微齿轮粗糙齿面磨损分析及齿廓优化设计

摘要

微型行星齿轮系统作为构成微机电系统（MEMS）必不可少的传动部件，其微齿轮的轮齿性能好坏直接影响整个MEMS系统的可靠性和稳定性。目前，针对考虑表面吸引力作用的微齿轮齿面磨损的研究相对比较少，而经过大量实例分析，人们发现微齿轮副的失效通常是由接触齿面间的粘着磨损引起的。粗糙齿面的微凸体对微齿轮副的粘着磨损具有较大影响，而有何种影响及影响程度如何目前还没有一个定性的结论，可见分析考虑表面吸引力作用的微齿轮粗糙齿面的磨损，并提出相应减轻微齿轮齿面磨损的措施具有重要意义。
　　粗糙齿面间的接触与两个齿面光滑的轮齿间的接触有很大不同，粗糙齿面上的微凸体在齿面接触时会形成部分局部接触，从而在齿面产生较大的接触应力，进一步会使齿面的磨损更严重。本文把微齿轮粗糙齿面间的粘着磨损分为两个阶段分别进行分析，针对性的提出减少齿面磨损的方法和措施，同时从改善齿形方面入手提出了一种基于偏差函数法对渐开线齿廓进行优化设计的新方法。主要研究工作如下：
　　①根据经典Archard磨损计算公式，结合JKR接触力学理论与GW表面微凸体的数学统计模型，提出了考虑接触齿面间表面吸引力的粗糙齿面磨损数值计算模型。
　　②在建立的粗糙齿面磨损数值计算模型的基础上，针对微齿轮齿面磨损的第一阶段，即齿面微凸体间的接触和磨损，对不同粗糙齿面参数影响下的齿面磨损进行了仿真分析，并定性的得出了不同齿面参数对微齿轮粗糙齿面磨损的影响，同时提出了相应改善齿面磨损的措施和方法。
　　③针对微齿轮齿面磨损的第二阶段，即光滑齿面间的接触与磨损，从齿形设计方面入手，根据偏差函数法的原理提出了基于偏差函数对渐开线齿廓进行优化设计的新方法。通过微齿轮副轮齿的齿面接触应力、齿面滑动系数、齿面磨损深度和齿根弯曲应力等轮齿性能参数的限制条件求得最优偏距值。
　　④在已确定最优偏距值的基础上，求出了优化后微齿轮副的齿廓并与对应渐开线齿廓进行了比较，同时采用考虑表面吸引力作用的二维JKR圆柱粘着接触力学理论对优化后微齿轮副与对应渐开线微齿轮副的轮齿性能进行了对比分析，结果表明优化后微齿轮副轮齿的整体性能有较大提高而且性能分配方面更加合理。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 MEMS加工技术简介

1.4 本文研究内容

2 粗糙齿面磨损数值计算模型建立

2.1 引言

2.2 表面微凸体的统计模型

2.3 齿面微凸体接触模型

2.4 粗糙齿面磨损数值计算模型

2.5 本章小结

3 粗糙齿面磨损分析

3.1 引言

3.2 表面吸引力作用对齿面磨损的影响

3.3 齿面粗糙度对齿面磨损的影响

3.4 材料性能对齿面磨损的影响

3.5 微凸体顶点曲率半径对齿面磨损的影响

3.6 齿面综合参数对齿面磨损影响

3.7 本章小结

4 微齿轮齿廓优化设计

4.1 引言

4.2 齿廓设计原理

4.3 最优偏距值确定

4.4 本章小结

5 优化后微齿轮副轮齿性能评价

5.1 引言

5.2 微齿轮副齿廓

5.3 齿面性能对比分析

5.4 中心距可分性验证

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要研究内容总结

6.2 研究不足之处及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录