机车牵引齿轮瞬态啮合接触模拟研究

来源：机械工程学报杂志2023年第22期北京时间：

作者：范伟, 赵鑫, 罗易飞, 温泽峰, 金学松

单位：西南交通大学牵引动力国家重点实验室 成都 610031

摘要：齿轮副是机械结构普遍采用的关键传动部件，其啮合接触状态直接影响机构运行品质。采用显式有限元法，建立三维齿轮副瞬态啮合接触模型，将齿轮副三维几何、弹性变形和系统振动等复杂因素考虑在内，于时域内重现轮齿间瞬态啮合接触，获得接触斑、法/切向接触应力、相对滑移及齿面磨耗的随时变化。齿面间滚动接触由基于罚函数的“面-面”接触算法求得，引入非牛顿弹流润滑摩擦，采用考虑部分弹流润滑的Archard模型计算齿面磨耗。以国内某大功率电力机车牵引斜齿轮副为例，分析理想齿形下速度和牵引系数对轮齿啮合接触行为的影响。发现65 km/h、100 km/h和120 km/h运行速度下，分别在经过0.008 s、0.011 5 s和0.012 s的动态松弛后基本建立起近似稳态啮合接触，轮齿进、出啮合导致齿轮副接触力在其理论解上下周期性波动。牵引系数增大会增加轮齿间接触力和应力，运行速度65 km/h下，牵引系数0.27对应的接触斑面积和每次啮合磨耗深度最值分别为432.22 mm2和32.94×10-9 μm，为牵引系数0.15下的1.2和1.6倍。速度增加会降低磨耗深度，牵引系数0.15下，120 km/h运行时每次啮合磨耗深度最大值较65 km/h下降低48%。未来可进一步引入齿面磨耗和疲劳损伤，为研究非理想条件下齿轮瞬态啮合行为及其影响提供基础分析工具。

关键词：齿轮副,显式有限元法,瞬态啮合接触,接触应力,齿面磨耗；

基金资助：国家自然科学基金(51675444)、四川省国际科技创新合作(2021YFH0006)和牵引动力国家重点实验室自主课题(2019TPL_T17)资助项目。