齿轮传动被广泛的应用于航空航天、高铁、风电、舰船以及精密机床等重要装备，在交变载荷作用下，齿面不可避免的产生接触疲劳，并萌生点蚀、剥落、裂纹及轮齿断裂等故障，严重影响传动系统传递精度，甚至造成严重安全事故。为了及时预防齿轮故障造成的灾难性事故，有必要研究故障产生机理及故障特征规律。但是，研究齿轮传动系统存在多齿面接触、运行工况多变，且影响齿面接触疲劳裂纹萌生的因素较多，粗糙齿面形貌特征的复杂性给齿轮接触疲劳机理研究带来了极大困难，在对齿轮接触疲劳裂纹萌生变化规律机理还未被完全解明的情况下，难以对齿轮故障特征进行进一步研究。因此，亟需对粗糙齿面微凸体接触对齿轮接触疲劳的影响进行研究，揭示其对裂纹萌生机理及对疲劳寿命的影响规律，研究裂纹在不同阶段的时变刚度及不同载荷下的初始裂纹寿命，为丰富和完善齿轮初始裂纹故障演化机理研究提供坚实理论依据和实践支撑。
　　本文以某齿轮箱二级减速直齿轮为研究对象，基于疲劳接触理论，利用真实齿面微凸体参数，研究直齿轮接触疲劳裂纹萌生机理；建立了微凸体有限元接触模型和时变啮合刚度模型，研究粗糙齿面微凸体对裂纹萌生影响变化规律，并对初始裂纹萌生及扩展寿命进行预测。主要研究内容如下：
　　①基于Hertz接触理论，建立考虑微凸体顶点曲率半径、微凸体高度和密度的单微凸体接触及粗糙齿面接触模型。通过真实粗糙齿面形貌特征实测参数，研究微凸体变形的三个阶段及齿轮次表面应力—应变场分布，分析基体变形对齿轮应力应变的影响，厘清微凸体曲率半径、高度密度对接触载荷和接触面积的内在关联，揭示轮齿表面初始裂纹的萌生机理。
　　②通过原子力显微镜AFM检测试样齿面任意处区域，得到齿轮接触表面形貌坐标点数据。根据实测齿轮表面形貌数据，利用MATLAB对数据简化重构出表面形貌特征。对不同表面形貌特征进行简化，建立了单微凸体和考虑基体变形的单微凸体有限元模型，研究基体变形对微凸体弹塑性接触的影响规律。为了对比分析粗糙峰分布密度和方向相关特征对次表面冯米塞斯应力的影响，选取多种不同的粗糙峰分布形式，并建立了多种不同粗糙形貌有限元接触模型。通过次表面最大冯米塞斯应力的变化，指出了不同粗糙峰分布对初始疲劳裂纹萌生部位的影响规律。
　　③基于能量法，分别计算初始裂纹萌生于齿根位置和分度圆位置的时变啮合刚度，研究分析了两种初始裂纹部位对齿轮时变啮合刚度的影响规律。计算了多种不同初始裂纹长度的时变啮合刚度，并通过有限元法计算齿轮啮合刚度，对基于能量法建立的分度圆计算模型进行了验证。
　　④利用有限元分析得到的齿轮应力应变数值，通过多轴疲劳寿命理论，Coffin-Manson模型和Smith-Watson-Topper模型，对比分析不同粗糙峰分布形式和形貌特征对齿轮啮合初始裂纹萌生寿命的影响。并通过有限元法得到初始裂纹应力强度因子，分析计算在不同初始裂纹的扩展寿命。