残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响及其动力学分析

罗家元; 严博; 高聪

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.006

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残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响及其动力学分析

理论研究 | 更新时间：2025-03-20

- 残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响及其动力学分析
- Impact of residual stress on the time-varying meshing stiffness of helical gears and its dynamic analysis
- 机械传动 2025年49卷第3期页码：40-47
- 作者机构：
  
  1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074
  2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023
- 作者简介：
  
  罗家元，男，1978年生，湖北麻城人，博士，教授；主要研究方向为残余应力评估及消除、结构动力学等；jiayuan_luo@126.com。
  严博（通信作者），男，1998年生，重庆人，硕士研究生；主要研究方向为残余应力评估及结构动力学；yb54692098@163.com。
- 基金信息：
  
  重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（cstc2021jscx－dxwtBX0022）
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.006
  中图分类号： TH132
- 收稿日期：2023-11-10，
  
  纸质出版日期：2025-03-15
- 稿件说明：
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罗家元，严博，高聪. 残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响及其动力学分析［J］. 机械传动，2025，49（3）：40-47.

LUO Jiayuan，YAN Bo，GAO Cong. Impact of residual stress on the time-varying meshing stiffness of helical gears and its dynamic analysis［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：40-47.
罗家元，严博，高聪. 残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响及其动力学分析［J］. 机械传动，2025，49（3）：40-47. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.006.

LUO Jiayuan，YAN Bo，GAO Cong. Impact of residual stress on the time-varying meshing stiffness of helical gears and its dynamic analysis［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：40-47. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.006.

摘要

目的

淬火热处理作为齿轮重要强化工艺会产生较高的残余应力，进而影响齿轮啮合刚度及动态性能。在分析淬火残余应力分布规律的基础上，揭示残余应力对齿轮啮合动态特性的量化影响。

方法

基于直接热-力耦合法建立齿轮淬火仿真模型并求解淬火残余应力，结合单节点法将该残余应力作为预应力求解斜齿轮副的时变啮合刚度；并以此为基础，利用集中参数法建立斜齿轮副的10自由度动力学模型，使用龙格-库塔法进行数值求解，得到斜齿轮副的振动响应动载荷时域图和频域图。

结果

与不考虑残余应力相比，存在残余应力的单齿弯曲变形在4齿啮合区域变大、在5齿啮合区域变小，接触变形无明显变化，啮合刚度和动载荷的时域峰值变大，啮频处的动载荷频域幅值谱密度增大。

Abstract

Objective

As an important strengthening process for gears

the quenching heat treatment will generate relatively high residual stress

which will further affect the meshing stiffness and dynamic performance of gears. Based on the analysis of the distribution law of quenching residual stress

the quantitative impact of residual stress on the meshing dynamic characteristics of gears was revealed.

Methods

A gear quenching simulation model was established based on the direct thermo-mechanical coupling method to solve the quenching residual stress. Combined with the single node method

this residual stress was regarded as the prestress to solve the time-varying meshing stiffness of the helical gear pair. Based on this

the lumped parameter method was used to establish a 10-degree-of-freedom dynamic model of the helical gear pair. The Runge-Kutta method was used for numerical solution

and the time domain diagram and frequency domain diagram of the dynamic load during the vibration response of the helical gear pair were obtained.

Results

Compared with the situation without considering the residual stress

the bending deformation of a single tooth becomes larger in the four-tooth meshing area and smaller in the five-tooth meshing area. The contact deformation does not change much

and the time domain peak values of meshing stiffness and dynamic load become larger

the dynamic load frequency domain amplitude spectral density at the meshing frequency increases.

关键词

Keywords

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