航空航天——航空弧齿锥齿轮轮齿应力谱精确获取及分布估计.pdfVIP

航空弧齿锥齿轮轮齿应力谱精确获取及分布估计 王延忠, 刘旸, 陈燕燕,唐文,王段,张炜 北京航空航天大学 摘要:航空弧齿锥齿轮服役过程中工况恶劣，振动冲击多，工作过程中的轮齿随机应力谱分 布规律对弧齿锥齿轮的设计和寿命预测具有重要作用。根据弧齿锥齿轮动力学模型计算各 工况下的动载系数，利用Abaqus 建立综合考虑支持刚度变形和动载荷的弧齿锥齿轮加载接 触分析有限元模型，通过计算和处理得到弧齿锥齿轮工作过程中的齿面接触应力谱和齿根 弯曲应力谱样本，进而利用混合正态分布参数估计法对轮齿随机应力谱分布进行估计。 关键词:弧齿锥齿轮，Abaqus ，动载系数，轮齿应力获取，应力谱分布 1. 简介 航空弧齿锥齿轮是直升机传动系统最重要、最复杂的、最薄弱的动力元件。常处于高 速重载条件下工作，其工况恶劣，振动冲击多，齿轮失效导致的后果往往是灾难性的。精 确获取齿面应力谱的分布规律对航空弧齿锥齿轮的传动系统的设计和寿命预测具有重大意 义。 为了研究弧齿锥齿轮的轮齿随机应力谱分布，就有必要对齿轮应力进行分析。目前齿 轮应力计算分析通常是利用LTCA有限元法 （方宗德，1998；唐进元，2010 ），但都是建 立在静力分析基础上，并未考虑动力因素的影响。齿轮由于啮合刚度的时变性和制造误差 从而产生的振动和冲击，使得齿轮传递的载荷远大于静态载荷，国内外研究学者通常利用 集中参数法建立多自由度的齿轮振动模型,进而通过数值方法进行求解 （王立华，2007 ；王 三民，2003 ）。 本文根据航空弧齿锥齿轮传动系统的功率谱，通过对弧齿锥齿轮动力学模型进行数值 求解获取动载荷系数；建立弧齿锥齿轮加载接触分析有限元模型，将动载系数以及支撑刚 度和轴系变形量作为有限元模型的边界条件输入，精确获取各个工况下的轮齿应力，结合 各工况时间比对轮齿应力进行扩展得到齿面整个工作过程的随机应力数据样本，最后利用 混合正态分布参数法进行估计，得到弧齿锥齿轮整个工作过程中的轮齿随机应力谱分布规 律。 2. 弧齿锥齿轮系统参数和功率谱 弧齿锥齿轮的参数如表1 所示。 2016 SIMULIA 中国区用户大会1 表1. 齿轮相关参数. 齿数z /z 大端模数 齿面宽 中点螺旋角 压力角 齿顶高系数f 齿顶间隙系数c 1 2 m /mm b/mm β/ ° α/ ° s 24/71 5.55 45 35 20 0.85 0.188 弧齿锥齿轮工作功率谱如表2 所示，其中时间百分比 为该工况运行时间占所有工况运  行时间和的比例。 表2. 弧齿锥齿轮传动系统输入功率谱. 工况序号 功率（Kw） 转速（r/min） 时间百分比 扭矩（KN） 1 213 4625 24 439.8 2 280 4625 12.8 578.2 3 362 4625 19 747.5 4 427 4625 30 881.7 5 478 4625 15.2 987.0 3. 各工况下的弧齿锥齿轮动载系数获取 3.1 动力学数学模型的建立 在齿轮动力学模型中，两齿轮用集中质量和集中转动惯量来模拟，轴模拟成无质量的刚 体，用