铝基复合材料斜齿轮与钢制蜗

1、XX大学硕士研究生学位论文选题报告及论文工作计划课 题名 称 铝基复合材料斜齿轮与钢制蜗杆传动啮合特性分析与研究学 号 1234567 研 究 生 ZB 专业、年级 机械工程2011级 所在院、系 导 师 HHH 副教授 副 导 师 选 题 时间 2012年 11 月 8 日 XX大学研究生院2012年 11月 8 日一、立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值 课题来源：自选课题。 选题依据和背景情况：齿轮传动运用领域的日益广泛，在各种领域中对于齿轮传动的要求也愈来愈高。要求齿轮传动在满足稳定性、承载能力、传动效率等基本性能指标的基础上，又能做到对传动机构的

2、重量和经济性能的最优化。在航空航天工业领域，每一个小零件的轻量化对于航空航天技术的进步都有着积极的意义。在航空航天领域内，大量的复合材料已投入使用，包括部分齿轮也已开始采用复合材料代替钢制蜗杆以减轻整体重量。随着科学技术的发展，生产成本的降低，在不久的将来，这些复合材料也必将越来越多的由军用走向民用。目前，汽车轻量化已经是汽车工业的大势所趋，大量复合材料已经投入到汽车工业，尤其是铝基复合材料在发动机活塞、刹车盘等零件上的使用已经日臻成熟。然而，在传递动力的齿轮材料方面，铝基复合材料的应用还很少。本课题正是基于这样一个背景下进行的研究。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方

3、法，在宏观上组成具有新性能的材料。复合材料按基体材料的不同可以分为金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料。复合材料起源于20世纪5060年代航空、航天和国防等尖端技术领域，至今仍然是这些领域最富有研究千里的战略性结构材料，带动着整个工业技术的进步。当下，许多性能优良的复合材料在航空、航天、汽车、电子、建筑、医疗等方面应用前景极为广阔。目前，相比较于聚合物基复合材料，MMCs在齿轮上的研究应用仍然很少，因此，研究MMCs齿轮对于齿轮传动轻量化研究有着重要的意义。在众多MMCs材料中，铝基复合材料（Al MMCs）相比较其他MMCs材料而言，其相对价格低廉，因此，Al MMC

4、s材料应用相对较为普遍。本课题研究中，我们将以Al MMCs材料齿轮为基本对象展开研究。Al MMCs齿轮与钢制齿轮相比，其重量轻、工艺性好、传动平稳、噪声小、无需润滑。在新的制造技术发明以前，Al MMCs的加工困难。对于连续纤维增强体的金属基复合材料，其各向异性明显，切削加工过程中极易分层脱粘；对于颗粒增强Al MMCs，由于增强体本身就是磨料，导致磨削加工困难。随着激光束加工等加工方法的兴起，以及先进道具的发展，Al MMCs的加工障碍正一步步得到解决。目前，Al MMCs齿轮还可以由粉末冶金等诸多方法制备。齿轮的主要用处有两个：一个是传递运动，另一个是传递动力。作为传递动力的齿轮来说，

5、其在传递过程中的传递效率、承载能力是我们关心的性能。在强调高速重载传递条件下，齿轮的寿命是我们所关心的。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此这不仅要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性。同时，也需要我们研究啮合区的温度场特性以及润滑特性，分析该温度场下齿轮材料是否仍然能满足使用要求，以及在这些特性下齿轮的失效问题。目前工业上对于Al MMCs材料在齿轮上尚未大规模使用，国内对于Al MMCs齿轮的啮合特性研究也

6、极少。由于Al MMCS齿轮本身的特殊性，需要对其与钢制蜗杆啮合特性进行分析研究，以寻找其区别于钢制齿轮的特殊性质。本课题所研究的核心就是MMCs斜齿轮与钢制蜗杆的啮合特性问题。 课题研究目的对于Al MMCs斜齿轮与钢制蜗杆的啮合特性，包括表面接触应力分析、齿根静强度限元分析、啮合区温度场特性等进行分析研究，为推广Al MMCs斜齿轮的实际应用提供一定的理论依据，同时也为今后研究适合齿轮传动的新型轻量化材料提供参考。 课题研究的理论意义：目前，Al MMCs已经应用到航空航天、汽车、电子封装领域，汽车上的部分零件如发动机活塞、齿轮箱、刹车片以及自行车链齿轮等都已经有铝基复合材料产品。然而，铝

7、基复合材料在齿轮上的应用研究还十分稀少。Al MMCs齿轮和钢制蜗杆的啮合过程中，不止有一个物理场，是一个多物理场耦合的过程。包括机械场（运动轨迹），位移场（应力应变），温度场等等。齿轮啮合运动会产生热，而热反过来又影响材料属性，润滑油的粘性等。只有将这些物理场都考虑进去，才可能比较真实的反映真实啮合过程的啮合性能。将弹性润滑理论应用于铝基复合材料料齿轮与钢制蜗杆的啮合研究，因弹流润滑问题的求解涉及到弹性变形和流体动力润滑之间的多物理量耦合作用的分析，计算难度较大。因而开展对Al MMCs斜齿轮与钢制蜗杆啮合特性的研究有着重要的理论意义。 课题的实际应用价值：复合材料齿轮的设计尚未有非常系统的

8、研究，而参照金属齿轮又会带来较大的差异性。之前我们尝试使用塑料和聚合物基复合材料斜齿轮与钢制蜗杆啮合，研究发现，虽然这些材料能在一定条件下实现良好的承载性能与润滑性能，然而得到的结果并不是非常理想，不能完全取代钢制材料，难以实现“以塑代钢”的目标。在这样的条件下，我们决定改变思路，不再拘泥于塑料材料或者聚合物基复合材料，不仅仅考虑轻量化的要求，更着重考虑性能上的取代。本课题的研究目的正是在于通过理论和实验两方面对复合材料斜齿轮在多物理场作用下的啮合性能进行研究，分析得出特定参数对于啮合特性特别是承载性能的影响，以便于为复合材料斜齿轮的工作运行参数的选取乃至其制造应达到的技术要求起到一定的指导作

9、用。Al MMCs在不同载荷下的磨损与温度联系十分紧密，通常磨损率随温度的增加而增加，而且存在一个临界温度，在临界温度以前，Al MMCs基本处于轻微磨损阶段，一旦过了临界温度，材料进入剧烈磨损阶段，磨损率陡然上升，达到一个较高值。这是由于随着温度的增加，材料的硬度和强度都会改变。同时随着载荷的增加，材料的临界温度也会随之降低。在齿轮啮合传动中，温度场、应力场的改变都会影响材料的临界温度，因此，对于Al MMCs齿轮的多物理场下的啮合特性研究显得很有必要。在整个研究过程中，将充分利用传统齿轮传动的成熟理论与经验，以及其他复合材料齿轮啮合特性研究，针对Al MMCs斜齿轮啮合过程中摩擦的特点，并

10、应用各种先进的数学工具与有限元分析软件，模拟分析该啮合摩擦过程，从理论上计算啮合区的油膜形状和压力的分布，摩擦系数以及摩擦力分布和变化的规律。随着Al MMCs强度和轻量化的优势越来越明显，该材料齿轮将在传动领域将有着越来越广泛的应用，对其与钢制蜗杆啮合过程中摩擦的研究与分析得到越拉越多的重视。对Al MMCs斜齿轮与钢制蜗杆啮合的摩擦学特性的研究正是为了给Al MMCs齿轮设计制造的技术标准提供更多的参考依据，这也就是该课题的实际运用价值。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；所阅文献的查阅范围及手段 国内外研究现状和发展动态：目前，国内尚没有人对于铝基复合材料齿轮进行专门的研究，即使在国际

11、上，相关研究也很少。但由于他们属于齿轮传动和复合材料的摩擦。所以我查了这两个方面的材料。总结了如下。MMCs按增强方式，可分为连续纤维增强和非连续增强两大类1。非连续增强MMCs是由短纤维、晶须、颗粒为增强物与金属基体组成的复合材料。增强物在基体中随机分布，其性能是各向同性的。非连续增强物的加入，明显提高了金属的耐磨、耐热性能，提高了高温力学性能、弹性模量，降低了热膨胀系数等2。非连续增强MMCs制造方法简便，制造成本低，适合于大批量生产，在汽车、电子、航空、仪表等工业中有广阔的应用前景3。美国学者Logsdon4等指出：MMCs发展的未来前景主要在于非长纤维增强，特别是碳化硅颗粒增强铝基复合

12、材料。在MMCs中，由于铝合金质量轻，价格低，来源广，所以铝基复合材料最早受到人们的重视和利用。康立忠5、S.Basavalajappa6、JenniferL.Gorezyca-Cole7、张永振等8对于SiC颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损影响因素进行了研究，提出了压力、温度等因素对于材料摩擦性能的影响。在钢制蜗轮蜗杆传动中，蜗轮轮齿的强度总低于蜗杆螺旋齿部分的强度，且蜗轮与蜗杆齿面间有较大的相对滑动，因而易产生胶合和磨损失效。在这一方面，天津大学的程福安9、大庆大学的龙慧10进行了系统研究。所以对于蜗轮与蜗杆材料除了要求足够的强度，更重要的是具有良好的磨合和耐磨性能。随着工程热性塑料的出现，

13、在世界范围内，对于复合材料齿轮啮合性能的研究受到了更多的关注。李磊11对于塑料齿轮与钢制蜗杆传动啮合特性从温度场、应力场等方面进行了深入研究，这对于本课题的研究思路有着指导意义。杨丽平12、Ivan Krupka13、T.Almqvista14等人采用数值方法法对直齿圆柱齿轮传动进行了弹流润滑数值分析, 得出了沿齿廓各啮合点的弹流压力分布及最小油膜厚度, 为齿轮传动的摩擦学设计提供了初步的理论依据。对于多物理场耦合分析，国内也有类似的研究。其中成果较突出的有北方交通大学的丁群15建立的流场、热场和应力场三者耦合的系统模型。模型的新颖性在于将三场的耦合分为三个过程：先进行热流场直接耦合分析求出换

14、热边界的对流系数，再进行流热场间接耦合分析求出温度场，最后进行热应力场的间接耦合分析求出热应力分布。傅云16关于复杂产品数字样机多性能耦合分析与仿真的若干关键技术研究及其应用中，关于多物理场耦合求解的本质就是各物理场仿真模型之间的信息传递和交互和多物理场耦合求解的各种方法对本课题的启发很大。符阳17在盘式制动器热机耦合的数值仿真与分析中，建立了三维循环对称有限元模型。利用非线性有限元多物理场方法，较真实地模拟了盘式制动器的制动过程，对本课题中对Al MMCs齿轮摩擦过程中的模拟有很大的启发作用。王翔18、郑正19等基于ANSYS对复合材料齿轮啮合进行了建模分析，为本课题建模提供了参照。 阅文献

15、的查阅范围及手段：主要查阅ZHH图书馆和XX大学图书馆的馆藏文献，并利用计算机通过网络检索数字化期刊以及其它专业网站的共享资源。其中包括：（1） 万方数据库（2） 中国期刊网（3） Elsevier数据库（4） Ei和Sci检索（5） 维普数据库（6） 超星电子书库 参考文献：1 赵玉涛，戴起勋，陈刚. 金属基复合材料M. 北京：机械工业出版社，20072 张力. 复合材料齿轮M. 北京：清华大学出版社，20123 刘彦强, 樊建中, 桑吉梅和石力开. 粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用J. 材料导报，2010 .124 Logsdon W.A.and Liaw P.K.:Tensile

16、. Fracture Toughness and Fatigue Crack Growth Rate Properties of Silicon Carbide Whisker and Particulate Reinforced Aluminum Metal Matrix Composites,Engineering Fracture Mechanics, 1986,Vol.24,No.5,737-7515 康立忠. SiC颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损的研究D.上海：上海交通大学,20086 S.Basavarajappa et al. Influence of sliding speed

17、 on the dry sliding wear behaviour and the subsurface deformation on hybrid metal matrix composite.Wear,2007,262:10077 JenniferL.Gorczyca-Cole, JamesA.Sherwood, JulieChen. A friction model for thermostamping commingled glass-polypropylene woven fabric. Composites,2007,Vol38,pp:393-4068 张永振，邱明，上官宝等.

18、高速干摩擦条件下铝基复合材料的摩擦磨损行为研究J. 摩擦学学报,2005,Vo25.4,pp:343-3479 程福安，孙海月，王树人. 蜗轮齿面温度的分布特征J. 天津大学学报，1996，Vol.29，pp：56-6010 龙慧，张广辉，罗文军. 旋转齿轮瞬时接触应力和温度的分析模拟J. 机械工程学报，2004，Vol. 40，pp：25-2911 李磊. 塑料蜗轮与钢制蜗杆的啮合性能研究D.上海：同济大学,200712 杨丽平，高创宽，贾枫美. 齿面润滑压力和油膜厚度的数值分析J.太原理工大学学报.2002.513 Ivan Krupka ,Punit Kumar , Scott Bair

19、 ,M. M. Khonsari,Martin Hartl. The effect of load (pressure) for quantitative EHL film thickness. Tribol Lett ,2010,Vol37,pp:613-62214 T. Almqvista,R. Larssonb. Thermal transient rough EHL line contact simulations by aid of computational fluid dynamics. Tribology International,2008.515 丁群, 谢基龙. 基于三维

20、建模的制动盘温度场和应力场计算J. 铁道学报,2004,Vo25.6,pp:34-3816 傅云.复杂产品数字样机多性能耦合分析与仿真的若干关键技术研究及其应用D.杭州：浙江大学，200817 符阳.盘式制动器热机耦合的数值仿真与分析D.北京：煤炭科学研究总院，200718 王翔，黄威，李进. 基于ANSYS的复合材料齿轮的有限元分析J. 武汉大学学报，2012，Vo58. 3，pp：215-22019 郑正，雷君相，罗宇舟. 基于ANSYS对塑料齿轮的结构静力学分析J. 制造业自动化，2010，Vo32.5,pp:163-16620 温诗铸, 黄平. 摩擦学原理M. 北京：清华大学出版社，2

21、00221 李特文. 齿轮啮合原理M. 上海：上海科学技术出版社，198422 刘忠明,王长路,张元国等. 中国齿轮工业的现状、挑战及2030年愿景J. 机械传动，2011，Vo35.12,pp:1-623 周储伟，杨卫，方岱宁. 金属基复合材料的强度与损伤分析J. 固体力学学报，2000，Vo21.2,pp:161-16524 欧阳求保，方浩，王文龙等. 铝基复合材料的摩擦磨损机理的应用研究J. 汽车工艺与材料. 2004.725 王亚幂.多场耦合系统设计技术与应用研究D.武汉：华中科学技术大学，200626 高雪官，辛一行，王统. 齿形参数对齿轮摩擦学性能的影响分析.机械设计与研究J，19

22、94.327 N.Natarajan et al. Wear behaviour of A356/25SiCp aluminium matrix composites sliding against automobile friction material.Wear,2006,261:81228 D. P. Myriounis, S. T. Hasan , T. E. Matikas. Microdeformation behaviour of AlSiC metal matrixcomposites, Composite Interfaces, 15:5, 495-51429 Tian Ta

23、ng, M.F. Horstemeyer, Paul Wang. Micromechanical analysis of thermoelastoplastic behavior of metal matrix composites, International Journal of Engineering Science, 51(2012), pp: 161-167.30 G. Minak, L. Ceschini, I. Boromei et al. Fatigue properties of friction stir welded particulate reinforced alum

24、inium matrix composites, International Journal of Fatigue, 32 (2010) 21822631 S. Dharmalingam, R. Subramanian and K. Somasundara Vinoth. Analysis of Dry Sliding Friction and Wear Behavior of Aluminum-Alumina Composites using Taguchis Techniques, Journal of Composite Materials, Vol. 44, No. 18/201032

25、 Y.Q. Wang, J.I. Song. Temperature effects on the dry sliding wear of Al2O3f/SiCp/Al MMCs with different fiber orientations and hybrid ratios, Wear 270 (2011) 49950533 A. Rutecka, Z. L. Kowalewski, K. Pietrzak. Damage development of Al/SiC metal matrix composite under fatigue, creep and monotonic lo

26、ading conditions, Procedia Engineering 10 (2011) 1420142534 Chunlin He, Qi Zhou, Jiangtao Liu et al. Effect of size of reinforcement on thickness of anodized coatings on SiC/Al matrix composites, Materials Letters 62 (2008) 2441244335 B.-R. Hohn, K. Michaelis, O. Kreil. Influence of surface roughnes

27、s on pressure distribution and film thickness in EHL-contacts. Tribology International,2006.236 Saeed M. 有限元分析ANSYS理论与应用M.2版. 王崧，董春敏，金云平，译. 北京：电子工业出版社，200537 机械设计手册编委会. 机械设计手册（单行本）齿轮传动M. 北京：机械工业出版社,2007三、研究内容1学术构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术 学术构想与思路及主要研究内容：本课题主要包括两部分内容：理论分析和计算机仿真模拟。首先基于Al MMCs斜齿轮与钢制蜗杆啮合的啮合模型

28、，参照复合材料摩擦学的理论，对其啮合摩擦学特性进行分析。应用弹性流体动力润滑理论，运用数值解法，得到弹流润滑油膜压力与膜厚的分布规律；其次考虑影响油膜厚度的因素，找到这些因素与油膜厚度的关系。油膜厚度是影响摩擦因数的重要因素，油膜厚度的分布确定之后可以计算出摩擦因子；然后根据上述的计算结果得出摩擦力的分布，推断出齿轮的磨损的分布和状态；最后针对齿轮和钢制蜗杆的啮合进行多物理场耦合有限元分析，找出速度、载荷、润滑条件等对铝基复合材料齿轮摩擦特性的影响规律。对其的摩擦的理论分析和计算机仿真，为对齿轮失效进行预测并为其如何有效减少齿轮的磨损提供理论依据。在研究内容的选定的过程中，主要是围绕啮合过程中

29、的啮合性能进行分析研究。其中包括：1.MMCs的摩擦理论关于复合材料斜齿轮与钢制蜗杆的的摩擦学特性的研究，目前国内外的研究已有一定成就，但针对MMCs齿轮的摩擦研究并没有成型。因此，可以参考钢制蜗杆蜗轮啮合模型进行建模，同时用铝基复合材料的干摩擦研究案例对本文的摩擦研究进行指导。2.建立计算啮合区油膜厚度数学模型齿轮传动系统的效率和寿命,很大程度上取决于齿轮传动的润滑性能。近40年来,弹性流体动力润滑理论日趋成熟,应用此理论建立铝基复合材料齿轮和钢制蜗杆啮合的弹性流体动力润滑的数学模型，运用数值法，获得弹流润滑油膜压力及形状的分布状态。分析油膜厚度与速度和载荷的关系。3. Al MMCs斜齿轮

30、和钢制蜗杆啮合区的摩擦系数的计算对于钢制齿轮而言，由于材料的影响, 钢制齿轮啮合接触的变形大,导致齿轮的膜厚沿啮合线的变化很不规则，考虑油膜厚度对摩擦系数的影响，计算出弹流条件下斜齿轮和钢制蜗杆啮合的摩擦系数。找出油膜形状分布与摩擦系数的关系。参考钢材料弹流润滑问题解决思路，充分考虑Al MMCs材料特殊性，研究其油润滑下的油膜形状与摩擦系数关系。4.探讨Al MMCs斜齿轮啮合过程中摩擦对齿轮失效的影响对SiC铝基复合材料齿轮的摩擦、磨损与润滑机理作深入、系统的研究。找出油膜厚度，摩擦系数，摩擦力三者的关系以及如何影响铝基复合材料齿轮的应力，应变，温度和齿轮的磨损。5.铝基复合材料齿轮摩擦的

31、多物理场耦合有限元分析多物理场耦合求解的本质就是各物理场仿真模型之间的信息传递和交互。齿轮的啮合过程包括多个物理场相关，如应力场、温度场等，在进行Al MMCs斜齿轮性能分析时需要综合考虑多物理场的耦合作用。 拟解决的关键技术：1.应用弹性流体动压润滑理论对Al MMCs斜齿轮啮合中油膜的形状和压力大小进行计算。2.摩擦力的计算以及摩擦力在啮合过程中的分布与变化的规律。3.根据多物理场耦合理论，对铝基复合材料齿轮的啮合过程进行计算机仿真，分析和研究其啮合过程中的摩擦学特性。2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 研究方法：课题实施过程中，应用理论分析和计算机仿真对Al MMCs斜齿

32、轮与钢制蜗杆啮合过程的摩擦学特性进行研究。采用弹性流体动压润滑理论对Al MMCs斜齿轮啮合过程中的油膜形状和压力分布进行计算，得到润滑油油膜形状与压力的分布以及油膜厚度与齿轮承载能力之间的关系。根据摩擦学理论与多物理场耦合的分析，得出摩擦系数与齿轮啮合区应力应变之间的关系以及油膜厚度对摩擦系数的影响。通过计算摩擦力的大小与方向以及上述计算的结果，得到了油膜压力和形状分布规律与Al MMCs斜齿轮应力应变、温升和磨损的关系。通过对Al MMCs斜齿轮啮合过程的多物理场耦合计算机仿真，得出齿轮应力应变、温升和磨损与Al MMCs斜齿轮润滑油油膜形状和压力分布的关系，对计算机仿真模拟结果进行分析，

33、对齿轮的失效进行预测并探讨如何减少齿轮因摩擦而产生的失效。 技术路线及实施方案：1.查阅齿轮摩擦、有限元、材料、传热学等书籍，学习相关知识。尤其是Al MMCs的摩擦理论，掌握弹性流体动压润滑理论，为油膜厚度的计算打下基础。2.建立Al MMCs斜齿轮和钢制蜗杆啮合的弹性流体动力润滑的数学模型，运用数值法，获得弹流润滑油膜压力及形状的分布状态。分析油膜厚度与速度和载荷的关系。3.建立Al MMCs斜齿轮啮合区的摩擦学模型。通过油膜厚度的计算，根据摩擦学理论进行摩擦系数的计算。4. 根据以上的结果进行分析，找出油膜厚度、摩擦系数、摩擦力三者的关系以及如何影响Al MMCs斜齿轮的应力、应变、温度和齿轮的磨损。5.综合考虑应力场、温度场的因素，建立Al MMCs斜齿轮摩擦的多物理场模型。分析在多物理场下，Al MMCs斜齿轮的摩擦和磨损。6.综合以上研究结果，初步了解Al MMCs斜齿轮啮合中的摩擦学特性，为后续对Al MMCs