空间齿轮传动系统接触动力学及相关问题研究

发布时间：2020-06-13 18:42

【摘要】：随着空间技术的发展，空间飞行器必须具有更长的使用寿命和更高的可靠性。空间机构作为飞行器中必不可少的重要组成部分，研究其接触失效的主要影响因素与抑制措施，对于提高空间飞行器的可靠性与寿命具有重要意义。由于齿轮传动系统的接触分析具有典型的代表性，本文将以其作为研究对象。在空间高真空环境下，金属接触时的粘附力及表面形貌对齿轮接触失效产生重要影响，其接触变形的过程非常复杂，涉及弹性、弹塑性及全塑性不同阶段。空间飞行器齿轮传动系统在真空环境下失效与在地面环境下失效明显不同，，其热力学、接触力学及摩擦学行为具有明显的特殊性，有必要对其进行深入的研究。本文以空间某飞行器上工作的齿轮传动系统为研究对象，深入研究系统主要参数、接触表面属性和温场分布对系统接触动力学特性的影响。 首先，基于Hertz接触理论建立了空间齿轮接触应力沿啮合线变化的数学模型。分析齿轮模数及齿数比对啮合接触应力的影响，得出空间齿轮接触应力分布规律。确定了影响齿轮啮合接触应力分布的主要因素，为齿轮的优化设计提供理论依据。分析了摩擦系数对空间齿轮接触应力分布的影响，得出法向力与切向力的共同作用下主剪应力的变化规律，在一定切向力作用下，应力变化幅度约为100%。采用理论分析与有限元相结合的方法，建立空间齿轮有限元接触分析模型，为热力耦合分析奠定基础。 其次，基于单一粗糙峰与刚性平面接触理论，考虑真空环境中金属表面粘附力的影响，建立了粗糙表面形貌接触分析简化模型，模型有效区分了粗糙峰的弹性、弹塑性及全塑性变形。将本文的弹塑性模型与Lo等人提出的全弹性模型对比，结果表明：在较小的塑性指数时两者基本一致，随着塑性指数变大，Lo等人的全弹性模型的计算误差增大，当塑性指数超过1时，本文模型计算结果更加准确。基于本文的模型，分析了实际接触面积与名义接触面积比、切向承载能力随接触正载荷的变化关系，分析了表面硬度、表面粗糙度及无量纲塑性指数对其接触特性的影响。针对空间高真空的特点，分析了表面能对接触失效的影响，为研究空间齿轮接触失效机理奠定了基础。 再次，建立了空间齿轮传动系统热网络模型。进行了真空环境下与地面大气环境下的齿轮系统温升对比实验，确定了热网络模型的边界条件。在此基础上，分析了真空环境下系统载荷、转速等运行参数对系统关键节点温度的影响，得出真空无对流散热时齿轮系统的温场分布规律。分析了齿轮转速、齿面滑动摩擦系数等参数对接触区瞬时温升的影响，得出以上参数与接触区瞬时温升变化规律。采用有限元法完成齿轮接触热力耦合分析，得出齿面瞬时温升与接触应力的变化关系。 然后，针对空间齿轮寿命实验中振动测点定位困难的问题，提出了一种确定振动测点最佳位置的方法，并采用峭度指标法对理论分析得到的最佳测点进行了实验验证。研究了单一时域分析和频域分析在空间齿轮传动系统健康诊断中的局限性，指出只有在小波理论分析齿轮传动系统振动信号的基础上结合时频分析才能更准确得到空间齿轮传动系统健康状态的诊断结果。建立了空间齿轮系统健康诊断实验平台，综合运用小波变换与解调分析方法对空间齿轮传动系统运行不同阶段的振动信号进行分析，表明小波分析与解调分析相结合的方法能够有效诊断空间齿轮传动系统的健康状态，验证了该方法的有效性。 最后，基于相电流细分技术，研制了适用于真空环境中工作的恒定制动转矩负载制动器。搭建了空间齿轮系统实验平台，进行了常压环境和真空环境的对比实验研究。采用扫描电镜（SEM）及原子力显微镜（AFM）观测了齿轮在真空环境下运行后啮合表面微观形貌，分析了空间齿轮齿面不同点的失效情况，分析了接触失效与应力的相互关系。进行了真空条件下和空气中常压条件下齿轮对比实验研究，分析了不同环境下齿轮主要失效形式。结果表明：真空条件下齿轮副比空气中常压条件下更易发生粘着磨损，空气中常压条件下磨损形式主要表现为疲劳磨损和磨粒磨损。研究了空间齿轮齿形及离子渗氮层厚度对齿顶失效的影响，为齿轮优化设计提供了理论依据。
【图文】：

图 2-3 渐开线齿轮传动啮合原理图chematic drawing of the involute gears meshing transmission接触线长度接触应力的大小与啮合过程中相互接触的齿对数量态时，其接触线长度为单倍齿宽，此时的载荷仅接触线长度为两倍齿宽，载荷由啮合的两对轮齿共合分界点的位置与齿轮重合度有关，其表达式为 1 1 1 2 2 arccos arccosb a b a R R tg z tg R R t —齿轮齿顶圆半径(mm)；—齿轮齿数。应力数学建模入式(2-6)及式(2-8)中，可得 x 0处最大法向力 p0

- 24 -三维曲面图 等值线图d) 摩擦系数 μ=0.6图 2-7 不同摩擦系数时主剪应力分布Fig. 2-7 Principal shear stress of the different frictional coefficient
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V414.1;TH132.41

【参考文献】

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1 黄华梁,李柯;渐开线圆柱直齿轮本体温度的边界元法分析[J];机械设计;1993年01期

本文编号：2711582