[发明专利]一种基于齿面应力场的齿轮接触疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于齿面应力场的齿轮接触疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：步骤一、将齿面离散成多个齿面节点并且构建齿面复合应力场；步骤二、基于Papadopoulos多轴疲劳准则，结合齿轮材料疲劳特性参数，计算应力场下齿面各齿面节点的多轴等效应力：步骤三、结合齿轮材料S‑N曲线，根据各齿面节点的多轴等效应力预测齿轮接触疲劳寿命。本发明基于Papadopoulos多轴疲劳准则，可更为准确地预测齿面应力场下的接触疲劳寿命，为评估与提升齿轮使用寿命提供指导，且本发明考虑了齿面残余应力与接触应力的复合应力场，使得其更接近于齿轮的实际应力状态，从而对于齿轮的疲劳寿命预测更加准确。

技术领域

本发明属于齿轮评估技术领域，尤其涉及一种基于齿面应力场的齿轮接触疲劳寿命预测方法。

背景技术

目前对于齿轮的寿命预测，通常是基于ISO与AGMA等齿轮标准中寿命预测方法，其均基于累积损伤准则与大量试验，成本较高且对复杂载荷下齿面接触疲劳寿命预测精度较低。

此外，现有的齿轮进行寿命预测前需要分析其应力场。但是目前ISO与AGMA的应力场分析通常是基于Hertz接触理论，而Hertz接触理论通过把两弹性体的接触问题等效为一个当量弹性体和一个刚性平面的接触，对复杂载荷下齿面接触应力计算精度较低，工程实际中没有对齿轮表面与亚表面的残余应力场进行考虑，不能准确反映齿面残余应力与接触应力的复合应力状态。因此得到的应力场与实际情况差别较大。这也导致对齿轮寿命的预测不够精确。

Papadopoulos多轴疲劳准则见参考文献：Papadopoulos IV.Long life fatigueunder multiaxial loading.International Journal of Fatigue.2001；23。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种基于齿面应力场的齿轮接触疲劳寿命预测方法，本发明基于Papadopoulos多轴疲劳准则，可更为准确地预测齿面应力场下的接触疲劳寿命，为评估与提升齿轮使用寿命提供指导，且本发明考虑了齿面残余应力与接触应力的复合应力场，使得其更接近于齿轮的实际应力状态，从而对于齿轮的疲劳寿命预测更加准确。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于齿面应力场的齿轮接触疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤一、将齿面离散成多个齿面节点并且构建齿面复合应力场；

步骤二、基于Papadopoulos多轴疲劳准则，结合齿轮材料疲劳特性参数，计算复合应力场下各齿面节点的多轴等效应力：

式中，σ_n为第n个齿面节点的多轴等效应力，τ_-1为齿轮材料的弯曲疲劳极限，σ_-1为齿轮材料的扭转疲劳极限，T_n为第n个齿面节点的广义剪切应力幅值，σ_n1与σ_n2分别第n个齿面节点为静水压力的幅值与均值；

步骤三、结合齿轮材料S-N曲线，根据各齿面节点的多轴等效应力预测齿轮接触疲劳寿命：

a·(2N_n⁾b＝σ_n (1.2)

其中，N_n为第n个齿面节点的疲劳寿命，σ_n为第n个齿面节点的多轴等效应力，a为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数；a与b由齿轮材料S-N曲线得到；其中最小的N_n即为齿轮的使用寿命。

进一步的改进，所述齿轮材料S-N曲线得到方法如下：通过多个不同应力水平下的疲劳试验，以测得的疲劳寿命为横坐标，以应力为纵坐标，拟合各数据点得到齿轮材料S-N曲线。