航空弧齿锥齿轮摩擦学设计与制造

内容简介

《航空弧齿锥齿轮摩擦学设计与制造》系统地介绍了航空弧齿锥齿轮的结构特点、摩擦润滑行为特征、强度计算和加工方法。对航空弧齿锥齿轮加载接触啮合性能进行了深入分析；详细阐述了实际工况下航空弧齿锥齿轮的各种润滑与摩擦状态，对航空弧齿锥齿轮摩擦与动态特性进行了分析：初步研究了摩擦润滑条件下航空弧齿锥齿轮的数控加工方法；探讨了高速重载弧齿锥齿轮的相关试验方法。

目录

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第1章航空弧齿锥齿轮摩擦学概述1
1.1航空弧齿锥齿轮的结构与特点1
1. 2航空弧齿锥齿轮的摩擦与润滑理论综述2
1.2.1齿轮的润滑理论 2
1.2.2齿轮的摩擦与热理论5
1.3弧齿锥齿轮的加工制造技术综述8
1.3.1弧齿锥齿轮的切齿原理8
1.3.2弧齿锥齿轮的数控加工9
1.3.3弧齿锥齿轮的性能分析技术9
1.3.4 弧齿锥齿轮加工系统 11
1.4 小结12
第2章航空弧齿锥齿轮在实际工况下的啮合性能13
2.1弧齿锥齿轮的边缘接触分析13
2.1.1齿面的点矢函数13
2.1.2齿顶边缘接触分析17
2.1.3齿端边缘接触分析20
2.2弧齿锥齿轮加载接触分析21
2. 2.1弧齿锥齿轮实际接触迹的确定21
2.2.2弧齿锥齿轮在重载作用下的运动误差23
2.2.3轮齿间的载荷分配24
2.2.4弧齿锥齿轮接触点曲率与接触区求取25
2.3高速弧齿锥齿轮啮合过程的齿面速度分析28
2.4弧齿锥齿轮轮齿强度分析与计算30
2.4.1轮齿弯曲强度30
2.4.2齿面接触强度计算34
2.5航空弧齿锥齿轮胶合与闪温性能分析36
2.6航空弧齿锥齿轮动态性能分析39
2. 6.1弧齿锥齿轮动力学模型的建立39
2 6.2 固有频率40
2.6. 3行波共振转速43
2.6.4动载激振力的DLTCA计算43
2. 6. 5行波共振应力46
2.7 小结47
第3章适合工程计算的航空弧齿锥齿轮弹流润滑数值方法48
3.1点接触等温弹流润滑的数学模型48
3.1.1点接触等温弹流润滑数值求解的控制方程48
3.1.2数值求解中的无量纲化 50
3.2点接触热弹流润滑的数学模型50
3.2.1热弹流 Reynolds 方程51
3.2.2温度对润滑油的影响51
3.2.3弹流润滑中的热效应与控制方程52
3.2.4热弹流润滑基本方程的无量纲化53
3.3适用于重载条件下的点接触弹流润滑数值算法54
33.1点接触弹流润滑数值算法分析54
3.3.2加权牛顿有限元法55
3.3.3不同载荷下的弹流润滑计算对比分析59
33.4点接触热弹流润滑计算与分析62
3.4高速重载弧齿锥齿轮热弹流润滑计算与分析68
3 4.1弧齿锥齿轮热弹流计算坐标系的建立68
3 4.2航空弧齿锥齿轮热弹流润滑方程组68
3.4.3航空弧齿锥齿轮热弹流计算参数确定69
3.4.4航空弧齿锥齿轮模型参数70
3.5小结74
第4章航空弧齿锥齿轮乏油润滑分析76
4.1弧齿锥齿轮乏油润滑分析76
4.1.1乏油润滑的判定76
4.1.2乏油润滑计算模型79
4.1.3不同乏油程度的油膜特性80
4.2弧齿锥齿轮短时间断油无损伤润滑分析84
4.2.1短时间断油的数学模型 84
4 2.2油箱油量对断油润滑温度的影响87
4 2.3不同断油时间控制点下中心油膜温度87
4.2.4转速对中心油膜温度的影响88
4.3航空弧齿锥齿轮无油润滑性能分析88
4.3.1失油条件下油膜消失时间与温度变化88
4.3.2无油润滑下齿面摩擦系数的影响因素分析91
4.4航空弧齿锥齿轮无油润滑下的摩擦传热行为分析96
44.1传热分析模型96
4.4.2无油润滑运转的传热行为分析99
4.4.3轮齿温度有限元分析104
4.5不同润滑油对齿轮温度的影响分析110
4. 6航空弧齿锥齿轮摩擦润滑分析系统112
4.6.1集成系统开发工具113
4.6.2分析系统组成113
4.7 小结117
第5章航空齿轮气液共相润滑分析与设计118
5. 1高速重载齿轮气液多相不油雾形成机理118
5.1.1齿轮喷油润滑下气液多相射流的数学模型118
5.1.2高速齿轮喷油润滑射流的计算流体动力学建模119
5.1.3高速航空齿轮对喷油气液多相射流的激荡作用120
5.2高速航空齿轮机匣内气液共相流体的黏度特性121
5.2.1不油雾在高速运动状态下的黏度特性121
5.2.2弹流润滑计算中的不

摘要与插图

第1章航空弧齿锥齿轮摩擦学概述
1.1航空弧齿锥齿轮的结构与特点
弧齿锥齿轮是航空发动机和直升机等传动系统的核心、关键零件，要求具备承载能力 大、体积质量小、可靠性高、噪声低、高速旋转条件下运转平稳等特点[1]。随着航空发动机 和直升机性能指标不断提高，机械传动系统的工作条件日益苛刻。传统的设计方法和加工技 术已经不能满足现代弧齿锥齿轮的设计要求[2]，高速重载的弧齿锥齿轮在啮合过程中的润滑 和动态问题十分突出，造成齿轮轮齿胶合(图1-1)、断裂等失效与故障(图1-2)，使用寿命严 重不足。如何从摩擦学角度研究弧齿锥齿轮在空间胶合接触的全过程，确定其润滑状态，改善 接触区内夕卜部不良因素，减少齿面之间的摩擦磨损，防止齿轮的点蚀、胶合和行波共振，建立 齿轮加工工艺体系，提高传动的可靠性，是高速重载航空弧齿锥齿轮设计发展的重要方向。
图1!某航空弧齿锥齿轮的胶合擦痕 图1-2某发动机弧齿锥齿轮的振动断裂
齿轮的摩擦学性能对传动系统的啮合性能、强度、稳定性、振动噪声和使用寿命等有 重要影响[3]。在航空弧齿锥齿轮的啮合过程中，轮齿在重载高速下的速度、载荷和动态特 性决定了所能形成的润滑和摩擦状态，而轮齿的摩擦和润滑状态反过来又对齿轮的啮合过 程产生影响。航空弧齿锥齿轮轮齿啮合过程中产生的瞬时极高摩擦热导致了齿轮啮合区局 部的温升[4，5]，局部的高温破坏了轮齿之间的润滑油膜，是轮齿发生胶合失效的主要原 因。研究表明，齿面的点蚀和胶合与其润滑状态有着极其密切的联系，用摩擦、润滑理论 作为齿面点蚀和胶合的判定依据更为准确，因此弧齿锥齿轮的摩擦学设计制造在高性能齿 轮传动系统中的应用就尤为重要。
航空弧齿锥齿轮的齿面复杂，齿面的形状和加工精度对齿轮的啮合性能及摩擦、润滑 特性具有重要的影响。如何在通用机床上通过数控加工实现设计齿面（7]，以及根据不同工况调整设计齿面，达到摩擦特性，是航空弧齿锥齿轮数控加工所面临的重要课题。 因此，对于新一代航空弧齿锥齿轮，在设计之初就应该对其摩擦学性能进行充分考虑，在 制造过程中对齿面进行调整并保证精度，设计并加工出具有良好摩擦学特性的航空弧齿锥 齿轮传动系统，是当今技术国家大力投入的前沿技术[8]，是航空发动机和直升机 研制的直接需求，但也是航空弧齿锥齿轮传动系统向高速、重载、高可靠性发展的瓶颈问 题，其复杂性主要体现在以下几个方面。
(1)航空弧齿锥齿轮的润滑状态复杂多变。航空弧齿锥齿轮通常在高速重载下工作， 啮合齿面间的润滑油膜对保证齿轮的稳定工作具有重要的作用。由于弧齿锥齿轮复杂 的齿面形状和运动状态，所以对齿面间形成的润滑油膜的影响因素多，这就造成了航 空弧齿锥齿轮润滑状态的多变。在供油充分的理想条件下，齿轮工作在弹流润滑状态，两 齿轮间可以形成良好的润滑油膜（当齿轮的供油条件发生改变时，如飞行姿态的改变，或 润滑设计的不合理，齿轮间的油膜将逐渐变薄，即工作在乏油润滑状态（随着供油条件和 齿轮温度持续的变坏和升高，齿面间的油膜被破坏，两齿面摩擦接触，即工作在无油 润滑状态。
(2)航空弧齿锥齿轮传动性能参数之间 相互影响。为了符合航空结构的减重要求， 航空弧齿锥齿轮常设计为大直径薄辐板、薄 壁壳形轴或其组合结构，如图1-3所示。在 齿轮的啮合过程中，轮齿的变形和振动会对 齿轮的传动误差，以及啮合点的润滑状态产 生影响，而啮合点间形成的润滑油膜会通过 阻尼的方式对齿轮的振动产生影响。在高速 重载条件下，齿轮的振动变形问题突出， 薄壁板壳弹性振动和轮齿啮合参数振动都可
图13航空弧齿锥齿轮的薄壁板壳结构 能造成