蝸輪傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)單級(jí)高齒輪比和平穩(wěn)運(yùn)行。由于在大量滑動(dòng)和混合摩擦條件下的齒接觸，蝸輪經(jīng)常受到磨料磨損。因此，在蝸輪設(shè)計(jì)中，精確預(yù)測(cè)磨損對(duì)于確定負(fù)載能力或通過優(yōu)化齒輪幾何形狀來降低磨損強(qiáng)度至關(guān)重要。此階段通常伴隨著耗時(shí)的物理齒輪箱測(cè)試以進(jìn)行驗(yàn)證。通過數(shù)值模擬方法給出了物理齒輪箱測(cè)試的有效替代方案。

一、摩擦和磨損建模

    在對(duì)齒輪的幾何形狀進(jìn)行初步分析后,通過齒接觸分析確定嚙合區(qū)域，并在多個(gè)嚙合位置的接觸點(diǎn)中離散化。對(duì)于每個(gè)接觸點(diǎn)，潤滑油膜高度是通過使用彈性流體動(dòng)力接觸的近似方程來計(jì)算的。在這里,牙齒摩擦分為流體摩擦和邊界摩擦。流體摩擦是流體剪切的結(jié)果，而邊界摩擦則是由于表面凹凸不平的直接接觸而產(chǎn)生的。流體或邊界摩擦在某一點(diǎn)點(diǎn)主導(dǎo)地位取決于膜高度和接觸表面的微觀幾何形狀。

    由于磨損與邊界摩擦和接觸中的滑動(dòng)距離相關(guān)，因此使用能量模型基于摩擦能計(jì)算磨損。根據(jù)這個(gè)能量概念，摩擦能不會(huì)完全以熱能的形式消散，而是不可逆地以機(jī)械引起的網(wǎng)格缺陷形式儲(chǔ)存在材料中。能量會(huì)不斷累積，直到達(dá)到臨界水平，這會(huì)導(dǎo)致材料斷裂和磨損。

    在計(jì)算的各個(gè)階段用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)充模擬模型以獲得有效結(jié)果。例如，通過測(cè)量蝸桿和蝸輪齒面的表面數(shù)據(jù)來確定潤滑劑間隙高度與施加在金屬表面上的載荷比例之間的關(guān)系。此外,根據(jù)磨損試驗(yàn)的實(shí)測(cè)磨損數(shù)據(jù)，確定了蝸輪齒接觸的高能磨損模型的模型參數(shù)。

二、磨損模擬過程及應(yīng)用

    模擬被設(shè)計(jì)為迭代過程，首先確定齒輪的制造狀態(tài)的磨損和摩擦。為了在模擬中考慮磨損的影響，根據(jù)計(jì)算出的磨損，在每個(gè)計(jì)算步驟后局部修改蝸輪齒的宏觀幾何形狀。因此，仿真工允許對(duì)摩擦和磨損進(jìn)行瞬態(tài)分析。

    一般來說，蝸輪的磨損可以分為兩個(gè)不同的階段。在初始階段(磨合)，表面以及接觸圖案的尺寸適應(yīng)操作條件。這兩個(gè)階段都可以使用仿真工具進(jìn)行分析。

    接下來的穩(wěn)定磨損階段的特點(diǎn)是持續(xù)磨損，占據(jù)了齒輪壽命的大部分時(shí)間。根據(jù)蝸輪在指定工作條件下的磨損強(qiáng)度，磨損可能是齒輪壽命的限制因素。最大磨損可以通過各種標(biāo)準(zhǔn)定義為磨損顆粒對(duì)潤滑劑的降解或齒的最小厚度，以避免齒斷裂。在這種情況下，模擬工具允許確定特定蝸輪箱穩(wěn)定運(yùn)行的磨損率。通過比較磨損率和容許磨損，可以估計(jì)蝸輪箱的壽命。