿命

然后咱们从文献中得出20Cr2Ni4A材料的中值接触疲劳寿命曲线方程为

因为齿轮的接触疲劳寿命处于接触应力最大的地址，弹流润滑效应下应该以B+为计算点最后计算出的寿命结果如以下图

三、ANSYS有限元分析

1ANSYS及有限元概述

现现在随着计算力学、计算数学等学科尤其是信息技术的飞速进展，数值模拟技术开始变得愈来愈成熟。

数值模拟应用超级普遍，许多领域诸如土木、电子、冶炼、机械、国防军工、航天航空等都收到了数值模拟的深远阻碍。

数值计算方式在工程分析领域中应用比较普遍的一种计算方式即是有限元法，从上世纪中期以来，因为它独特的计算优势取得了普遍地进展，此刻已经显现了很多种有限元算法，而且因此显现了一批超级成熟的通用和专业有限元商业软件。

伴随着运算机技术日新月异的进展，各类工程软件也被普遍应用在各类领域。

ANSYS软件以它分析功能的壮大而成为CAE软件的应用主流，在工程分析应用中得以普遍应用。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司研制的大型通用的有限元分析（FEA）软件ANSYS是世界范围内增加最快的CAE软件，能够进行诸如结构、声、热、流体，和电磁场等等学科的研究，在核工业、石油化工、航天航空、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、水利、轻工、地矿等领域都有着普遍的应用。

ANSYS的功能壮大，操作也简单方便，现现在它已经为国际最流行的有限元分析软件。

而有限元法由于其通用性和有效性，也受到工程技术界的高度重视，随着运算机科学技术的飞速进展，有限元法现以成为运算机辅助设计（CAD）和运算机辅助制造（CAM）的重要组成部份。

2ANSYS分析的大体进程

（1）咱们一样进行的ANSYS分析进程有3个要紧的步骤，第一是前处置也确实是是指创建实体模型及有限元模型。

其中包括了创建实体模型、概念单元属性、划分有限元网格、修正模型等几项内容在那个地址咱们利用在其他软件中创建实体模型，然后读入到ANSYS环境，通过修正后划分有限元网格这种方式。

第二是加载并求解在那个地址咱们需要添加面载荷和体积载荷等等，第三是后处置在那个地址咱们利历时刻历程后处置来进行瞬态分析和动力分析的处置。

（2）接触分析步骤

咱们一样在执行一个典型的面-面接触分析时的大体步骤如下：

（1）成立模型，划分网格。

（2）识别接触对。

（3）概念刚性目标面

（4）概念柔性接触面

（5）设置单元关键点和实常数

（6）概念/操纵刚性目标面的运动。

（7）给定必需的边界条件

（8）概念求解选项和载荷步

（9）求解接触问题

（10）查看结果

3齿轮接触应力的Ansys有限元分析

（1）在Pro/e环境下对齿轮建模

设置齿轮参数（“工具”→“参数”）

添加参数：

模数M=2；齿数Z=20；压力角ALPHA=20；齿宽B=15；齿顶高系数

；顶隙系数

=。

通过“工具”→“关系”成立齿轮参数关系：

………………......................分度圆直径

………......................…齿顶圆直径

…….……..齿根圆直径

………….............基圆直径

齿轮的大体模型如下

装配齿轮中心距

，装配图如上

（2）概念单元类型

在进行有限元分析时，第一咱们应该跟据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。

那个地址选用单四节点的四边形板单元PLANE182。

即能够用于计算平面应力问题，又能用于分析平面应变和轴对称问题。

有4个节点,和三角形单元相较,计算精度会更高关于带中间节点的四边形而言,节点数更少,加倍节约计算时刻,而精度可不能有太大的下降。

1、在主菜单当选取Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，会弹出“ElementTypes”（单元类型）对话框。

单击【Add】对话框中的按钮，将弹出“LibraryofElementTypes”（单元类型库）对话框,如以下图所示

2、在左侧的列表框中单击“StructuralSolid”选项，选择实体单元类型。

然后，在右边的列表中，单击“4node182”选项，选择四节点四边形板单元PLANE182。

单击【OK】按钮，将PLANE182单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第一步打开的单元类型对话框，如以下图

3、单击【Opyions】按钮，打开如以下图所示的“PLANE182elementtypeoption”（单元选项设置）对话框，对PLANE182单元进行设置。

单击【OK】同意选项，再单击【Close】按钮，关闭单元类型对话框，终止单元类型的添加。

（3）概念材料属性

（3）从主菜单项选择择“Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”，打开“DefineMaterialM