[发明专利]一种考虑温度影响的塑料齿轮接触疲劳寿命评估方法

说明书

本发明公开了一种考虑温度影响的塑料齿轮接触疲劳寿命评估方法，步骤如下：步骤1、依据标准测试塑料温度相关力学行为；步骤2、根据试验数据拟合塑料热弹塑性本构方程，并编写ABAQUS的子程序UMAT；步骤3、采用计算或者试验确定塑料齿轮运转过程中的温度；步骤4、在ABAQUS平台上建立二维齿轮完全热力耦合接触有限元模型；步骤5、根据材料试验参数，拟合随温度变化的极限拉伸应力方程，同时根据拉伸屈服极限与疲劳参数之间的转换关系，得到塑料疲劳参数；步骤6、使用Brown‑Miller多轴疲劳准则计算塑料齿轮疲劳寿命。本发明的技术效果是：解决了塑料齿轮在运行温度影响下的接触疲劳失效问题。

技术领域

本发明属于机械零部件接触疲劳失效的分析方法，具体涉及一种塑料齿轮接触疲劳寿命评估方法。

背景技术

塑料齿轮与金属材料相比，具有质量轻、耐腐蚀、振动小等优点，在家电、汽车、医疗等领域得到广泛应用。目前塑料齿轮常用材料有聚甲醛(POM)、尼龙(PA)、聚醚醚酮(PEEK)及其复合材料，这些材料的力学性能跟温度密切相关，其失效形式在润滑状态下通常表现为齿面接触疲劳失效。然而，目前塑料齿轮设计方法和理论，仍局限于线弹性本构关系，忽略了温度对其力学性能的影响，对于塑料齿轮服役过程中关键的疲劳寿命和摩擦磨损问题还停留在经验公式阶段，给塑料齿轮承载能力和失效形式预测带来极大的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑温度影响的塑料齿轮接触疲劳寿命评估方法，它能分析塑料齿轮在运行温度影响下的接触疲劳失效问题，且分析所得结果准确，降低塑料齿轮接触疲劳失效风险，提高使用设备运行的可靠性。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、依据标准GB1040-92塑料拉伸性能试验方法，得到齿轮材料随温度变化的弹性模量、极限拉伸应力和真实塑性应力应变曲线；

步骤2、根据步骤1的齿轮材料试验数据，拟合齿轮材料热弹塑性本构方程参数，该本构方程充分考虑了温度对其力学行为影响；

步骤3、依据标准VDI 2736塑料齿轮齿体温度计算经验公式，定义齿轮运行过程中齿体温度，或者根据试验测试塑料齿轮齿体温度；

步骤4、在ABAQUS平台上建立二维齿轮完全热力耦合接触有限元模型，并根据步骤2的齿轮材料热弹塑性本构方程，编写ABAQUS子程序UMAT定义塑料齿轮材料；

步骤5、根据步骤1的齿轮材料试验参数，拟合随温度变化的极限拉伸应力方程，并根据润滑状态，选取合适的润滑系数；

步骤6、计算每个齿轮材料点的临界面，以及该临界面上的剪应变幅值、正应变幅值和正应力均值；使用Brown-Miller多轴疲劳准则计算塑料齿轮的疲劳寿命。

本发明的技术效果是：

在考虑温度效应的条件下，分析塑料齿轮的接触疲劳失效问题，预测接触疲劳寿命，所得的分析结果与试验数据吻合较好，为塑料齿轮的制造和使用提供依据，减少了工程实际中由塑料齿轮接触疲劳失效带来的事故和经济损伤。

附图说明

本发明附图说明如下：

图1为塑料齿轮材料随温度变化的弹性模量；

图2为塑料齿轮材料随温度变化的极限拉伸应力；

图3为塑料齿轮材料随温度变化的真实塑性应力应变曲线；

图4为塑料齿轮材料热弹塑性本构响应曲线；

图5为二维齿轮完全热力耦合接触有限元模型；

图6为材料临界面示意图；

图7为剪应变幅值、正应变幅值与正应力幅值结果图；