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文|可乐

编辑|可乐

热机械特性是现代航空发动机齿轮传动系统中的一个重要研究领域，这些传动系统通常在极端的工作条件下运行，包括高速、重载和高温升，同时在非牛顿性质的瞬态微热-弹性-流体接触条件下工作，面临着严峻的挑战。

在这些恶劣环境中，传动系统经常受到高振动、冲击幅度增大、界面温度剧增以及大量摩擦力损失的影响，这些因素都会对齿轮传动的性能产生不利影响。

本文聚焦于探讨一种具有粗糙表面接触的改进齿轮传动系统，该系统常常在恶劣的工作环境下运行，面临高振动、冲击幅度的挑战，以及润滑条件受影响的问题。

热机械特性

这项研究聚焦于一种包括直齿轮和螺旋齿轮的航空发动机齿轮传动系统，通常在高速和重载情况下，在非牛顿性质的瞬态微热-弹性-流体接触条件下运行，其润滑状况受恶劣工作环境的影响。

这种恶劣工作环境经常导致高振动和冲击幅度、界面温度急剧上升以及大量的摩擦力损失，这些都对齿轮传动产生了不利影响。

为了实现高性能的传动系统，有必要深入研究这些热机械特性，以评估齿轮的动态响应、磨损和效率。

我们提出了一种预测相对疲劳寿命的计算方法，适用于高速和重载球轴承，考虑了表面质地的影响。

齿轮传动系统中的动态粒子阻尼器模型，用于研究高速、重载和恢复工况下的影响，并涉及摩擦系数对粒子阻尼器性能的影响。

油膜刚度的研究通常是在标准工作条件下进行的，很少考虑到热效应对油膜刚度的影响。

很少有研究探讨了将油膜刚度与齿轮对的刚度合成的问题，由于齿轮传动系统在复杂的运行条件下工作，因此数值模拟通常会面临不稳定性的问题。

在齿轮传动系统中，润滑齿轮副的温度升高和功率损失对其动态响应、磨损和效率都具有重要影响。

齿轮副的动态响应与润滑齿轮副的刚度密切相关，传统的动力学模型通常考虑了齿轮网格刚度，但通常忽略了油膜刚度。

随着齿轮动力学的发展，油膜刚度的考虑已成为动力学方程更实际的一部分，因为油膜实际上存在于网状齿轮对之间。

虽然一些研究涉及到了油膜刚度的建模和计算，以及参数对油膜刚度的影响，但这些研究大多未考虑热效应对油膜刚度的影响。

油膜刚度与齿轮网格刚度的综合研究也相对较少，考虑到工作条件的恶劣性，齿轮对接触点的界面温度升高和闪光温度急剧上升，容易导致齿轮磨损。

齿轮齿的闪光温度通常指的是瞬时的表面温度升高，总接触温度，包括整体温度和闪光温度，通常用于评估齿轮是否存在磨损的可能性。

闪光温度的计算通常依赖于闪光温度公式，但这些公式可能更适用于光滑表面和干燥接触情况，另一方面，一些研究已经提出了针对粗糙表面接触的闪光温度公式。

从油膜和齿轮对的刚度出发，我们建立了综合刚度模型，用于预测弹性流体接触器下的整体接触温度和闪光温度。

传动效率主要受润滑界面的摩擦功率损失比的影响，通过使用验证过的数值程序，我们还讨论了不同几何参数对从根到尖的高速重载改性齿轮对的热机械特性的影响。

综合刚度模型与油膜刚度的合成

传动效率主要受润滑界面的摩擦功率损失比的影响，通过使用验证过的数值程序，我们还讨论了不同几何参数对从根到尖的高速重载改性齿轮对的热机械特性的影响。

在高速、重载和高温上升的极端条件下运行的飞机引擎中, 动态振动 ,闪存温度,齿轮传动系统摩擦功率损失严重。

标准渐开线 传动齿轮 应用载荷在单齿至双齿接触和双齿至单齿接触时发生波动,造成齿轮齿的冲击,影响齿轮传动的稳定性。

齿轮对可以相当于两个弹性圆筒，粗糙表面上的余弦粗糙度 A 和 b 关于驾驶的小齿轮分别采用和表示为

在其中 A a和 A b 说明粗糙性幅值， l A 和 l b 显示波长，通常假设两个接触中的粗糙面与光滑面接触时是等效的粗糙面。

在本研究中，接触面粗糙幅值 b 是被选为 A b 表示它是光滑的表面，齿轮传动的振动和动态响应与润滑齿轮齿的刚度密切相关。

在齿轮动力学方程中通常包括刚度,而在齿轮动力学分析中一般不包括油膜刚度，在实际情况下，润滑为了满足实际工作条件的要求，获得更准确的齿轮传动动态响应，必须考虑齿轮对的铰接和油膜刚度。

本文建立了油膜刚度与齿轮网眼刚度相结合的综合刚度模型,并对其两部分进行了串联，因此,合成刚度, k s ,表示为

在TATL线接触中,齿轮对之间的油膜可以被建模为无质量的弹簧元件,这是由于油膜的粘弹性性质。

在正常荷载作用下,油膜可以被压缩。负荷增加给出了水动力压力和膜厚的递增。

考虑油膜的热效应和非牛顿效应,用EQ计算了流体动力压力，微接触中油膜的刚度是由微接触发展而来的，表示为

其中 B 表示齿轮面宽度,代表增加 Dx 显示网格大小 X 协调方向。 n 是名义接触域中的节点数。

压力角的影响

高速和重载的工作条件，以及齿轮对的动态网格运动，导致了齿轮运动问题的数值求解高度不稳定。

我们采取了三种方法来应对这个问题，我们在每个齿轮对网格点的压力迭代中选择了适当的下松弛因子。

我们为计算域选择了合适的网格密度，我们在高压区域的压力松弛中选择了雅可比迭代。

即使在高速和重载操作条件下，收敛压力也可以使温度迅速收敛，因此，温度的松弛系数没有额外的限制，通常选择在0.2到0.4之间。

为了解决极端压力情况下的齿轮润滑问题，控制方程和边界条件通常被转化为无量次形式，以便进行数值计算，这时可以使用无量次法。

对于具有粗糙表面的非牛顿性瞬态运动，我们将运动线划分为61个网格点，并将接近点视为一个稳定状态。

挤压项是根据时间的向后差分离散的，而温度则是通过连续的洗涤柱技术求解的，实验结果列出了齿轮和润滑剂的性质参数，其中齿轮的材料为钢，润滑剂为SE5W40。

冠齿轮传动的载荷分布参考了风向标的数据，同时冠齿轮的弯曲半径和夹带速度与标准齿轮相似。

实验展示了标准齿轮和冠齿轮在洛阿方向上的应用载荷变化，可以看出，在齿轮的根部和尖部，冠齿轮的应用载荷要小于标准齿轮，这表明对冠齿的改进可以减少齿轮根部和尖部的接触应力和弯曲应力，从而提高了齿轮的承载能力。

此外，通过对冠齿的改进，可以消除在单齿接触点和单齿接触点的最低处施加的载荷波动，从而提高了齿轮传动的稳定性。

研究还展示了标准齿轮和冠齿轮在洛阿方向上的最大赫兹接触压力的变化，齿轮对的接触压力相当高。

考虑到表面粗糙度的影响，油膜的最大压力将大于赫兹接触的最大压力，标准齿轮和冠齿轮的赫兹压力分布与其所显示的载荷分布密切相关。

夹带速度和相对滑动速度可以看出，在目前的操作条件下，齿轮对的切向速度相当高，此外，由于齿纹的滚动，节点的相对滑动速度为零。

实验中显示了标准齿轮沿LOA方向的油膜压力、载荷和温度的相对误差变化，采用上述方法时，这些相对误差完全满足高速和重载超速接触的收敛准则。

此外，温度的相对误差最小，表明温度最容易达到收敛，因此，温度的松弛系数没有额外的限制，可以选择为常数，如前一节所述。

结果显示了具有粗糙表面接触的标准直齿齿轮节点的压力和薄膜厚度剖面，考虑到余弦粗糙度的存在，油膜的最大压力大于赫兹接触的最大压力。

由于粗糙度的影响，压力具有明显的波峰和波谷，在高速工作条件下，整体薄膜较厚，粗糙度对薄膜厚度的影响较小，然而，在薄膜较厚的情况下，可以明显地观察到波谷和波峰。

本研究探讨了在高速和重载条件下采用非牛顿瞬态微弹性润滑的改性齿轮的热机械性能。

我们分析了齿轮传动的啮合效率，根据齿轮齿面的摩擦损失率进行评估，通过验证的数值程序，我们研究了齿轮几何参数对性能的影响。

研究结果表明，通过合理匹配几何参数，齿轮系统能够在高速和重载条件下实现高性能传动。