设备设计/诊断维修/再制造
现代制造工程（ModernManufacturingEngineering）
高速直齿轮本体温度场的仿真与试验研究
彭杰，刘少军，胡小舟，陈君
（中南大学机电工程学院，长沙410012）
2014年第11期
摘要：综合运用齿轮晒合学、摩擦学和传热学知识，精确计算了轮齿不同晒合位置的摩摄热流密度以及轮齿啮合面、端面的对流换热系数。利用ANSYS软件建立了直齿轮单个轮齿的有限元模型，获得了轮齿的本体温度场，分析了扭矩、转速以及润滑油输入温度等关键参数对轮齿本体温度场的影响。研究结果表明：轮齿最高温度区域分布在轮齿啮合接触面的中心部位，轮齿啮合面温度沿齿宽方向近似呈抛物线分布；轮齿的最高温度随扭矩、转速和润滑油输人温度的增加
而增加；仿真值和试验值基本吻合，证明仿真分析方法可用于齿轮本体温度场的研究。关键词：高速直齿轮；热流密度；对流换热系数；本体温度场
中图分类号：TH132.4文献标志码：A文章编号：1671—3133(2014)11—0121—06
Simulation and experimental study on the bulk temperature
field of high-speed spur gear Peng Jie,Liu Shaojun,Hu Xiaozhou,Chen Jun
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Central SouthUniversity,Changsha 41o012,China)
Abstract : With the comprehensive application of gear meshing,friction and thermal conduction, heat flux and heat transfer coeffi-cient for the contact surface and end faces in different meshing position were analyzed precisely. The finite element model of a sin-gle tooth was built up in ANSYS, and the bulk temperature field of the tooth was obtained; besides,the effect of torque , speed and oil input temperature on the bulk temperature field was also analyzed. The study results show that the highest temperature field of the tooth distributes in the center of the gear meshing position,and the bulk temperature of the contact surface is nearly in para-bolic distribution along the tooth width. The highest temperature of the tooth increases with the increase of the torque, speed and oil input temperature. The simulation results coincide with the experimental results, and the simulation methods can be used for the study on the bulk temperature field of spur gear.
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0引言
高速运转的齿轮最常见的失效形式是齿面胶合。胶合与润滑油膜厚度和齿面温度有关，而齿面温度会影响润滑油膜的厚度1，因此，齿面温度是影响齿面胶合的最重要因系。此外，齿轮在高速重载工况下，摩擦生热量很大，不仅对传动系统的整体温度场产生影响，同时因啮合齿面的高温产生的过大热变形，将会严重影响齿轮传动的性能、工作可靠性及其使用寿命2]所以，研究齿轮本体温度场是非常有意义的。
对于齿轮本体温度的研究，刘志全13]、马4和黄飞3等人采用热网络法分别研究了某直升机传动系统、ZD-0减速器以及行星减速器的稳态温度场，得出了齿轮的本体温度值，但是都没有得出整个轮齿本
体温度的分布。龚宪生等人时对行星齿轮的本体温度进行了研究，但对未修形的齿轮在双齿接触区没有考虑载荷分配不均的问题。苏青汀等人采用ANSYS 软件获得了重载齿轮的稳态温度场，但是计算热量时没有考虑摩擦因数沿啮合位置的变化。明兴祖"等人对螺旋锥齿轮啮合特性进行了研究，得出广本体温度场，但是假定热量是平均分配的，并且没有考虑啮合线上每个啮合点的摩擦因数的变化。
以上文献为了计算方便，简化了摩擦热流密度的计算，并缺乏相关试验对齿轮的本体温度场进行验证。为了更加精确地研究直齿轮本体温度场，本文在考虑载荷分配、热量分配和摩擦因数沿啮合位置变化的基础上，精确计算了齿轮不同啮合位置的摩擦热流密度：采用有限元法获得了齿轮本体温度场，并用试
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