一种面齿轮齿面接触疲劳强度评估方法与流程

本申请属于齿轮传动技术领域，特别涉及一种面齿轮齿面接触疲劳强度评估方法。

背景技术：

齿轮传动是航空发动机转子与附件传动系统之间传递功率和扭矩的重要途径，目前航空发动机中在高压压气机转子和附件传动系统之间传递功率和扭矩的方式是采用一对弧齿锥齿轮传动，但是随着航空发动机和飞机附件提取功率需求的大幅度提升，同时又具有严苛的重量和空间限制，导致现有的弧齿锥齿轮传动存在承载能力不足、系统稳定性不高和重量超限等问题。

因此，探究一种采用面齿轮代替弧齿锥齿轮传动在发动机高压转子与附件机匣之间传递功率和扭矩。

然而将弧齿替换成面齿轮，必须建立面齿轮传动应用于航空发动机的强度评估方法，现有技术中的面齿轮强度评估大多采用有限元分析的方式，受边界条件和网格划分等因素影响，分析结果差别较大，与我国航空发动机现有的航空齿轮强度评估标准不符，难以满足我国先进航空发动机高可靠性、长寿命的设计需求。

技术实现要素：

本申请的目的是提供了一种面齿轮齿面接触疲劳强度评估方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

一方面，本申请的技术方案是：一种面齿轮齿面接触疲劳强度评估方法，所述方法包括：

确定面齿轮传动的使用工况及尺寸限制条件；

根据面齿轮传动的使用工况及尺寸限制条件得到面齿轮传动的结构参数，所述结构参数包括齿数、模数、压力角和齿宽；

将面齿轮传动的齿数和重合度进行当量转化得到等效锥齿轮的当量齿数和当量重合度；

确定引入的修正系数，根据所述修正系数修正采用当量齿数和当量重合度计算的接触应力基本值σh0、接触应力σh和许用接触应力σhp；

判断所述接触应力σh和许用接触应力σhp是否满足σh≤σhp关系，当满足上述要求时，则所述面齿轮传动的结构参数满足要求，当不满足上述要求时，调整所述面齿轮传动的结构参数，直至所述面齿轮传动的结构参数满足要求。

进一步的，圆柱齿轮的当量齿数zvp为：

面齿轮的当量齿数zvg为：

式中，zp、zg分别为圆柱齿轮与面齿轮的齿数，γp、γg分别为圆柱齿轮与面齿轮的节锥角，β是螺旋角。

进一步的，圆柱齿轮与面齿轮的节锥角分别为：

式中，γ为面齿轮传动的轴夹角，i为传动比。

进一步的，当量重合度cr为：

式中，αap和αag分别是圆柱齿轮和面齿轮齿顶圆压力角。

进一步的，圆柱齿轮和面齿轮齿顶圆压力角αap和αag满足如下要求：

式中，rbk、αak分别是齿顶基圆半径和齿顶圆直径。

进一步的，所述接触应力基本值σh0的计算方法为：

式中，zh为节点区域系数，ze为弹性系数，zε为重合度系数，zi为惯性系数，zρ为齿廓曲率修正系数，zc为齿长鼓形系数，fmt为中点分度圆名义切向力，dv1为小轮当量圆柱齿轮端面分度圆直径，b为齿宽，uv为当量圆柱齿轮齿数比。

进一步的，所述接触应力σh的计算方法为：

式中，ka为使用系数，kv为动载系数，khβ为接触强度的齿向载荷分布系数。

进一步的，所述计算许用接触应力σhp的计算方法为：

式中，σhlim为接触疲劳极限，shmin为接触强度的最小安全系数，zn为寿命系数，z0为温度系数。

另一方面，本申请提供的技术方案是：一种面齿轮传动的航空发动机中央传动结构，所述中央传动结构中的面齿轮结构参数通过如上任一所述的面齿轮齿面接触疲劳强度评估方法来确定。

本申请所提供的面齿轮接触疲劳强度评估方法根据航空工业标准中的因素引入了的修正系数来准确的评估航空发动机中面齿轮的强度和使用寿命，建立了适用于航空领域的面齿轮接触疲劳强度评估方法，为面齿轮传动在航空发动机上的应用奠定了设计分析能力基础，能够满足我国先进航空发动机高可靠性、长寿命传动系统的设计需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的面齿轮齿面接触疲劳强度评估方法示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了克服现有技术中面齿轮强度评估大多采用有限元分析的方式，评估过程受边界条件和网格划分等因素影响造成分析结果差别较大的问题，本申请中提出了一种基于航空工业标准的面齿轮接触疲劳强度评估方法，以满足我国先进航空发动机高可靠性、长寿命传动系统的设计需求。

如图1所示，本申请提供的面齿轮与圆柱齿轮啮合的面齿轮传动接触疲劳强度评估方法的具体过程如下：

步骤一：明确面齿轮传动的设计输入，该设计输入包括：空间尺寸限制、传递的功率p、转速n等工况及尺寸限制条件。

步骤二：根据面齿轮传动的设计输入初步确定面齿轮传动的参数设计，即确定齿数z、模数m、压力角α、齿宽b等主要参数值。

步骤三：对面齿轮传动的齿数和重合度进行当量转化，将其等效为锥齿轮，具体如下：

(1)计算当量齿数：

其中，γ为面齿轮传动的轴夹角，γp、γg分别为圆柱齿轮与面齿轮的节锥角(瞬轴与圆柱齿轮、面齿轮中心线的夹角)，i是传动比，β是螺旋角(当与面齿轮啮合的是直齿圆柱齿轮时，β＝0°；当与面齿轮啮合的是斜齿圆柱齿轮时，β取具体值)，zp、zg分别为圆柱齿轮与面齿轮的齿数；zvp、zvg分别为圆柱齿轮与面齿轮的当量齿数。

(2)计算当量重合度：

式中：cr为当量重合度，αap和αag分别是圆柱齿轮和面齿轮齿顶圆压力角，rbk、αak分别是齿顶基圆半径和齿顶圆直径。

步骤四：根据航空工业相关标准确定引入的修正系数，并结合设计输入的参数确定各个修正系数的具体取值和计算公式。

将步骤三中的当量齿数和当量重合度作为修正之后的齿数和重合度，带入到具体的受力、几何参数和修正系数的计算公式中，得到用于计算接触应力基本值σh0、接触应力σh和许用接触应力σhp的各参数值，具体如下：

(1)计算接触应力基本值σh0：

式中：zh为节点区域系数，ze为弹性系数，zε为重合度系数，zi为惯性系数，zρ为齿廓曲率修正系数，zc为齿长鼓形系数，fmt为中点分度圆名义切向力，dv1为小轮当量圆柱齿轮端面分度圆直径，b为齿宽，μv为当量圆柱齿轮齿数比，dm为分度圆直径；

(2)计算接触应力σh：

式中：ka为使用系数，kv为动载系数，khβ为接触强度的齿向载荷分布系数：

(3)计算许用接触应力σhp：

式中：σhlim为接触疲劳极限，shmin为接触强度的最小安全系数，zn为寿命系数，z0为温度系数。

步骤五：判断接触应力σh和许用接触应力σhp的关系

若面齿轮强度的接触应力与许永接触应力的计算结果满足σh≤σhp的判断条件，则面齿轮在指定的使用寿命和工况条件下，强度裕度储备足够，参数设计合理；

若面齿轮强度的接触应力与许永接触应力的计算结果不能满足上述判段条件，则需重新进行面齿轮传动的结构参数设计，并按以上步骤重新迭代计算，直到满足判段条件，从而得到面齿轮传动的结构参数。

本申请提出的面齿轮接触疲劳强度评估方法基于航空工业标准来制定，根据航空工业标准中考虑的因素和引入的修正系数来准确的评估航空发动机中面齿轮的强度和使用寿命，建立了适用于航空领域的面齿轮接触疲劳强度评估方法，为面齿轮传动在航空发动机上的应用奠定了设计分析能力基础，能够满足我国先进航空发动机高可靠性、长寿命传动系统的设计需求。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。