时变混合弹性流体动力润滑下齿面微点蚀产生、发展与演变机理研究

Tooth micro-pitting is the main reason for gear failure. However, theoretical support for its prevention and control is still weak. Taking the involute cylindrical gear as research object, this project will study the initiation, propagation and evolution mechanism of tooth surface micro-pitting under time-varying mixed elastohydrodynamic lubrication conditions. The specific research content includes the following four aspects: ① We will investigate the time-varying dynamic contact characteristics of gear meshing and propose the calculation method for tooth surface stress based on gear meshing law, contact mechanics, tribology and viscoelastic fluid mechanics. ② We will study the initiation and propagation mechanism of tooth surface micro-pitting. The variables such as crack initiation criterion, crack density and crack length changing rate will be introduced to simulate the initiation and propagation of cracks. ③ We will study the evolution mechanism from micro-pitting to macro-pitting. The start time, initial position, propagation rate and propagation direction of macro-pitting in the micro-pitting area will be determined. ④ We will investigate the factors influencing the initiation, propagation and evolution of tooth surface micro-pitting through experiments. The developed mathematical models will be verified and corrected. The research achievements of this project can provide theoretical basis and methods for the prevention and control of tooth surface micro-pitting. It can also provide theoretical guidance for the design and optimization of gearboxes with high micro-pitting load capacity.

齿面微点蚀是齿轮失效的主要诱因，但目前对其的预防与控制缺乏严谨的理论支撑。本项目以渐开线圆柱齿轮为研究对象，研究时变混合弹性流体动力润滑下齿面微点蚀的产生、发展与演变机理并预测由其所引起的齿面磨损。具体研究内容涵括以下四个方面：①基于齿轮啮合基本定律、接触力学、摩擦学与粘弹性流体力学原理研究齿轮啮合传动的时变动态接触特性并提出齿面各种应力的计算方法。②研究齿面微点蚀的产生与发展机理，引入裂纹萌生判据、裂纹密度、裂纹长度变化率等变量，构建数学模型模拟微点蚀裂纹的产生与扩展。③研究微点蚀演变为宏观点蚀的齿面损伤机理，确定点蚀在微点蚀区域内的出现时间、起始位置、扩展速率及扩展方向。④通过试验探究影响齿面微点蚀产生、发展与演变的各个因素，验证并修正所构建的数学模型。本项目研究成果可为齿面微点蚀的预防与控制提供理论基础和方法支撑，为具有抗微点蚀能力的齿轮箱设计与优化提供理论指导。

齿面微点蚀是一种出现在轮齿表面的微小裂纹与浅表凹坑，其极易发展并演变为宏观点蚀而造成齿面失效，是众多齿轮传动机构发生故障的根源。为揭示齿面微点蚀在时变混合弹性流体动力润滑下的产生、发展与演变机理，本项目：.（1）建立了渐开线圆柱齿轮时变动态啮合仿真模型，可精确计算因齿轮弹性变形、修形或磨损所导致的啮合点偏离理论接触线的实际接触轨迹，仿真齿轮在弹性变形和不同齿廓曲线下的动态啮合过程。.（2）量化了微点蚀裂纹对齿面磨损的加剧作用和齿面磨损对微点蚀裂纹的削减作用，构建了裂纹密度与磨损量相互作用下的齿面磨损数学模型和裂纹扩展数学模型，可准确预测微点蚀的出现时间、起始位置及其所导致的齿面磨损。.（3）基于Lundberg-Palmgren疲劳寿命理论建立了微点蚀演变为宏观点蚀的损伤模型，可准确预测点蚀在微点蚀区域内的出现时间、起始位置及进一步加剧的齿面磨损。.（4）提出了新型齿顶修形方法，通过反正切比例函数和渐进圆角过渡消除边界棱边，避免了修形区边界处曲率的突变，使接触点的局部赫兹应力减小，齿对进入啮合时更加平顺，有效抑制了齿面微点蚀及点蚀的发生。.通过本项目研究，阐明了主动齿轮齿根易发微点蚀的主要诱因：齿轮弹性变形所导致的从动齿轮齿顶与主动齿轮齿根在啮入时的二次接触；揭示了微点蚀裂纹与齿面磨损的相互作用机理：裂纹会加快齿面磨损，磨损量增加则会削减微点蚀裂纹；探明了微点蚀至宏观点蚀的演变规律：宏观点蚀主要产生于齿面接触压力和裂纹密度同时较高的区域（即微点蚀与非点蚀的过渡区）而非齿面接触压力最大的区域,并逐渐向啮合节点方向发展。所提出的新型齿顶修形方法在经过相同的加载循环后可大幅减小齿廓磨损和微点蚀面积。本项目研究成果可为齿面微点蚀的预防与控制提供理论基础和方法支撑，为具有抗微点蚀能力的齿轮箱设计与优化提供有效的技术手段。