关键词：
脂润滑弧齿锥齿轮
弹流润滑
非高斯粗糙度
油动重载无人机
摘要：
近些年,四旋翼重载无人机在军事领域、消防领域、农药喷洒及救援任务中作用凸显。但电动无人机续航短载重小的缺点短时间内难以克服,油动方案成为新的攻关方向。传动使用的弧齿锥齿轮常在高速重载条件下工作,与载人飞行器不同的是,此类装备为了减重及提升飞控性能,取消了整套齿轮箱油冷系统,采用脂润滑方案。齿轮的设计有一定的特殊性,常选用满足传动需求下体积最小的方案,并在齿盘上打减重孔,这将导致热密度大及热量难以散逸的问题。同时,因其应用的特殊性和苛刻的使用条件,原有的油润滑齿轮箱上应用的一些理论方法很难准确估计脂润滑弧齿锥齿轮润滑状态。面对无人机脂润滑齿轮箱出现润滑、发热及动力学问题理论研究不完善的情况应予以重视。因此,研究高速重载脂润滑弧齿锥齿轮的齿面润滑机制、发热、热分散及动力学问题对此类装备的发展有着重要意义。本研究以无人机用高速重载弧齿锥齿轮为对象,建立了适用于高速重载工况下的脂润滑弧齿锥齿轮齿面热弹流模型及分析方法,并考虑了粗糙度效应、非牛顿流体效应、瞬时效应和混合润滑的影响。以无人机典型工况为例,形成了以脂润滑齿面热弹流分析为基础,进而估计齿轮发热,再到分析润滑脂性质对动力学影响和齿轮热分散机理的一整套理论计算体系。论文中主要研究内容及方法如下:
(1)提出脂润滑分析需重视齿面建模方法,建立了用于加载接触分析的齿面理论模型。考虑到完全根据啮合原理建立的理论齿面模型与实际加工齿面差距较大,提出采用啮合点处二阶微分原理反推加工参数,模拟机床和刀具运动形成的曲面近似实际齿面。考虑了啮合点处法线的第三分量,将接触方程全部表示为与啮合转角相关的函数,简化了接触分析计算。并利用优化后的接触分析方法进一步求得并分析了齿轮典型工况下的加载接触分析结果。
(2)结合统计模型与确定模型各自优点,建立了考虑混合润滑状态及瞬时效应的弧齿锥齿轮脂润滑热弹流模型及整套解法。考虑到弧齿锥齿轮齿面的特殊性,深入研究了润滑脂流变特性实验文献,为模型选择适用的本构方程提供可靠的理论依据。考虑弹流区平均流量和接触区微凸体接触,以油膜厚度作为判据,在直接接触区关闭雷诺方程用弹塑性接触模型进行压力计算,以此保证离散格式下迭代边界的连续性。为解决由润滑脂性质改变引起的计算误差增加、收敛不稳定等问题,采用了多重网格法消除误差,根据所承载压力的大小选择不同迭代方法以增加计算速度与收敛精度。并且考虑了温度控制方程数值收敛问题,针对不同卷吸速度方向讨论了温度控制方程的离散形式,以此来消除因可能存在逆流区而造成的数值计算报错,同时给出了所有关键步骤上的求解格式及方法。最后通过文献对比验证了模型的准确性。
(3)建立了脂润滑弧齿锥齿轮齿面润滑效果参数化分析方法,并提出相同齿面可改变粗糙度分布进而改善润滑的方法。采用提出的混合弹流模型,计算了等温条件及热弹流条件下光滑齿面和含粗糙度齿面的油膜压力与油膜厚度,以无人机典型工况下齿面关键啮合点处润滑状态为表征进行分析。结果表明,热弹流条件下的平均油膜厚度要小于等温条件下平均油膜厚度,并且粗糙度是影响油膜厚度的一个重要因素。同时,啮合中点是齿面上润滑最薄弱的,其油膜厚度随工况的改变不如啮入点和啮出点处明显。粗糙度分布偏度的增加对改善润滑是有效的,峰度的改变对润滑效果影响较弱。分析含粗糙度齿面的摩擦系数与微凸体接触率后可知,低速轻载下润滑脂黏度是影响摩擦系数的关键因素,重载条件下微凸体干摩擦开始发挥作用,提升齿轮转速是减小单次啮合摩擦损失的有效方法。通过对比不同黏度润滑脂及其基础油所形成的油膜厚度发现,以往采用基础油来模拟润滑脂在高速重载下油膜厚度的经验,不适用于弧齿锥齿轮齿面上的大部分情况,需谨慎使用。通过对齿面最高温度的分析可知,齿面粗糙度偏度及峰度的增加都能够有效降低齿面最高温度,同时降低润滑脂黏度效果将会更好。
(4)根据无人机齿轮箱实际结构,采用齿轮对啮合模型建立了摩擦-动力学耦合模型。摩擦力不再采用经验公式,以混合润滑模型计算啮合点处摩擦力为准。并采用瞬时油膜压力及膜厚来计算油膜刚度的方法进行解耦。通过仿真与实验对比证明了模型的准确性。结果表明,润滑脂性质对啮合频率分量的影响较为明显,而转频分量更易受到其它零件激励的干扰。润滑脂流变特性在低速条件下对动力学的影响较为显著,在高速条件下贡献较弱。无人机自检应考虑润滑脂性质所带来的动力学干扰。
(5)建立了齿盘近似理想导热模型和齿轮热网络模型。研究了齿盘减重孔形状与导热速率间的关系,采用二维导热模型对一维模型进行修正,并将齿盘理想模型简化为可变热阻。运用前文中润滑分析相关方法及结论,估计了热网络模型中啮合点处发热量,将可变热阻耦合进热网络模型中进行计算。通过实验验证了模型的准确性,并找到了一种有助于快速导热的减重孔形状。
综上,无人机脂润滑弧齿锥齿轮的齿面润滑状态可控,并且带减
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