支承刚度及齿面涂层对斜齿轮副啮合特性的影响研究_贾纪鹏.pdf
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1、第 30 卷第 1 期2023 年 2 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.1Feb.2023支承刚度及齿面涂层对斜齿轮副啮合特性的影响研究贾纪鹏1,臧立彬1,陈勇1,林霄喆2,陈杰3,武一民1(1.河北工业大学 天津市新能源汽车动力传动与安全技术重点实验室,天津 300130;2.吉利汽车动力总成研究院,浙江 宁波 315336;3.浙江吉利动力总成有限公司,浙江 宁波 315800)摘 要:支承刚度对自动变速器齿轮副的啮合质量有着重要影响,研究支承刚度及齿面涂层对斜齿轮副啮合特性的影响具有重要意义。以某七挡双离合自
2、动变速器的一挡斜齿轮副为研究对象,建立了2种不同支承刚度的齿轴系统刚柔耦合模型,分析了不同工况下支承刚度对斜齿轮副啮合特性的影响规律;通过FCL250H齿轮精测试验台得到有/无磷酸锰转化涂层齿轮的齿形齿向参数,并将其代入有限元模型进行仿真分析;进行齿轮接触疲劳点蚀实验,对比齿面涂层处理前后齿轮的接触疲劳寿命,并从齿轮表面形貌、动力性能及跑合性能等角度进一步揭示了涂层的强化机理。研究结果表明:齿轴跨度增大,支承刚度减小,则齿轮单位长度所受最大载荷和啮合错位量对输入扭矩的变化更为敏感;有涂层齿轮跑合后更有利于啮合,其疲劳寿命得到提高。研究结果为汽车自动变速器齿轮传动系统的结构优化和齿轮疲劳寿命的提
3、高提供了参考。关键词:支承刚度;自动变速器斜齿轮;磷酸锰涂层;啮合错位;跑合特性中图分类号:U 463.2;TG 174.4 文献标志码:A 文章编号:1006-754X(2023)01-0048-09Study on the influence of support stiffness and tooth surface coating on the meshing characteristics of helical gear pairJIA Ji-peng1,ZANG Li-bin1,CHEN Yong1,LIN Xiao-zhe2,CHEN Jie3,WU Yi-min1(1.Tian
4、jin Key Laboratory of Power Transmission and Safety Technology for New Energy Vehicles,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Geely Powertrain Research Institute,Ningbo 315336,China;3.Zhejiang Geely Powertrain Co.Ltd.,Ningbo 315800,China)Abstract:Support stiffness has an important inf
5、luence on the meshing quality of the gear pair of automatic transmission.It is of great significance to study the influence of the support stiffness and the tooth surface coating on the meshing characteristics of the helical gear pair.Taking the first helical gear pair of a seven-shift double-clutch
6、 automatic transmission as the research object,two rigid-flexible coupling models of the gear shaft system with different support stiffness were established,and the influence of the support stiffness on the meshing characteristics of the helical gear pair under different working conditions was analy
7、zed;the tooth profile and tooth direction parameters of the gear with/without manganese phosphate conversion coating were obtained through the FCL-250H gear precision test bench,and were substituted into the finite element model for simulation analysis;the gear contact fatigue pitting test was carri
8、ed out to compare the contact fatigue life of the gear before and after the coating treatment,and the strengthening mechanism of the coating was further revealed from the aspects doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.001收稿日期:2021-12-17 修订日期:2022-04-08本刊网址在线期刊:http:/ 勇(1954),男,北京人,教授,博士生导师,博士,从事汽车系统动力
9、学、高强度齿轮摩擦学等研究,E-mail:,https:/orcid.org/0000-0002-8275-4492第 1 期贾纪鹏,等:支承刚度及齿面涂层对斜齿轮副啮合特性的影响研究of the gear surface morphology,dynamic performance and running-in performance.The results showed that the support stiffness decreased with the increase of gear shaft span,and the maximum load per unit length
10、of gear and the amount of meshing dislocation were more sensitive to input torque changes;after running-in,the gear with coating was more conducive to meshing,and its fatigue life was improved.The research results provide a reference for the structural optimization of the gear transmission system of
11、 automotive automatic transmission and the improvement of the gear fatigue life.Key words:support stiffness;helical gear of automatic transmission;manganese phosphate coating;meshing dislocation;running-in characteristic齿轮是汽车变速器传动系统的核心零部件。齿轮系统的传动性能和啮合特性是影响汽车变速器可靠性的关键因素,而支承刚度是影响齿轮正常啮合的重要因素之一。齿轮轴的弯曲、扭
12、转和变形均会破坏齿轮副的原始啮合状态,导致齿轮在啮合过程中产生偏载,加剧其疲劳点蚀失效1-2。表面涂层强化技术是在齿轮表面覆盖用以减小摩擦的固体润滑层,以提高齿轮的接触疲劳强度,提高齿轮的疲劳寿命3-5。因此,研究支承刚度及齿面涂层对斜齿轮副啮合特性的影响具有重要意义。由于支承刚度的不同,变速器齿轮在啮合过程中会发生偏载点蚀失效6-7。郑光泽等8通过构建变速器柔性壳体有限元模型,研究了柔性壳体对齿轮副动态啮合特性的影响。陈锐博等9通过建立行星传动平移扭转动力学模型,研究了轴向偏载对行星系统动态特性的影响规律。Wei等10考虑了时变啮合刚度、支承刚度及侧隙等因素,建立了六自由度动力学模型,并对斜
13、齿轮动态传递误差及振动稳定性进行了分析。为了改善齿轮偏载点蚀失效现象,郭凡等11-12研究了齿面修形对齿轮动态啮合特性的影响。Wang等13通过建立齿轮箱刚柔耦合动力学模型,分析了齿轮修形对齿轮箱动态特性的影响。Li等14基于有限元法研究了齿轮轴变形、齿廓修形及传递扭矩等对直齿轮啮合特性的影响。为了进一步提高齿轮接触疲劳寿命,王丽萍等15-16将表面涂层强化技术应用到齿轮抗疲劳点蚀中。Zhou等17通过建立接触疲劳寿命数值模型,对涂层齿轮在弹流润滑条件下的接触疲劳寿命进行了评估。Xiao等18通过建立涂层齿轮六自由度模型,研究了涂层的弹性模量对齿轮动态特性的影响。陈勇等19通过获取有/无磷酸锰
14、涂层齿轮的表面形貌特征,对涂层对齿轮接触强度的影响规律进行了研究。综上可知,学者们对支承刚度对齿轮啮合特性的影响及涂层对齿轮的强化效果已进行了研究,而对跑合后涂层对改善变速器齿轮在大支承跨度条件下偏载的机理还没有进行过系统的研究。为了研究不同支承跨度下齿轮副偏载失效的原因及表面涂层的强化效果,建立了不同支承刚度斜齿轮副的刚柔耦合模型,对齿轮副的啮合失准和偏载效应进行研究,分析载荷和转速对不同轴刚度齿轮副啮合特性的影响规律;利用FCL250H齿轮精测试验台对有/无磷酸锰涂层斜齿轮跑合前后的齿形齿向参数进行检测,结合仿真分析探究涂层对偏载状况的影响规律;进行齿轮接触疲劳点蚀实验,对齿轮点蚀破坏前后
15、的接触疲劳寿命进行对比分析,并从齿面啮合状态、表面粗糙度及振动加速度等角度进一步对涂层的强化机理和作用进行研究。1 齿轮啮合特性理论分析 1.1齿轮啮合错位量计算齿轮啮合错位是影响齿轮副传动系统稳定性及寿命的关键因素。选取某七挡双离合自动变速器的一挡斜齿轮副系统为研究对象。齿轮轴变形导致的齿轮啮合错位如图1所示。图中:G1、G2分别表示主、从动齿轮;l为支承跨度;z向为齿轮中心线的方向。齿轮啮合错位分为平行啮合错位、平行于啮合平面的角度偏差Mi和垂直于啮合平面的角度偏差Mj。平行啮合错位导致的重合度变化较小以及Mj引起的齿面接触区域无明显变化,因此可以忽略20。图1齿轮轴变形导致的齿轮啮合错位
16、示意Fig.1Schematic of gear meshing dislocation under gear shaft deformation 49工程设计学报第 30 卷 Mi使齿面接触面积减小,齿轮产生严重的啮合错位。齿轮啮合线坐标如图2所示,图中o-ij为齿轮啮合平面。则Mi为:Mi=Mxcos+Mysin(1)式中:为法向压力角;Mx为啮合平面相对于两齿轮中心线所在平面的垂直面的角度偏差,Mx=tan x;My为啮合平面相对于两齿轮中心线所在平面的角度偏差,My=tan y;x、y分别为4个轴承处所受径向力与x、y轴正方向之间的夹角。综合考虑主、从动齿轴系统变形fshn(n=1,2
17、),轴承位移fbe和箱体等零部件弹性变形fca对齿轮啮合错位的影响。主、从动齿轴系统变形引起的齿轮啮合错位可表示为21:Fx=Mi b+1.33B1fsh1+fsh2+fbe+fca(2)fshn=A0.023|1+2(100-k)k+|Klsd21()d1dsh4-0.3+0.3(bd1)2(3)式中:Fx为齿轮啮合错位量;b为齿宽;B1为方程系数,B1=0.51;fsh1、fsh2分别为齿轮与轴变形引起的主、从动齿轴系统变形量;A为单位齿宽所受平均载荷;k为输入功率占总功率的百分比,当总功率经单啮合传递时,k=0.8;s为齿轮距轴承支承中心位置的距离;d1为齿轮轴外径;dsh为齿轮轴内径;
18、K为主动齿轮相对于扭矩输入端的位置关系常数,当d1/dsh1.15且s/l0.3时,K=-0.48。fbe和fca可通过有限元法求解。1.2传动误差计算传动误差指沿啮合作用线方向齿轮实际输出转角与理想转角之间的偏差22,是表征齿轮振动不平稳性的主要指标,对齿轮啮合传动动态性能具有重要影响。其计算式为:Et=EA-FAA(4)式中:Et为传动误差;EA为齿轮的综合偏差,包括齿形偏差、齿距偏差等;FA为两齿面间的法向载荷;A为单位载荷作用下齿轮啮合线方向的变形量。2 齿轮传动系统有限元仿真 2.1齿轮传动系统和一挡齿轮箱模型一挡齿轮副决定着汽车自动变速器所能承受的最大扭矩,其对变速器的整体设计具有
19、重要影响,所以对一挡齿轮副进行分析、计算及试验具有重要意义。齿轮传动系统和一挡齿轮箱模型如图 3所示。一挡齿轮箱包括上下箱体和啮合齿轮副。根据齿轮箱轴承所需承受载荷的大小,选取传递效率及精度较高的深沟球轴承,在输出端采用能承受较大轴向载荷的角接触球轴承。润滑方式为上箱盖喷油泵喷油润滑。通过温度循环控制系统将油温控制在80。齿轮副的参数如表1所示。2.2不同支承刚度的齿轮刚柔耦合模型为探究支承刚度对斜齿轮副啮合特性的影响规律,建立2种不同支承刚度的齿轮刚柔耦合模型,如图4所示。按照试验工况选型,进行滚动轴承的建模及定位,并完成齿轮副系统的参数化建模。定义齿轮基体材料为20MnCrS5钢,热处理方
20、式为渗碳淬火,图2齿轮啮合线坐标示意Fig.2Schematic of gear meshing line coordinate图3齿轮传动系统和一挡齿轮箱模型Fig.3Models of gear transmission system and first gear box表1齿轮副参数Table 1Gear pair parameters参数齿数齿宽/mm变位系数模数/mm压力角/()螺旋角/()中心距/mm密度/(kgm-3)弹性模量/GPa泊松比主动齿轮1719.80.372 12.117.529937 8402100.3从动齿轮6016.9-0.099 4 50第 1 期贾纪鹏,等:
21、支承刚度及齿面涂层对斜齿轮副啮合特性的影响研究将小齿轮与输入轴进行集成,大齿轮与输出轴采用同步器方式安装。大支承跨度主动齿轮轴两端轴承之间的距离为185 mm,小支承跨度主动齿轮轴两端轴承之间的距离为107 mm。大、小支承跨度齿轴系统模型分别如图4(a)和(b)所示。根据齿轮箱三维装配模型,建立箱体有限元模型并进行网格划分,然后导入有限元软件与齿轴系统模型匹配,并将轴承中心点与箱体轴承孔邻近范围内的节点连接,进行仿真模型缩聚及读入缩聚后的刚度矩阵,完成后大、小支承跨度齿轮箱的有限元模型分别如图4(c)和(d)所示。仿真模型建立后,根据斜齿轮工况,分析在相同输入扭矩、不同输入转速及相同输入转速
22、、不同输入扭矩工况下不同支承刚度对齿轮偏载的影响。2.3仿真结果啮合错位会导致齿轮发生偏载,恶化齿面接触状态并增大齿轮发生疲劳点蚀破坏的可能性。齿轮偏载可通过从动齿轮齿面载荷(用最大单位长度所受载荷表示,以下简称单位长度载荷)的分布云图进行分析。从动齿轮齿面载荷分布云图如图5所示。由图5(a)可知,大支承跨度下从动齿轮齿面出现楔形接触区域,接触面积较小支承跨度小,存在明显的偏载现象,啮合齿面一侧发生局部应力集中,会加剧疲劳点蚀破坏;由图5(b)可知,小支承跨度下齿面接触区域为椭圆形,载荷沿齿宽方向均匀分布,无明显偏载现象,能够获得较理想的啮合质量。为进一步探究不同支承跨度下齿轮偏载的影响机理,
23、分析输入扭矩对齿面载荷的影响。当滚动角为25时,不同输入扭矩下从动齿轮齿面载荷变化如图6所示。由图6可知:在不同支承跨度下,单位长度载荷随输入扭矩的增大而增大;当输入扭矩相同时,小支承跨度下单位长度载荷比大支承跨度约大140 N/mm。在2 500 r/min、230 Nm工况下齿轮啮合错位理论值与仿真值的对比如表2所示。由表可知,理论值与仿真值的误差均在5%以下,验证了模型的准确性。设定输入转速为2 500 r/min,输入扭矩分别取为140,170,200,230,260,290 Nm,求解不同图4不同支承刚度的齿轮刚柔耦合模型Fig.4Rigid-flexible coupling mo
24、del of gears with different support stiffness图5从动齿轮齿面载荷分布云图Fig.5Distribution nephogram of load on driven gear tooth surface图6不同输入扭矩下从动齿轮齿面载荷变化Fig.6Variation of load on driven gear tooth surface under different input torques表2齿轮啮合错位理论值与仿真值的对比Table 2Comparison between theoretical value and simulation
25、value of gear meshing dislocation齿轮类别大支承跨度小支承跨度理论值/m21.782.82仿真值/m22.412.91误差/%2.792.95 51工程设计学报第 30 卷 工况下齿轮啮合错位量,结果如表3所示。设定输入扭矩为 230 Nm,输入转速分别取为 1 500,2 000,2 500,3 000,3 500,4 000 r/min,求解不同工况下齿轮啮合错位量,结果如图7所示。由表3可知,当输入转速一定时,随着输入扭矩的增大,啮合错位量呈线性增加,且大支承跨度下错位量的增幅明显高于小支承跨度;由图7可知,当输入扭矩一定时,2种支承跨度下啮合错位量随输入
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