扫描二维码
或点击文末“阅读原文”
可阅读论文
高性能齿轮传动是广泛应用于航空、风电、舰船、特种车辆等领域的关键基础件，其特征是接触应力大（2 GPa以上）、传递功率高（达MW级）、设计寿命长（循环次数107以上），是国家重大需求与国民经济主战场的基础技术保障。因齿轮疲劳失效致使装备出现故障，高性能齿轮传动存在显著的国内外技术差距，影响国防安全与国民经济建设。高性能齿轮传动疲劳问题是限制装备服役性能与可靠性的重要瓶颈，由于其背后润滑接触性能退化机理复杂，该问题成为国际研究前沿热点，也是工程技术亟需。随着国际形势与国内建设进入新格局，以国际空天资源竞争、新一代武器装备战斗效能提升、新能源汽车降价潮、风电“平价上网”等为代表的发展趋势对高性能齿轮传动的需求更加迫切。
常规齿轮强度设计仍停留在赫兹接触理论基础上，基于光滑表面、无润滑、材料均质等假设，对微点蚀、深层齿面断裂等近年来涌现的重载齿轮接触疲劳失效形式无法预测；基于安全系数进行粗放式强度评估，不能满足当前齿轮强度精准设计和寿命预测的需求，极大影响了产品竞争力；表面粗糙度、润滑、动载荷等表面完整性参数的影响采用经验系数来体现，这些经验系数来自国外几十年前的试验数据，不能反映当前我国材料和工艺环境水平，无法支撑定量评价与高表面完整性创成。这些工程挑战的根源是齿轮润滑接触性能退化机理这一关键科学问题尚未揭示，极大限制了现代高性能齿轮传动抗疲劳、长寿命、高可靠正向设计体系。
针对高性能齿轮传动抗疲劳、抗磨减摩的应用需求，涂覆层技术成为航空等领域齿轮传动的有效表面工程技术，软、硬涂层在齿轮上都有成功应用。例如航空发动机起动时滑油系统没有正常工作，齿轮啮合副之间无法建立起正常的油膜，容易造成齿轮非正常磨损或胶合失效，目前国内普遍采用表面镀银（制备软涂层）等方法来避免齿面直接接触，但涂层长期工作可能出现涂层脱落、过度磨损等情况，失去表面工程效果。因此揭示齿轮涂层润滑、接触、啮合特性是实现高性能齿轮涂层设计制造的必要前提。
面向高性能齿轮传动抗疲劳设计的重大需求，着力解决高性能齿轮润滑接触性能退化机理这一共性关键科学问题，遵循“界面润滑接触—性能退化机理—高表面完整性创成”技术逻辑思路，系统、持续开展了齿轮宏微观形貌—润滑跨尺度多场耦合接触、基于表面完整性的高性能齿轮疲劳失效机理、齿轮高表面完整性创成等方面的理论创新研究。齿轮涂层润滑接触特性分析研究思路为充分考虑齿面微观形貌等表面完整性要素，基于涂层和基体的力学、热性能参数和润滑参数等边界条件，构建基于频响函数法和离散卷积—快速傅里叶变换的涂层齿轮弹流润滑接触数值模型，分析涂层与基体力学属性、涂层结构等对齿面压力分布、摩擦系数、油膜厚度等摩擦学特性的影响规律。
在齿轮热弹塑性流体动力润滑模型基础上，针对涂层齿轮非均质特性带来的润滑接触求解方法缺失的问题，克服涂层固体接触分析中表面载荷和应力分量之间影响系数不能显式表达的局限，开发了基于频响函数法和离散卷积—快速傅里叶变换的涂层齿轮弹流润滑接触算法，率先实现了涂层齿轮摩擦场、应力场、变形场和温度场的耦合求解，von Mises应力求解精度与有限元结果相差不超过9%；发现由于硬涂层状态下的高压力梯度和高润滑粘度，随着涂层弹性模量的增加，油膜剪应力幅值和摩擦系数增加；揭示了齿面最小油膜厚度随涂层/基体模量比的变化规律。
涂覆层技术成为航空等领域齿轮传动的有效表面工程技术，软、硬涂层在齿轮上都有成功应用。该研究为新一代直升机、航空发动机和空天对接机构等高性能齿轮涂覆层设计与评估提供了重要理论支撑。
刘怀举，巴渝青年学者，重庆大学机械传动国家重点实验室专任教师。长期从事机械传动智能设计、抗疲劳设计制造、复合材料齿轮、基础数据库与软件开发等方面研究，获教育部科技进步二等奖2项。针对航空、航天、舰船、风电、新能源汽车、重载汽车等高端装备以及极端服役环境对高性能齿轮的要求，开展高性能齿轮表面完整性分析、主动设计与抗疲劳制造研究，提出了考虑宏微观几何形貌、残余应力、硬度梯度的齿轮疲劳性能分析方法，探索了表面粗糙度、残余应力等对微点蚀、点蚀、齿面深层剥落、齿根断裂等的影响规律，形成了齿轮喷丸强化、滚磨光整工艺仿真与试验表征技术，开展了齿轮接触、弯曲疲劳试验方法研究与性能试验，绘制了18CrNiMo7-6、8620H、9310等高性能齿轮材料的疲劳SN曲线与强度极限，初步开发了齿轮设计-加工-试验基础数据库软件，支撑解决制约我国高端装备发展的基础件“卡脖子”问题。
重庆大学高速重载齿轮传动研究团队依托机械传动国家重点实验室，几十年来坚守齿轮传动基础与应用研究，先后承担齿轮传动领域的国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国防预研等重要科研任务，在齿面创成、啮合原理、表面强化、表面完整性设计制造等方面取得创新研究成果，获国家科技进步二等奖2项、省部级科技奖励5项。以高性能机械传动领域长期积累的优势为基础，针对航空、风电、舰船等领域高性能齿轮设计制造的需求，开展航空齿轮精密成形、抗疲劳设计制造、基础数据建设与软件开发技术研究。建有各类相关测试台架与试验设备、设计分析软件平台50余套，具备良好软硬件研究条件。
期刊简介
Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域的国际性学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2019年度影响因子为5.290，在国际摩擦学领域15余种SCI-E数据库收录期刊中排名第一，成为我国乃至亚洲首个进入全球机械工程领域前10名的国际学术期刊（大类学科排名前8%），2020年在线发文量超过160篇。
点击“阅读原文”可阅读论文
电话：86-01062781379
传真：86-01062781379
E-Mail: sklt@tsinghua.edu.cn