航空齿轮触点损耗开断作用年限勘验方略的探讨

新技术新方法 2013-11-14 17:50:14
  疲劳裂纹的预测方法在航空齿轮的模拟分析中,应用有限元模型法预测疲劳裂纹萌生寿命。齿轮材料为12Cr2Ni4A,其力学性能参数如所示。齿轮的结构参数分别为:m=3.5,=20°,z=36,零变位系数,齿顶、齿根系数为标准参数。利用上面两个模型分析时,将轮齿作为悬臂梁模型,载荷按文献实施。假设材料起初无任何宏观缺陷,不考虑齿轮传递过程温度变化的影响。
  建立轮齿的二维弹塑性平面应变安定分析的有限元模型,如所示。材料模型为非线性各向同性和随动强化模型,忽略因加载区域塑性变形引起载荷变化的影响。齿轮在传动啮合中,载荷的作用位置由齿顶到齿根变化,对于齿轮一般最危险的载荷作用位置是齿顶。另外,由齿轮设计理论可知,齿顶和齿根处摩擦力最大。所以,本模拟计算综合考虑齿顶上的压力和摩擦力联合作用[3],以齿廓分度圆为研究对象,研究齿轮的弹性安定和塑性安定材料特性。
  分析结果通过有限元模型,对弹塑性安定材料响应,进行分别模拟。对于类似的载荷工况,在安定图上描述了压力和摩擦系数的综合模拟结果。在安定图上,不同的材料响应(弹性,弹性安定,塑性安定)的区域,依赖载荷因素P0/ke和摩擦系数综合的结果,P0为赫兹最大接触力。该图表明在应力或应变条件下,最大响应是在表层和表面出现。
  弹性安定材料响应-高周疲劳DangVan准则估价了弹性安定材料响应,其载荷点分别为:(,P0)=(0.30,1200MPa),(,P0)=(0.40,1100MPa)和(,P0)=(0.50,900MPa),如所示。方程(1)准则的估计,以DangVan图的形式描述如椭圆区域所示,表明弹性安定FE模拟的DV图以上材料响应点无裂纹萌生。
  塑性安定材料响应-低周疲劳利用有限元模拟显示出结构材料塑性安定特征,如所示,由此作为低周疲劳裂纹萌生估计的准则。通过3种载荷工况(考虑摩擦系数和接触压力)的模拟如所示。利用Coffin-Manson关系计算最大剪切应变平面的裂纹萌生疲劳循环数。由于考虑到压缩平均应力对最大主应变幅所在的平面的影响,利用SWT/Beste法计算了疲劳寿命。
  由结果可以看出Coffin-Manson关系和SWT/Beste方法计算裂纹萌生循环数的最大区别。在2和3状况下,裂纹萌生的最大循环数认为是由于在模拟中的低接触压力的原因,这样轮齿表面产生低周累积损伤。
  结论(1)对于高低周复合疲劳特征的航空齿轮进行接触疲劳寿命预测时,首先根据受载状况进行齿面接触的安定分析,确定出接触表面层在载荷谱内的弹性安定和塑性安定特征存在的条件,并针对不同特征分别进行疲劳寿命预测的思路是更符合实际的。(2)对于弹性安定特征,通过研究表明,DangVan准则可以作为高周疲劳循环的裂纹萌生准则。(3)针对塑性安定特征,利用Coffin-Manson关系和SWT/Beste方法,均可进行低周疲劳寿命的预测,但后者的预测结果显得更可靠一些。
   
 
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