脂润滑条件下塑料齿轮稳态温度场仿真与试验研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.08.002

中国机械工程 ›› 2022, Vol. 33 ›› Issue (08): 890-898，907.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.08.002

脂润滑条件下塑料齿轮稳态温度场仿真与试验研究

余国达;刘怀举;卢泽华;魏沛堂

重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400044

出版日期:2022-04-25 发布日期:2022-05-19
通讯作者: 刘怀举（通信作者），男，1986年生，教授、博士研究生导师。研究方向为高性能齿轮抗疲劳设计制造。E-mail：huaijuliu@cqu.edu.cn。
作者简介:余国达，男，1993年生，硕士研究生。研究方向为塑料齿轮承载与失效机理。E-mail：1093977251@qq.com。
基金资助:
国家重点研发计划（2020YFB2008200）；
国家自然科学基金（52175041）

Simulation and Experimental Study of Steady-state Temperature Field of Plastic Gears under Grease Lubrication Conditions#br#

YU Guoda;LIU Huaiju;LU Zehua;WEI Peitang

State Key Laboratory of Mechanical Transmissions，Chongqing University，Chongqing，400044

Online:2022-04-25 Published:2022-05-19

摘要/Abstract

摘要： 为预测塑料齿轮的脂润滑条件下的稳态温度，建立了考虑温度-模量效应和摩擦热流-滞后热通量多热源效应的塑料齿轮运行温度场有限元数值模型，研究了塑料齿轮稳态温度场的分布规律以及载荷和转速水平对稳态温度的影响。研究结果表明，稳态温度场的温度沿着齿廓内法线方向逐渐降低，在内法线方向0.5 mm深度处的温度约为表面温度的90%，稳态温度随着载荷或转速的增大而逐渐升高。开展了脂润滑条件下POM（聚甲醛）-POM齿轮副的运行温度试验，试验结果与仿真结果吻合良好，该研究可为高承载塑料齿轮传动设计提供支撑。

关键词: 塑料齿轮, 脂润滑, 稳态温度场, 运行温度试验

Abstract: In order to predict the steady-state temperature of plastic gears under grease lubrication conditions， a finite element numerical model of plastic gear operating temperature field was established based on the temperature-modulus effect and the friction heat flux-hysteresis heat flux multi heat source effect. The distribution of plastic gear steady-state temperature field and the influences of load and speed levels on steady-state temperature were studied. The results show that the temperature of steady-state temperature field decreases gradually along the normal direction of the tooth profiles， and the temperature in the depth of 0.5 mm in the inner normal direction is about 90% of the surface temperature， and the steady-state temperature increases with the increasing of loads or speeds gradually. And the operating temperature tests of POM-POM gear pairs were carried out under grease lubrication conditions and the test results are in good agreement with the simulation ones. This study may pave way to the transmission design of heavy-loading plastic gears.

Key words: plastic gear, grease lubrication, steady-state temperature field, operating temperature test

中图分类号:

TH117

余国达, 刘怀举, 卢泽华, 魏沛堂. 脂润滑条件下塑料齿轮稳态温度场仿真与试验研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(08): 890-898，907.

YU Guoda, LIU Huaiju, LU Zehua, WEI Peitang. Simulation and Experimental Study of Steady-state Temperature Field of Plastic Gears under Grease Lubrication Conditions#br#[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(08): 890-898，907.

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参考文献

［1］MAO K， LANGLOIS P， HU Z， et al. The Wear and Thermal Mechanical Contact Behaviour of Machine Cut Polymer Gears［J］. Wear， 2015， 332/333：822-826.
［2］KALIN M， KUPEC A. The Dominant Effect of Temperature on the Fatigue Behaviour of Polymer Gears［J］. Wear， 2017， 376/377：1339-1346.
［3］GHAZALI W M， IDRIS D M N D， SOFIAN A H， et al. A Review on Failure Characteristics of Polymer Gear［J］. MATEC Web of Conferences， 2017， 90：01029.
［4］郝一舒，刘宗岳，施亚军，等. 塑料斜齿轮黏弹性数值模拟研究［J］. 机械传动， 2014， 38（3）：1-6.
HAO Yishu， LIU Zongyue， SHI Yajun， et al. Study on Numerical Simulation of Viscoelasticity of Plastic Helical Gear［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2014， 38（3）：1-6.
［5］王振，王砚军，王静静，等. 高分子齿轮瞬态接触应力及温度场的分析模拟［J］. 机械传动， 2018， 42（2）：120-125.
WANG Zhen， WANG Yanjun， WANG Jingjing， et al. Analysis and Simulation of Transient Contact Stress and Temperature Field of Polymer Gear ［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2018， 42（2）：120-125.
［6］陆松，孟惠荣. 塑料齿轮的热分析［J］. 塑料， 2003， 32（5）：58-60.
LU Song， MENG Huirong. Thermal Analysis of Plastic Gears［J］. Plastics， 2003， 32（5）：58-60.
［7］欧阳志喜，石照耀. 塑料齿轮设计与制造［M］. 北京：化学工业出版社， 2011：177-178.
OUYANG Zhixi， SHI Zhaoyao. Design and Manufacturing of Plastic Gears ［M］. Beijing：Chemical Industry Press， 2011：177-178.
［8］杨挺青. 粘弹性力学［M］. 武汉：华中理工大学出版社， 1990：60-63.
YANG Tingqing. Theory of Viscoelasticity［M］. Wuhan：Huazhong University of Technology Press， 1990：60-63.
［9］CASANOVA V R， MARIN F S. A 2D Finite Element Based Approach to Predict the Temperature Field in Polymer Spur Gear Transmissions［J］. Mechanism and Machine Theory， 2019， 133：195-210.
［10］余国达，刘怀举，朱才朝，等. 基于摩擦热流-滞后热通量多热源的塑料齿轮啮合温度研究［J］. 机械传动， 2021， 45（2）：6-15.
YU Guoda， LIU Huaiju， ZHU Caichao， et al. Analysis of Meshing Temperature of Polymer Spur Gear Based on the Multi Heat Source of Frictional Feat Flux and Hysteresis Loss Flux［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2021， 45（2）：6-15.
［11］杨世铭，陶文铨. 传热学［M］. 4版. 北京：高等教育出版社， 2008：41-45.
YANG Shiming， TAO Wenshuan. Heat Transfer［M］. 4th ed. Beijing：Higher Education Press， 2008：41-45.
［12］LI Wei， TIAN Jingyuan. Unsteady-state Temperature Field and Sensitivity Analysis of Gear Transmission［J］. Tribology International， 2017， 116：229-243.
［13］PATIR N， CHENG H S. Prediction of the Bulk Temperature in Spur Gears Based on Finite Element Temperature Analysis［J］. ASLE Transactions， 1979， 22（1）：25-36.
［14］马小刚，陈良玉，李杨. 炉缸冷却壁对流换热系数计算及烘炉传热特性［J］. 钢铁， 2019， 54（5）：19-26.
MA Xiaogang， CHEN Liangyu， LI Yang. Calculation of Convective Heat Transfer Coefficient of Hearth Cooling Stave and Furnace Heating Transfer Characteristics［J］. Iron & Steel， 2019， 54（5）：19-26.
［15］LI Wei， ZHAI Pengfei， DING Lei. Analysis of Thermal Characteristic of Spur/Helical Gear Transmission［J］. Journal of Thermal Science and Engineering Applications， 2019， 11（2）：021003-021015.
［16］HANDSCHUH R F. Thermal Behavior of Spiral Bevel Gears［D］. Cleveland：Case Western Reserve University， 1993.
［17］龚宪生，王欢欢，张干清，等. 行星齿轮轮齿本体温度场与闪温研究［J］. 农业机械学报， 2011， 42（10）：209-216.
GONG Xiansheng， WANG Huanhuan， ZHANG Ganqing， et al. Analysis of Bulk Temperature Field and Flash Temperature for Planet Gear Teeth［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（10）：209-216.
［18］孙首群，朱卫光，赵玉香. 渐开线轮齿温度场影响因素分析［J］. 机械设计， 2009， 26（2）：59-62.
SUN Shouqun， ZHU Weiguang， ZHAO Yuxiang. Analysis of Influence Factors of Involute Gear Temperature Field［J］. Journal of Machine Design， 2009， 26（2）：59-62.
［19］刘志全，张振金. 齿轮传动系统的稳态热分析模型［J］. 黑龙江矿业学院学报， 1998， 8（4）：1-6.
LIU Zhiquan， ZHANG Zhenjin. Steady State Thermal Analysis Model of Gear Transmission System［J］. Journal of Heilongjiang University of Science and Technology， 1998， 8（4）：1-6.
［20］LU Zehua， LIU Huaiju， ZHU Caichao， et al. Identification of Failure Modes of a PEEK-steel Gear Pair under Lubrication［J］. International Journal of Fatigue， 2019， 125：342-348.
［21］卢泽华，刘怀举，朱才朝，等. 润滑和载荷状态对聚甲醛齿轮服役性能的影响［J］. 中国机械工程， 2021， 32（17）：2047-2054.
LU Zehua， LIU Huaiju， ZHU Caichao， et al. Effects of Lubrication and Loading Levels to POM Gear Durability Performance［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（17）：2047-2054.
［22］YU G， LIU H， MAO K， et al. Examination on the Wear Process of Polyformaldehyde Gears under Dry and Lubricated Conditions［J］. Friction， 2021， 9：538-550.

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