一种弧齿锥齿轮副磨损故障预测及其啮合特性分析方法

本发明涉及齿轮，具体涉及一种弧齿锥齿轮副磨损故障预测及其啮合特性分析方法。

背景技术：

1、直升机的飞行性能主要依靠其传动系统的可靠性和稳定性。同时，由于弧齿锥齿轮传动平稳，具有良好的承载能力以及能够改变力矩的传递方向等优点，所以直升机传动系统广泛采用弧齿锥齿轮进行传动。但由于直升机在飞行过程中需要不断转变方向和速度，导致传动扭矩不断变化及齿轮啮合冲击增大，进而增加了直升机弧齿锥齿轮产生磨损故障的风险。所以对弧齿锥齿轮磨损故障演化进行研究十分重要?；〕葑冻萋钟捎谄涑菝娣浅８丛?，且齿面啮合属于局部点接触，在进行建模分析的时候存在一定的难度，且仅有少数现有技术以弧齿锥齿轮为研究对象开展磨损研究。目前，弧齿锥齿轮磨损研究方法主要有两种，第一种为：以齿轮箱内油液颗粒浓度对磨损量进行间接表示，但需要不断提取油液检测，耗时耗力。第二种为：基于arrhenius方程预测表面磨损，但计算效率低。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种便于操作、计算效率高的弧齿锥齿轮副磨损故障预测及其啮合特性分析方法。

2、技术方案：本发明所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法包括：考虑安装误差对弧齿锥齿轮副依次进行轮齿空载接触分析、承载接触分析，所述弧齿锥齿轮副包括相互啮合的大齿轮和小齿轮，大齿轮实际接触小齿轮的地方为若干个啮合点，预测接触的地方为若干个潜在接触点，计算所述潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力；基于archard模型根据所述潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力对所述弧齿锥齿轮副进行磨损预测，输出磨损量。

3、进一步的，所述安装误差由弧齿锥齿轮副从轮坯坐标系转化到装配坐标系时引入。

4、进一步的，所述安装误差包括轴交角安装误差、大齿轮轴向安装误差、小齿轮轴向安装误差、偏置距安装误差。

5、进一步的，所述轮齿空载接触分析将弧齿锥齿轮副从轮坯坐标系转化到装配坐标系；空载时，大齿轮和小齿轮之间以所述啮合点接触啮合，受载时，大齿轮和小齿轮之间以椭圆面接触啮合，所述潜在接触点位于所述椭圆面的长轴上。

6、进一步的，进行所述承载接触分析时，对小齿轮施加扭矩，计算并输出所述潜在啮合点对应的受载情况。

7、进一步的，所述受载情况由下式计算：根据当前齿面间隙进行变形协调，得到潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力：

8、；

9、式中，为潜在接触点的齿面间隙；为承载传动误差；为接触力的合力；为接触柔度；为潜在接触点柔度矩阵；为元素全是1的n×1矩阵；为潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力。

10、进一步的，在所述磨损预测中，单次磨损量由下式得到：

11、；

12、式中，为大齿轮的相对滑移距离；为小齿轮的相对滑移距离；为磨损系数；为大齿轮单次磨损量；为小齿轮单次磨损量；为潜在接触点的接触应力，根据潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力由下式计算得到：

13、；

14、式中，为潜在接触点的接触应力；为潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力；为潜在接触点之间的距离；为小齿轮曲率半径；为大齿轮曲率半径；为小齿轮的泊松比；为大齿轮的泊松比；为小齿轮弹性模量；为大齿轮弹性模量。

15、技术方案：本发明所述的弧齿锥齿轮副啮合特性分析方法包括：

16、设定最大磨损次数、磨损量阈值、最大磨损量、磨损循环次数，计算所述单次磨损量；

17、对弧齿锥齿轮副进行磨损迭代循环，进行所述磨损预测，在超过磨损阈值后，基于新的齿面间隙进行变形协调，之后统计磨损累积量与对应的磨损累积次数并输出；

18、计算特定磨损累积次数下的啮合特性。

19、进一步的，所述磨损迭代循环包括：通过下式计算达到所述磨损量阈值时对应的磨损次数阈值：

20、；

21、式中，为大齿轮单次磨损量；为小齿轮单次磨损量；为磨损量阈值；为磨损量阈值积累量；

22、当时，磨损累积量更新为、磨损循环次数更新为、磨损累积次数更新为、齿面间隙更新为，置0，进入下一次迭代；

23、若时，磨损累积量更新为、磨损累积次数更新为、磨损量阈值积累量，恢复磨损循环次数为设定值；当且时，进入下一次迭代；否则，停止迭代。

24、进一步的，所述啮合特性包括时变啮合刚度、齿面接触应力、传动误差；

25、根据下式计算时变啮合刚度：

26、；

27、式中，为第个潜在接触点的间隙；为接触力的合力；为承载传动误差；为时变啮合刚度；

28、根据下式计算齿面潜在接触点的接触应力：

29、；

30、式中，为潜在接触点的接触应力；为潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力；为潜在接触点之间的距离；为小齿轮曲率半径；为大齿轮曲率半径；为小齿轮的泊松比；为大齿轮的泊松比；为小齿轮弹性模量；为大齿轮弹性模量；

31、根据下式计算传动误差：

32、；

33、式中，为小齿轮的齿数；为大齿轮的齿数；为传动误差；为不同啮合时刻下小齿轮的转角；为不同啮合时刻下大齿轮的转角。

34、有益效果

35、本发明具有如下显著效果：1、本发明计算效率高，准确性高：本发明在考虑安装误差的基础上提出了弧齿锥齿轮副磨损预测及啮合特性分析方法，分析了安装误差对预测结果带来的影响，提高了方法的应用范围和精确度，并且本发明通过运用数值解析的方法，独创性地将承载接触分析与archard模型结合，计算将磨损量以数值的形式进行预测，不受限于操作人员的技术基础，进行磨损预测的同时，还能分析磨损后弧齿锥齿轮的啮合特性，计算效率高；2、本发明操作简便：本发明提出的弧齿锥齿轮磨损故障演化分析方法，基于数值分析实现，并且公式简练、过程简明，不受限于操作人员的技术基础，耗时较短，便于操作，有很大的应用价值。

技术特征：

1.一种弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，所述预测方法包括：

2.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，所述安装误差由弧齿锥齿轮副从轮坯坐标系转化到装配坐标系时引入。

3.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，所述安装误差包括轴交角安装误差、大齿轮轴向安装误差、小齿轮轴向安装误差、偏置距安装误差。

4.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，所述轮齿空载接触分析将弧齿锥齿轮副从轮坯坐标系转化到装配坐标系；空载时，大齿轮和小齿轮之间以所述啮合点接触啮合，受载时，大齿轮和小齿轮之间以椭圆面接触啮合，所述潜在接触点位于所述椭圆面的长轴上。

5.根据权利要求4所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，进行所述承载接触分析时，对小齿轮施加扭矩，计算并输出所述潜在啮合点与对应的受载情况。

6.根据权利要求5所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，所述受载情况由下式计算：根据当前齿面间隙进行变形协调，得到潜在接触点在啮合点法向方向上的分布力：

7.根据权利要求6所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法，其特征在于，在所述磨损预测中，单次磨损量由下式得到：

8.一种基于如权利要求1至7其中任一项所述的弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法的弧齿锥齿轮副啮合特性分析方法，其特征在于，所述啮合特性分析方法包括：

9.根据权利要求8所述的弧齿锥齿轮副啮合特性分析方法，其特征在于，所述磨损迭代循环包括：通过下式计算达到所述磨损量阈值时对应的磨损次数阈值：

10.根据权利要求8所述的弧齿锥齿轮副啮合特性分析方法，其特征在于，所述啮合特性包括时变啮合刚度、齿面接触应力、传动误差；

技术总结
本发明公开了一种弧齿锥齿轮副磨损故障预测及其啮合特性分析方法。其中，弧齿锥齿轮副磨损故障预测方法包括：考虑安装误差对弧齿锥齿轮副依次进行轮齿空载接触分析、承载接触分析，输出潜在接触点在啮合点法向力；基于Archard模型根据潜在接触点的法向力，输出磨损量。一种弧齿锥齿轮副啮合特性分析方法包括：对弧齿锥齿轮副进行磨损迭代循环，进行磨损预测，在超过磨损阈值后，基于新的齿面间隙进行变形协调，之后统计磨损累积量与对应的磨损累积次数；计算特定磨损累积次数下的啮合特性。本发明首创性地在考虑安装误差的基础上提出了数值分析方法，将磨损量准确直观地计算出来，便于后续的啮合特性分析。本发明具有操作简便、计算效率高的特点。

技术研发人员：李占伟,张俊韬,王旦,梁睿君,鲍和云,李苗苗,陆凤霞,陈蔚芳,朱如鹏
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24