基于流固耦合的齿轮传动特性及流场特性分析

作     者：杨治宽 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾庆良

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：流固耦合 齿轮搅油损失 CFD仿真 传动特性 流场分析 

摘      要：圆柱齿轮传动系统具有承载能力强,啮合稳定等特点,因此广泛应用于航空航天、交通运输等领域的减速箱中,其齿轮副的传递效率和稳定性是减速箱得以稳定工作的基础,对整体部件的传动效率、动力性能甚至能源消耗具有决定性影响,而齿轮副在油浴中旋转受到的润滑阻力作用产生的功耗损失为传动损失的重要组成部分,此外,流固耦合这种交叉学科求解的方法自被发现以来在越来越多的多场问题中被应用,如何让齿轮副在负载环境下平稳、安全、高效的运行使得越来越多科研人员将精力投入其中。本课题针对工厂提供某型号减速器内部齿轮副,从流固耦合的角度,以齿轮搅油损失为出发点,建立相应模型,获得仿真结果后对比内外啮合齿轮单个齿轮搅油功率损失,分别对比不同啮合方式的齿轮副搅油损失,在此基础上进行多相流流体域分析,分析不同工况下的流场特性,最后基于流场分析结果进行流固耦合分析,从而对多因素影响下的流场分布、搅油损失及基于流固耦合的应力应变进行深入研究,对壳体内旋转机械的流体域及固体域分析具有实际应用意义。采用滑移网格法对外啮合齿轮副和内啮合齿轮副关键齿轮进行搅油仿真,分析其流场特性、搅油功率损失及其产生机理与影响参数。在此基础上分别对两种啮合方式的齿轮副进行搅油仿真,分析对比流场特性及搅油功率损失,得出齿轮转速、齿宽、啮合方式对油液分布、压力和速度流场特性的影响规律。进而基于VOF多相流对不同油位下的外啮合齿轮副进行气-液两项的搅油仿真分析,并分析流场特性与搅油功率损失。通过流固耦合方法对齿轮传动系统进行应力应变分析,研究齿轮在搅油和啮合过程中的等效应力应变情况,并根据不同工况绘制最大应力值曲线,分析后发现流体压力载荷对结构应力应变起到很大影响,并且等效应力及等效应变变化趋势相同,最大等效应力随啮合区域油量呈上升后下降再上升的“M型变化,设计工况下可以得出满油状态与半油状态等效应力相差甚小,并与转速呈正相关但非线性相关的结论。