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花键副微动磨损分析及参数优化

余媛媛 胡玉梅 戴兴梦 何造 李孟飞

余媛媛, 胡玉梅, 戴兴梦, 何造, 李孟飞. 花键副微动磨损分析及参数优化[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 828-834. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200121
引用本文: 余媛媛, 胡玉梅, 戴兴梦, 何造, 李孟飞. 花键副微动磨损分析及参数优化[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 828-834. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200121
YU Yuanyuan, HU Yumei, DAI Xingmeng, HE Zao, LI Mengfei. Fretting Wear Analysis and Parameter Optimization of Spline Pairs[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 828-834. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200121
Citation: YU Yuanyuan, HU Yumei, DAI Xingmeng, HE Zao, LI Mengfei. Fretting Wear Analysis and Parameter Optimization of Spline Pairs[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 828-834. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200121

花键副微动磨损分析及参数优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200121
详细信息
    作者简介:

    余媛媛(1996-), 硕士研究生, 研究方向为机械传动方面的强度分析及结构优化, yuanyuanyu518@163.com

    通讯作者:

    胡玉梅, 教授, 博士生导师, cdrhym@163.com

  • 中图分类号: TG156

Fretting Wear Analysis and Parameter Optimization of Spline Pairs

  • 摘要: 为探究渐开线花键副在微动工况下的磨损行为, 对花键副材料20CrMoH进行磨损实验, 得到不同工况下花键副材料20CrMoH的磨损系数。实验结果表明: 在同一振动频率下, 材料微动磨损系数随着法向正压力的增大而增大; 在同一法向正压力下, 材料的微动磨损系数随着振动频率的增大而增大。采用有限元与Archard理论相结合的方式对花键副材料磨损量进行预测, 并与磨损实验结果进行对比, 验证了该预测方法的可行性。为寻找改善花键副齿面磨损的方法与思路, 进行花键副参数优化, 以花键副齿面磨损量最小为目标寻求侧隙、修形量、夹角这3个参数的最佳组合, 得到该花键副采用侧隙为0.09 mm、鼓形修形量22.66 μm、夹角为0.04°进行加工设计安装时磨损量最小。
  • 图  1  加载与振动部分

    图  2  控制与测试部分

    图  3  销-盘摩擦磨损实验

    图  4  磨损面形貌图

    图  5  各组磨损量随磨损循环次数的变化

    图  6  各组微动磨损系数随磨损循环次数的变化

    图  7  实验仿真模型

    图  8  接触应力曲线

    图  9  花键副微动磨损参数优化流程图

    图  10  花键副仿真模型

    图  11  Kriging模型预测值与实际值关系

    图  12  迭代计算过程

    图  13  优化后仿真模型

    图  14  内外花键应力云图

    图  15  花键副齿面位置示意图

    图  16  花键副齿面接触应力曲线

    图  17  花键副齿面相对滑动速度曲线

    表  1  圆柱销磨损实验参数

    实验组号 法向载荷/N 润滑方式 振动频率/Hz 转速/(r·m-1)
    1 500 油润滑 0 1 000
    2 500 油润滑 50 1 000
    3 500 油润滑 100 1 000
    4 200 油润滑 50 1 000
    5 350 油润滑 50 1 000
    6 500 油润滑 50 1 000
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    表  2  磨损量对比

    计算磨损量h1 8.712 μm
    实验磨损量h 9.246 μm
    误差 5.78%
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    表  3  渐开线花键副几何参数

    参数名及单位 内花键 外花键
    齿数Z 24 24
    法向模数/mm 1 1
    压力角/(°) 30 30
    齿宽/mm 22.3 22.3
    半径/mm 31.7 10
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    表  4  试验设计方案及计算磨损量结果

    序号 侧隙/mm 修形量/μm 夹角/(°) 磨损量/μm
    1 0.14 18.11 0.04 1.619×10-6
    2 0.18 22.41 0.03 1.651×10-6
    3 0.08 8.62 0.04 1.568×10-6
    4 0.13 24.13 0.02 1.308×10-6
    5 0.12 0.86 0.04 2.267×10-6
    6 0.11 2.58 0.02 2.345×10-6
    7 0.14 5.17 0.07 1.830×10-6
    8 0.13 20.69 0.07 1.505×10-6
    9 0.15 9.48 0.05 2.084×10-6
    10 0.20 7.75 0.06 2.582×10-6
    11 0.18 4.30 0.01 2.406×10-6
    12 0.08 21.55 0.01 1.216×10-6
    13 0.16 12.93 0.02 1.999×10-6
    14 0.10 3.45 0.06 1.710×10-6
    15 0.20 13.80 0.01 2.101×10-6
    16 0.16 0 0.05 2.445×10-6
    17 0.17 19.83 0 1.638×10-6
    18 0.09 17.24 0.04 1.339×10-6
    19 0.11 12.07 0.06 1.558×10-6
    20 0.12 16.38 0.01 1.568×10-6
    21 0.19 15.52 0.05 2.094×10-6
    22 0.17 14.65 0.07 1.955×10-6
    23 0.11 25.00 0.05 1.252×10-6
    24 0.14 6.90 0.03 2.234×10-6
    25 0.12 10.35 0.03 1.867×10-6
    26 0.19 6.03 0.03 2.401×10-6
    27 0.09 11.21 0.01 1.555×10-6
    28 0.18 23.27 0.06 1.715×10-6
    29 0.08 18.96 0.06 1.235×10-6
    30 0.15 1.72 0.02 2.904×10-6
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    表  5  随机生成修形参数组合及预测结果

    序号 侧隙/mm 修形量/um 夹角/(°) 磨损量/μm
    1 0.15 16.65 0.03 1.737×10-6
    2 0.14 23.31 0.06 1.532×10-6
    3 0.09 16.27 0.03 1.337×10-6
    4 0.13 1.75 0.05 2.097×10-6
    5 0.18 7.81 0.02 2.326×10-6
    6 0.18 10.15 0.07 2.328×10-6
    7 0.20 17.56 0.05 2.052×10-6
    8 0.16 17.50 0.04 1.822×10-6
    9 0.16 3.90 0.04 2.585×10-6
    10 0.18 1.20 0.06 2.569×10-6
    11 0.15 8.68 0.01 2.220×10-6
    12 0.08 17.11 0.05 1.275×10-6
    13 0.18 21.03 0.01 1.673×10-6
    14 0.17 1.64 0.06 2.471×10-6
    15 0.13 4.10 0.07 1.764×10-6
    16 0.19 24.06 0.02 1.623×10-6
    17 0.14 1.98 0.01 2.781×10-6
    18 0.12 16.72 0.06 1.464×10-6
    19 0.18 24.43 0.03 1.579×10-6
    20 0.08 7.00 0.06 1.530×10-6
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    表  6  优化后结果

    侧隙/mm 修形量/μm 夹角/(°) 磨损量/μm
    0.09 22.66 0.04 1.148×10-6
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    表  7  花键齿面各位置磨损量

    位置 磨损量/μm 位置 磨损量/μm
    1 0.835×10-6 4 1.116×10-6
    2 1.017×10-6 5 0.966×10-6
    3 1.056×10-6 6 1.002×10-6
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    表  8  花键齿面最大磨损量预测结果与计算结果对比

    预测结果/μm 计算结果/μm 预测误差/%
    1.148×10-6 1.116×10-6 2.78
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  • 收稿日期:  2020-02-06
  • 刊出日期:  2021-06-01

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