基于热弹–黏塑性本构的POM材料齿轮副啮合特性分析

摘要

为揭示负载、修形和温度对聚甲醛（POM–POM）齿轮副啮合特性的影响，建立热弹–黏塑性材料本构的POM–POM齿轮副3维有限元接触模型；结合POM材料的温度–模量效应，开展温度–应力顺序耦合的稳态热分析，并与POM–POM齿轮副温度服役测试结果对比；在稳态热分析基础上，进行完全耦合瞬态热接触分析，并将瞬态温升与Blok温度结果对比；通过齿根应变试验，验证不同负载工况下齿根应变计算的有效性。结果表明：齿轮副的稳态温升呈现齿根高、齿顶与端面较低的分布规律，并随负载增大而上升；通过试验对比得到，有限元计算齿轮稳态温升与试验结果一致，且瞬态温升与Blok公式结果一致；POM–POM齿轮副仿真齿根应变位于试验测试应变误差带内，表明考虑温度–模量效应的热弹–黏塑性材料本构能够表征POM塑料齿轮的热学特性和力学特性。此外，POM–POM齿轮副传动过程中出现啮合线延长且偏离理论位置，且温度对啮合线影响较小。齿面修形可降低其啮合线长度，但不能改善其偏转程度；啮合角在啮入和啮出时会出现较大的变化，温度使其啮合角在双齿啮合区域上升约1℃。啮合刚度与负载相关，随着负载增加，啮合刚度下降且重合度上升。同等条件下，POM–POM齿轮副的传递误差幅值约是金属齿轮副的10倍，且温度使传递误差幅值上升约39%，齿面修形可降低24%左右的传递误差幅值。

关键词

黏塑性 / POM齿轮 / 啮合刚度 / 传递误差

基金资助

湖北省农机装备补短板核心技术应用攻关项目（HBSNYT202221）; 现代制造质量工程湖北省重点实验室开放课题（KFJJ–2022013）