齿轮传动的磨损自修复

莫云辉, 张黎明, 王帅宝, 陶德华

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)

齿轮传动的磨损自修复

莫云辉, 张黎明, 王帅宝, 陶德华

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)

研制适用于钢/钢摩擦副的含软金属 Sn,Zn粉体的自修复润滑剂,在摩擦磨损试验机上考察该润滑剂的修复性能和摩擦学性能,用 ANSYS软件仿真计算齿轮传动的齿面接触应力.研究结果表明,研制的 Sn-Zn修复润滑剂可在钢表面摩擦形成修复层,在不同载荷下有良好的减摩和抗磨性能.仿真计算结果显示,该修复润滑剂可使修复齿面的接触应力降低 16.7%.

软金属添加剂;自修复;齿轮传动;摩擦磨损;接触应力

齿轮传动是最重要的机械传动之一.齿轮的失效多为齿面失效.当发生各种齿面损伤时,齿轮不仅无法正常运转,影响其工作精度,还可能引起机器的振动和噪音[1-2].因此,改善齿轮的表面性能,使其具有优异的减摩、抗磨性能以及较高的表面强度和较长的使用寿命,就必须在出现齿面损伤时,对问题表面进行及时修复,并在不停机、不拆卸的情况下进行原位动态修复.国内外学者已对磨损表面的自修复进行了研究和探索[3-8],但由于齿轮的齿廓为渐开线曲面,具有特殊性,因此对齿轮的相关研究文献甚少.本研究针对齿轮常采用的钢/钢摩擦副,设计了一种具有自修复功能,含 Sn,Zn软金属粉体的润滑剂,并试验考察了该润滑剂的润滑修复性能和摩擦学性能.最后,用 ANSYS有限元软件分析对比了钢 /钢齿轮传动的齿面接触应力和修复齿面的接触应力.

1 试验部分

1.1 润滑剂的制备

将质量分数为 20%的微米级 Sn粉、15%的 Zn粉、15%的芳香酸类衍生物活性剂与 50%的 00号脂[9]混合,在高速乳化均质机上以 16 000 r/min的转速搅拌均匀,制成 20Sn15Zn半流体脂.Sn的粒径小于 50μm,Zn的粒径小于 30μm.

1.2 试验条件和修复试验

试验在MS-800型摩擦磨损试验机上进行.上试样与上主轴连接,其材料为 GCr15钢,表面硬度为 59～61 HRC;下试样材料为 45#钢,表面硬度为42～50 HRC.上试样为圆环形,内径为 9.0 mm,外径为13.0 mm,下试样厚度为 0.4 mm.上、下试样为环 /面接触,取上主轴转速为 500 r/min,修复载荷为300 N.

在钢 /钢摩擦副之间加入适量 Sn-Zn修复润滑剂,观察摩擦副在相对运动和摩擦中能否在钢表面形成摩擦涂层.

1.3 摩擦磨损试验

在MS-800型试验机上测试 Sn-Zn润滑剂的摩擦磨损性能.取 VG10号白油为对比润滑剂,测试二者在 100～400 N载荷下的摩擦系数和磨损量.每级载荷的试验时间为 10 min.

2 齿轮传动的 ANSYS仿真分析

齿轮传动是一种线接触传动,由于工作时受载荷作用会发生局部变形,使线接触变为局部的面接触,因此,应对齿轮传动开展自修复试验研究.当齿轮的轮齿在工作中发生齿面损伤时,利用润滑剂中的修复剂微粒可在齿轮啮合过程中动态自修复,并使修复的齿面具有自适应效应.但修复后的齿面材料会发生变化,已不再是基体材料,故齿面的接触应力会发生改变.受限于试验条件和设备,本研究采用ANSYS软件仿真分析齿轮表面的接触应力,并分两种情况进行对比:①钢/钢齿轮副的齿面接触应力分析;②修复后齿面的接触应力分析.

2.1 创建齿轮副实体模型

由于标准直齿轮的齿廓曲线是渐开线,因此,建模的关键在于如何确定精确的渐开线.渐开线的极坐标参数方程[10]为

式中,rb为基圆半径,rk为渐开线上 k点的向径,αk为 k点的压力角,θk为 k点的展角.

通过给定基圆半径 rb,应用式 (1),以αk为变量,可画出渐开线;再通过镜像可得到一个完整的齿廓齿形;最后对齿形进行拷贝或阵列即可生成研究需要的两个齿轮.具体研究实例如下:直齿轮传动的小齿轮齿数 z1=20,大齿轮齿数 z2=40,模数 m=3 mm,转矩 T=100 N·m.由于齿轮副在节点处的受载最大,故只分析节点处的接触应力情况.

设载荷沿齿宽均匀分布,将其简化为二维平面问题进行分析[11].由于小齿轮的工作循环次数比大齿轮多,更容易发生疲劳点蚀,故设小齿轮的齿面受损处修复形成了 Sn-Zn涂层,取涂层厚度为20μm[12].

2.2 模型的网格划分

生成单元和节点的网格划分是实体建模的最终目的,其过程包括两步:①定义单元属性;②定义网格生成控制并生成网格.

假设接收天线阵列中各个天线单元都是匹配的，则[ar]=0。若整个N+M端口传输系统的传输效率达到最大，式(1)可以化简为[9-10]

选用具有 4个节点的 solid182单元作为两齿轮的实体单元,相对于三角形单元而言,具有更高的计算精度.大、小齿轮的材料均取 45#钢,弹性模量 E=206.00 GPa,泊松比γ=0.3.通过自由网格划分命令使两齿轮生成网格.为了得到更加精确的解,需要对轮齿啮合区域的网格进行细分,图 1为钢 /钢齿轮副的有限元模型.对于齿面有 Sn-Zn涂层的小齿轮与大齿轮的啮合模型,先用纳米压痕法测得涂层的材料属性如下:涂层材料的弹性模量 E1=44.88 GPa,泊松比γ1=0.25[12].通过自由网格划分命令使两齿轮生成网格,再对啮合区细化,得到齿面有 Sn-Zn涂层的小齿轮 /大齿轮副的有限元模型 (见图2).

图 1 钢 /钢齿轮副啮合的有限元模型Fig.1 Fin ite element model of steel/steel gear pair

2.3 创建接触对

利用 ANSYS软件接触向导,通过目标单元和接触单元来定义目标面和接触面.以主动小齿轮齿廓面为接触面,以从动大齿轮齿廓面为目标面,设置刚度接触因子 FKN,最大渗透量 FILON和摩擦因子 f分别为1.0,0.1和 0.3.

图 2 齿面有 Sn-Zn涂层的小齿轮 /大齿轮啮合有限元模型Fig.2 Fin ite element model of gear pa ir w ith Sn-Zn coatings

2.4 定义边界条件和载荷

正确地施加约束和载荷是有限元分析的关键.首先,在大齿轮中心点建立局部柱坐标系,约束大齿轮安装孔表面上节点的所有自由度;然后,把当前坐标系转换为柱坐标系,约束小齿轮安装孔表面上节点的径向自由度,使其只能绕中心轴转动;最后,在小齿轮安装孔表面节点周向施加载荷 Fy,即

式中,T为转矩;N为节点数,取 N=40;r为安装孔半径 ,取 r=15.0 mm.

3 结果与分析

3.1 修复性能分析

试验发现,Sn-Zn润滑剂在光滑的钢试样表面不形成涂层,而在划痕的表面上形成了修复涂层(见图 3),这说明该 Sn-Zn自修复润滑剂适用于钢 /钢摩擦副的修复,并且修复剂的微粒对修复表面具有选择性,即只对划痕损伤处进行填补和修复.

图 3 钢试样上的 Sn-Zn摩擦涂层Fig.3 Sn-Zn fr iction coatings on steel sample

对试样称重后发现,试验后的试样较原试样质量增加约2.5 mg.能谱议 (energy dispersive spectroscopy,EDS)分析显示,深度为 1μm处,Sn,Zn的原子数分数分别为 48%和 9%,修复后的表层含有润滑剂的特征元素,这说明 Sn,Zn软金属微粒对摩擦界面具有渗透作用.扫描电镜 (scanning electronic microscope,SEM)分析结果表明,修复涂层厚度约为10～20μm[12].

摩擦修复机理是指在摩擦过程中,Sn,Zn软金属微粒在机械和摩擦化学等作用下向摩擦副转移,在损伤的摩擦副表面形成转移膜或保护层,使摩擦发生在转移膜或保护层之间,从而实现磨损表面的自修复,其修复性能以及之后的摩擦磨损试验均表明,Sn和 Zn具有良好的协同效应.

3.2 摩擦磨损性能分析

表1为载荷对摩擦系数的影响.可以看出,在各级载荷下,白油和 Sn-Zn润滑剂的摩擦系数均随载荷的增大而增大,其中白油润滑时的摩擦系数较大.当载荷为 400 N时,试验机出现强烈振动,试验中止.用 Sn-Zn脂润滑修复的试样表面,摩擦系数相对较小,载荷增大时虽有上升,但增幅甚微,表现出较好的减摩性能.

表1 载荷对摩擦系数的影响Table 1 Fr iction coeff icient under vary loads

表2为磨损量与载荷的关系.在各级载荷下,白油润滑时的钢试样均发生磨损,磨损量随载荷的增大而增大.用 Sn-Zn脂润滑修复的试样在各级载荷下均呈现负磨损,显示了较好的抗磨性能.可见,Sn,Zn元素在金属表面的渗入,使摩擦表面具有较高的减摩、抗磨特性.

表2 载荷对磨损量的影响Table 2 W ear mass loss under vary loads

3.3 ANSYS仿真求解分析

接触应力求解结果如图 4和图 5所示.由图 4可见,钢 /钢齿轮副的最大接触应力为 622 MPa,修复后的小齿轮与大齿轮在节点处的最大接触应力为518 MPa(见图 5),齿面接触应力降低了 16.7%,提高了齿面疲劳寿命.

图 4 钢 /钢齿轮副在节点处的接触应力Fig.4 Tooth contact stress at p itch point of steel/steel gear pa ir

图 5 齿面有 Sn-Zn涂层的小齿轮 /大齿轮在节点处的接触应力Fig.5 Tooth contact stress at p itch point of gear pair w ith Sn-Zn coatings

4 结 论

(1)本工作研制的 Sn-Zn自修复润滑剂具有明显的磨损自修复效应,能在钢/钢摩擦过程中选择性地修复受损表面并形成修复层.

(2)自修复 Sn-Zn润滑剂在 100～400 N载荷条件下,对钢 /钢摩擦副有良好的减摩、抗磨作用.

(3)用于齿轮传动的ANSYS软件仿真分析结果表明,形成修复涂层的齿面接触应力降低了16.7%.

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Self-Repa irm en t of W ear ing in Gear Tran sm ission

MO Yun-hui, ZHANG L i-m ing, WANG Shuai-bao, TAO De-hua

( School ofM echatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

A type of self-repairing lubricant containing Sn and Zn powder additives and suitable for steelsteeltribo-pair is developed. Its repairing and tribological p roperties are reviewed on a rebuilding modelMS-800 tester. The tooth contact stress of gear transm ission is calculated w ith ANSYS. The findingsshowed that repairing coatings can be formed on steel surface because of the Sn-Zn self-repairinglubricant, which has good anti-friction and anti-wear p roperties under different loads. Simulation resultsindicate that tooth contact stress is reduced by 16. 7% after repairing w ith the lubricant.

soft metal additive; self-repairing; gear transm ission; friction and wear; contact stress

TH117.3

A

1007-2861(2011)01-0090-04

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.01.015

2010-04-06

上海大学研究生创新基金资助项目(A16010909726)

莫云辉 (1953～),女,副教授,博士,研究方向为摩擦学、微纳米添加剂和摩擦涂层、机械设计.E-mail:moyunhlaosh@yahoo.com.cn

(编辑:赵 宇 )