星形人字齿轮传动热流耦合仿真及影响因素分析

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星形人字齿轮传动系统具有结构紧凑、承载能力强、功率密度高等特点,是齿轮传动涡扇(GTF)发动机的主要传动形式。高速重载齿轮传动系统中,齿面相对滑动速度高,啮合区域摩擦生热量大,若润滑冷却性能不佳,可能导致齿面温度过高引起齿面胶合失效,或是因齿轮热变形量过大影响齿轮副的啮合特性,从而降低传动系统承载能力,加剧齿轮系统振动噪声。因此,开展星形人字齿轮传动系统热流耦合仿真及影响因素分析,对改善传动系统润滑冷却性能,提高传动系统运行可靠性具有重要的理论意义和应用价值。本文针对星形人字齿轮传动系统,开展齿轮系统喷油润滑设计及流场仿真、人字齿轮副混合弹流润滑分析、齿轮系统温度场仿真及影响因素分析。论文的主要研究内容如下:(1)建立星形人字齿轮传动系统内部流场仿真模型,借助Ansys/Fluent动网格技术模拟齿轮旋转过程,分析星形人字齿轮系统喷油润滑状态下气液两相流瞬态特性,得出箱内瞬时油液分布、流线分布、流体速度以及齿轮表面油气比例和对流换热系数。(2)考虑重载工况下齿面粗糙峰接触,基于Ree-Eyring非牛顿流体热弹流润滑分析方法,结合油膜和粗糙峰载荷分担理论,建立线接触副混合弹流润滑分析数值模型;得出齿轮副啮合过程齿面油膜分布状态,并计算了油膜摩擦系数及综合摩擦系数。(3)基于流场仿真和弹流润滑分析所得对流换热系数及综合摩擦系数,建立齿轮传动稳态温度场有限元模型,考虑齿面温度边界对弹流润滑状态的影响,迭代求得齿轮稳态温度;通过混合弹流润滑数值分析,计算啮合过程齿面瞬态温度,得出太阳轮齿面温升远大于行星轮和齿圈齿面,需重点关注其胶合承载性能。(4)利用齿轮胶合判定方法,计算了星形人字齿轮传动胶合承载能力,分析了不同输入转矩、不同齿面粗糙度下星形人字齿轮传动的弹流润滑特性、齿面热流密度及齿轮温度场,得出随齿面粗糙度和输入转矩增大,太阳轮和行星轮温度明显升高,胶合承载安全系数随之降低。
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