基于完整微凸体模型的粗糙表面接触性能研究

发布时间：2020-06-05 22:13

【摘要】：齿轮作为汽车变速箱等传动设备的主要零件,在实际工况下其啮合面接触性能的变化对机械传动机构的整体性能有重要影响。微观尺度下,机械接触表面均不是绝对平整的,而接触界面的微观形态对零件的承载能力等机械性能有直接影响。本文以微线段齿轮啮合的微观接触为理论研究背景,结合分形理论建立了更加贴合实际粗糙表面的完整微凸体接触模型,研究其表面的接触行为变化,为提高零件的力学性能设计提供理论指导。首先,根据WM函数处处连续、不可导的数学特性满足分形特征,据此用以模拟二维和三维粗糙表面轮廓形貌,并讨论了表征粗糙表面相关参数对其的影响。结果表明无论是二维或三维粗糙表面,随着分形维数D的增大,更小尺度的微凸体显现出来,表面形貌越趋近于复杂,表面粗糙度降低,轮廓尺度系数G对其的影响与之相反。其次,根据WM函数表征不同频率等级微凸体的轮廓特征,寻找相邻频率等级微凸体之间的叠加规律,建立了由N层不同频率等级微凸体按照一定的叠加规律构成的完整微凸体模型。根据单个微凸体在加载过程中由弹性变形向塑性变形转化的力学变化机制,.推导出完整微凸体中每一层微凸体的变形状态,结合面积密度分布函数得到整个粗糙表面接触载荷与接触面积的关系,并讨论了相关分形参数对其的影响。研究结果表明:相邻频率等级微凸体在奇数周期叠加分裂,在偶数周期叠加形成更高的微凸体(完整微凸体);随着负载的增加,单个微凸体由弹性变形经弹塑性变形逐渐向塑性变形转化,而完整微凸体,由于位于完整微凸体顶层的微凸体相较于最底层的微凸体,曲率半径较小,因此容易发生塑性变形,完整微凸体的力学变化过程可近似为从上至下逐渐由塑性变形向弹性变形转化,从本质上解释了以往粗糙表面MB等接触模型中得到“先塑后弹”结论的原因。最后,根据理论研究模型,加工相应的试件,通过Leica DCM 3D共聚焦显微镜测量试件表面的微观形貌,并将测量数据转化为理论接触模型数据,通过法向加载试验获得试件外载荷与变形量的关系,与完整微凸体接触模型理论结果对比验证所建模型的正确性,根据微观尺度下粗糙表面力学性能的变化机制为宏观机械零件的可靠性设计提供理论支撑。
【图文】：

微观形貌,机械零件,微观形貌

的要求也随着提升，除了要求齿轮本身承载能力、传动效率较高之外，作为汽车变速箱的主要传动机构，更需要考虑传动噪声、加工尺寸及精度、使用寿命及综合成本等各方面的因素。据统计，全球各个工业部门传动设备的故障 60%均是由于齿轮失效导致的，究其原因，影响机械传动系统性能的主要原因在于齿轮啮合接触面力学性能变化，因此从齿轮啮合的微观接触为研究背景，通过对粗糙表面微观力学性能的分析为实际零件的机械加工提供理论支撑。对粗糙表面微观接触行为的研究对现代机械力学性能的影响不可忽视，类似齿轮、轴承等机械零件性能的研究从未间断。机械零件在不同尺度下的接触形态如图 1 所示，研究表明，无论采用何种材料、何种加工方式，工件表面均不可能是绝对平整的，所有的结合面接触在微观尺度下仅仅是分布在粗糙表面上较高微凸体间的相互挤压和剪切磨损过程，正是由于粗糙表面上微凸体高低不同的粗糙峰的接触导致两表面的实际接触面积远远小于宏观所看到的接触面积[1-3]，最终引起零部件的局部应力集中、摩擦磨损加剧、使用寿命缩短等现象的发生。因此众多研究人员从单个微凸体力学性能的研究开始，获取结合面在微观接触状态下接触面积与接触负荷的关系，通过改变零部件的尺寸设计、加工方式以及加载方式，提高零部件的力学性能。

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2 粗糙表面的分形描述与构建形描述与构建景的高速发展，对于齿轮等传动零件的加工要求倾理论的快速发展在摩擦学、自然形态的表征、轴用，以齿轮啮合接触应力的分析为例简要说明分触应力分析主要包括经典 Hertz 弹性接触理论和有独特的优势。线段啮合齿轮，在齿轮啮合过程中，啮合点的曲率种方法的优缺点。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112.2

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