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考虑微观应力循环与形貌演化的齿轮接触疲劳研究

齿轮接触疲劳是限制传动系统功率密度、服役寿命和可靠性的关键瓶颈。传统齿轮接触疲劳设计方法基于赫兹接触理论和光滑表面均质材料假设，然而齿轮粗糙表面滑滚接触将引起微观应力循环效应，循环受载过程中齿面形貌因磨损而持续演变，齿面接触条件与服役性能演化状态的关联规律较为复杂。齿轮表面处于滑滚并存的运动状态，由于相对滑动当前粗糙峰会先后与配合面上的多个粗糙峰相互作用，这种微观粗糙峰造成的一次接触中承受多次应力波动的现象称为微观应力循环。磨损贯穿齿轮的全服役周期，轮齿啮合过程中部分表面承受较大压力并使得齿面一直处在磨损过程中。本研究通过建立齿轮混合润滑接触模型，通过多道次加载模拟循环受载下的粗糙表面滑滚接触，利用雨流计数法提取应力场时间历程中的微观应力循环，根据Archard磨损理论描述粗糙峰微观磨损，通过Zaretsky疲劳准则研究齿轮接触疲劳寿命。结果表明滑滚接触将显著降低疲劳寿命，其中微观应力循环数量和幅值的增加是主要的影响因素。粗糙峰微观磨损将降低粗糙峰高度，缓解次表面应力集中，减微观应力循环，从而缓解齿轮接触疲劳风险。