項目背景

　　由于眾多不同的原因，在動力型的齒輪箱中，由于機械負載的原因，通常被設(shè)計采用油潤滑接觸(如圖1)。在這種情況下，在兩個齒輪之間的驅(qū)動面和受載面之間，會形成一種油膜，以分離兩個接觸面。接觸面的分離是由于彈性-水動力潤滑纖維的形成，這是由兩個齒側(cè)面之間的傾斜速度造成的。潤滑膜減少了接觸區(qū)的應(yīng)力，從而防止齒側(cè)損傷，如微點蝕、點蝕和磨損的情況。除了減少摩擦外，潤滑劑的主要任務(wù)之一是消散在輪齒接觸時產(chǎn)生的摩擦熱量。液體潤滑劑的其他優(yōu)點是消除齒接觸中研磨磨損產(chǎn)生的磨損顆粒，同時對齒輪表面防腐。

　　然而，對于某些操作條件和環(huán)境下，齒輪傳動不可能采用液體潤滑，或者只能在很大的限制或高成本下實現(xiàn)。如在食品行業(yè)，指南規(guī)定了設(shè)備中危險工作介質(zhì)材料的處理，如潤滑油。

　　因此，液體潤滑劑的使用需要設(shè)計復(fù)雜的密封系統(tǒng)，并對潤滑劑組件進行持續(xù)檢查，因此無流體滾動-滑動接觸設(shè)計思路，可以作為此應(yīng)用的另一種解決方案。在航空航天工業(yè)中，由于極端的操作條件，潤滑油和油脂的使用受到限制。這些限制包括特別大的溫度和壓力范圍。這些極端的工作條件導(dǎo)致許多油脂和油的滲漏，進而導(dǎo)致潤滑油的工作性能的變化。由于航空航天工業(yè)所要求的高系統(tǒng)可靠性，因此潤滑油和油脂的使用經(jīng)常被排除在外。此外，從經(jīng)濟角度來看，潤滑類型在變速箱的設(shè)計中起著作用。潤滑系統(tǒng)的設(shè)計和維護以及潤滑劑的購買和處理需要支付相當(dāng)大的費用(圖1)。

圖1 潤滑劑在滾動接觸中的功能和在干式潤滑中的應(yīng)用

　　由于潤滑劑供應(yīng)中斷，圖1中的齒輪顯示出兩個齒輪的嚴重變形。傳動裝置表面的變色表明材料過熱，從而導(dǎo)致強度的降低，導(dǎo)致傳動裝置失效。對潤滑劑供應(yīng)間隔的研究表明，在較高機械載荷下，傳統(tǒng)齒輪不能達到接近傳統(tǒng)應(yīng)用齒輪的運行時間。對于不能用潤滑油或不可行的應(yīng)用領(lǐng)域，固體潤滑劑系統(tǒng)提供了減少功率損耗的替代選擇。然而，干式摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)，例如，沒有消耗功率損耗的潤滑油路。這意味著需要對摩擦學(xué)機制的精確知識，特別是對于具有高機械性能的干式滾動-滑動接觸的運行負載進行研究。

　　干滾動-滑動接觸的轉(zhuǎn)移和作用機制是目前德國研究基金會DFG優(yōu)先項目DFGSPP2074研究的主題。

　　研究現(xiàn)狀

　　在干式滑動接觸中，宏觀接觸表面的應(yīng)力由正態(tài)力(壓力分布)、切向力(摩擦力分布)和溫度(熱膨脹)三個局部分量組成。在這三個分量的總和中，平行于滑動方向的應(yīng)力分量占總應(yīng)力狀態(tài)的比例最大。

圖2由干法潤滑的滾動接觸引起的應(yīng)力

　　圖2分別比較了等效應(yīng)力σy、負滑移和正滑移的三個分量的個體分布。很明顯，各個分量的最大應(yīng)力量在負滑移和正滑移之間沒有差異。然而，負滑移比正滑移的應(yīng)力之和更大，同時變化更劇烈，接觸區(qū)域由于更關(guān)鍵的應(yīng)力而增加了失效的風(fēng)險。

　　對于干式和機械高滾動滑動接觸的齒輪設(shè)計，分別采用三種不同的方法并相互組合進行驗證(圖3)。借助于優(yōu)化的齒輪幾何形狀，可以降低齒側(cè)的滑動速度，從而降低熱應(yīng)力，改善磨損行為。優(yōu)化齒輪損耗(所謂的低損耗齒輪)的特點是傾斜壓力角、小的輪廓重疊度和盡可能小的模數(shù)(降低齒高度)。 更換齒輪的材料會影響干燥運行性能。除了高合金鋼，鋁和鈦合金也可用于干式齒輪傳動。陶瓷材料已經(jīng)用于干滾動滑動軸承。然而，陶瓷不適合作為基礎(chǔ)材料應(yīng)用于齒輪，由于需要高抗拉強度，特別是由于齒嚙合，傳動時帶有類似沖擊應(yīng)力峰值。

圖3 干式潤滑滾動滑動觸點的使用方法

　　作為干滾-滑動觸點優(yōu)化設(shè)計的第三個出發(fā)點，固體潤滑劑可以以涂層的形式使用(圖3)。使用固體潤滑劑可由于減少摩擦力和降低熱膨脹，使應(yīng)力恢復(fù)。在固體潤滑劑中，聚四氟乙烯是靜摩擦和滑動摩擦系數(shù)最低的材料之一。然而，與軟金屬等其他固體潤滑油相比，聚四氟乙烯的熱工作范圍相對較低。部分軟金屬，如鉛、金、銀和銅，由于其低摩擦系數(shù)和良好的熱阻，用于滾動接觸較多。

　　在目前的研究領(lǐng)域，已經(jīng)詳細分析了使用單層和多層碳基涂層系統(tǒng)來潤滑輪齒整體，以減少應(yīng)力和磨損的影響。Brecher的工作表明，PVD涂層對齒輪和滾動滑動觸點的摩擦行為和承載能力有顯著影響。對類干球與金剛石碳涂層接觸的研究表明，位移和摩擦系數(shù)對濕度有很強的依賴性。在對干滾動-滑動接觸的質(zhì)量溫度和摩擦系數(shù)的實驗研究中，考慮了碳基硬涂層和二硫化鉬涂層對滑移的影響。根據(jù)DINIIO14635的試驗程序，滑移分階段增加。在偏離DIN-ISO14635時，各階段的載荷變化不均勻，且取決于質(zhì)量溫度的變化。試驗結(jié)果表明，與未涂層和未潤滑的滾動滑動接觸相比，摩擦性能有所改善，但沒有達到油潤滑滾動接觸的大小。

　　Kropp研究了各種材料和涂層組合中的干式接觸情況。載荷水平的載荷循環(huán)數(shù)偏離了磨損的標準化試驗程序。試驗結(jié)果分析表明，試樣的基材對涂層的使用壽命有影響。然而，沒有觀察到符合通常的齒輪鋼16MnCr5的明顯更好的組合涂層系統(tǒng)和基材。結(jié)果表明，與普通的齒輪鋼相比，需要進一步對涂層和底材料的其他組合進行顯著的改進。

　　增加涂層厚度和降低粗糙度可以增加碳涂層齒面齒側(cè)的使用壽命。 對涂層齒輪齒面使用壽命的研究表明，在應(yīng)用涂層之前，用磨合過程平滑的樣本的使用壽命沒有增加。除涂層之外，生產(chǎn)后的條件和生產(chǎn)過程中殘留的冷卻潤滑劑也會影響油潤滑齒輪的摩擦行為和負載能力。制造工藝的影響，如不同的表面結(jié)構(gòu)和剩余的冷卻潤滑劑，如何影響干式滾動-滑動接觸是值得懷疑的。

　　綜上所述，對于齒形接觸，干滾滑接觸的應(yīng)力與油潤滑滾滑接觸的應(yīng)力有顯著差異。有一些方法來實施和研究干式齒輪的應(yīng)用，但其作用機制的研究程度尚未與油潤滑齒輪的應(yīng)用相同。

　　研究對象及目標

　　目前的技術(shù)表明，干式潤滑在許多應(yīng)用中是不可行的。使用壽命的增加與功率損失的增加有關(guān)，因此出現(xiàn)了摩擦力在干式滑動接觸中摩擦力的表現(xiàn)以及表面結(jié)構(gòu)如何影響局部摩擦能分布的問題。本報告的目的是了解干滾-滑動接觸中的摩擦力行為，并計算表面結(jié)構(gòu)不同方向下的時變壓力分布和局部摩擦能(圖4)。

　　?擴大現(xiàn)有標準的范圍通常需要對擴展區(qū)域進行廣泛的實驗研究(圖4)。實驗研究需要一個統(tǒng)一的測試概念和一個明確的損傷準則。將使用初步測試來研究影響齒輪服役壽命及干滾滑接觸件的使用壽命的因素，以及其運行行為。

圖4 目標和方法

　　在粗糙表面的干接觸中，會產(chǎn)生大量的微接觸，使表觀宏觀接觸面積限制在較小的實面積內(nèi)。因此，需要一種負荷循環(huán)內(nèi)的時間、高分辨率和大面積壓力分布的計算計算方法，以研究干接觸的有效機制(圖4)。為了理論研究表面結(jié)構(gòu)的不同方向?qū)r變壓力分布的影響，本文計算和分析了微觀結(jié)構(gòu)粗糙表面與滑動方向的滾動滑動接觸?；谧儔毫Ψ植?，計算并分析了3種不同的局部摩擦能。

　　干式潤滑滾動滑動觸點的試驗研究

　　采用WZL摩擦力摩擦計，進行干滾滑接觸的首次初步試驗，研究現(xiàn)有的研究油潤滑接觸的試驗概念和試驗參數(shù)是否可以轉(zhuǎn)移到干接觸情況下。所使用的測試程序是一個分階段的壓力上升，類似于磨損損傷的測試程序。如果不滿足損傷標準，則在間值后電機轉(zhuǎn)速不變，壓力增加一級。損傷準則被定義為摩擦力的突然增加或最大摩擦力或強烈的主觀噪聲的增加。例如，圖5顯示了兩個a-C：H之間的摩擦力曲線。

圖5 帶干潤滑滾滑接觸的壓力提升

　　W涂層的表面，由于摩擦力的強烈增加，在第五個載荷水平后，試驗被中斷。摩擦力曲線顯示出一個恒定的平均摩擦力，在第一級幾乎沒有分散。隨著荷載水平的增加，摩擦力圖中的平衡等級表明，盡管法向力恒定，摩擦力仍在增大。這個假設(shè)摩擦系數(shù)增加的原因是試樣溫度的增加與試運行過程中涂層的連續(xù)磨損之間的關(guān)系。隨后對試驗表面和反軸進行分析，發(fā)現(xiàn)涂層失效(圖5)。

　　初步試驗表明，摩擦力摩擦計適用于干滾滑接觸的研究。除其他外，正常力的必要載荷范圍表明，該力在干試驗中比油潤滑試驗小，但包含了可在試驗機中映射的載荷范圍。在壓力分布的宏觀形式中，可以區(qū)分點接觸和線接觸。對于干式接觸，初步試驗表明線性接觸的重復(fù)性更好。當(dāng)改變間隔時間時，可以看出，與長間隔時間為t=1200s的測試相比，短間隔時間為t=120s的測試傾向于達到更高的壓力水平。對于間隔時間的影響，預(yù)計較低的載荷周期導(dǎo)致接觸區(qū)域的磨損更少，與較長的間隔時間相比，較短的間隔時間導(dǎo)致較低的質(zhì)量溫度。當(dāng)使用油潤滑滾滑接觸試驗程序時，特別重要的是保持持續(xù)的間隔時間，因為這會對可以達到的壓力水平有影響。此外，試驗結(jié)果的分散度高于油潤滑的滾動滑動接觸點。因此對于干式滾動滑動潤滑試驗需要多次重復(fù)，以獲得更精確數(shù)據(jù)。

　　綜上所述，最高溫度、溫度變化以及最大摩擦力可以定義為損傷準則，從而作為干式滾動接觸試驗的失效試驗。由于溫度的影響，試驗軸不同速度的可比性，摩擦載荷能力的類似試驗程序是一種適用于干式滾滑動接觸試驗研究的試驗方法。

　　圓盤接觸內(nèi)的接觸計算

　　根據(jù)所使用的制造工藝，接觸表面會出現(xiàn)不同的表面結(jié)構(gòu)，因此真實的微觀接觸表面由許多單獨的粗糙度峰的接觸組成。單個微接觸點和兩個接觸面的相對速度的組合導(dǎo)致在載荷變化范圍內(nèi)的局部壓力變化。由于熱效應(yīng)對干滾動滑動接觸點中的磨損行為的影響，局部擠壓過程對于磨損或使用壽命預(yù)測至關(guān)重要。為了更好地理解干滾滑接觸的摩擦學(xué)機制，利用計算模型研究了不同表面結(jié)構(gòu)方向?qū)毫Ψ植紩r間變化的影響(圖6)。

圖6 干潤滑接觸點內(nèi)壓力分布變化的計算方法

　　計算方法

　　對于高分辨率和大規(guī)模的壓力分布計算，采用基于半空間的接觸模型，并結(jié)合優(yōu)化的網(wǎng)格策略(組合解的方法)。解析半空間模型比有限元分析的優(yōu)點是大大降低了計算成本。因此，可以計算和分析不同強度滾動位置的真實表面地形接觸時的高分辨率壓力分布。

　　為了計算變壓分布，在每次計算出一個滾動滑動位置的壓力后，都需要旋轉(zhuǎn)滑動齒面參數(shù)。使用不同的旋轉(zhuǎn)角度測試兩個接觸盤，兩個接觸之間的滑面可以映射，這樣的主動盤的旋轉(zhuǎn)角度△αGS大于被動的旋轉(zhuǎn)角度△αPS測試盤，產(chǎn)生負滑動。圖6中示出了該方法用于計算壓力分布的變化。分析了兩個圓柱形圓盤之間的線接觸情況。感興趣的區(qū)域與矩形元素的細網(wǎng)格網(wǎng)格。宏觀接觸區(qū)域的剩余區(qū)域以較粗的分辨率網(wǎng)格化，以解釋相互作用并減少計算工作量。在進行壓力計算時，考慮了試驗盤上的平穩(wěn)壓力分布。為了觀察壓力分布的變化，細網(wǎng)格區(qū)域結(jié)合試驗盤的地形向y方向移動(圖6)。

　　壓力分布改變

　　圖7顯示了在試驗齒面上荷載變化的部分范圍內(nèi)的離散壓力曲線。對于接觸計算，假設(shè)是純彈性材料的行為，因此相對于彈塑性材料的行為發(fā)生高壓，以研究壓力分布。計算了彈性接觸計算的力平衡，以檢驗面積為500μm*50um的現(xiàn)有切口上的壓力分布。因此，切口對所有三種情況傳遞相同的法向力。

　　圖中顯示了五個滾動滑動位置(WS)的宏觀線壓力分布部分的壓力分布。在兩種齒面之間，滑移相對于試驗面為Stest=-100%，因此每個滾動滑動位置的旋轉(zhuǎn)角度△awstest=0.0135°導(dǎo)致△滑臺的滑動距離為=5um。為了研究不同表面結(jié)構(gòu)的影響，對三種變量進行了比較。這三種情況是由研磨槽方向的不同組合造成的。在橫向磨面時，磨槽沿旋轉(zhuǎn)軸(軸向)運行，在圓周磨面時，磨槽沿周向運行，從而沿摩擦力方向運行。

圖7 壓力分布取決于接觸位置和表面結(jié)構(gòu)

　　?兩種間壓力分布曲線的比較不同研磨槽方向的變量(見圖7)顯示出顯著差異。樣本1顯示了橫向地面接觸的壓力分布。在滾動位置WS1到WS3中可以看到的彎曲接觸線是由粗糙度峰值的隨機分布和表面的地形測量得出的結(jié)果。變量1的壓力分布特征圖隨著每個滾滑位置的變化而變化。這里可以看出，對于單個微接觸，在宏觀接觸區(qū)域內(nèi)存在若干接觸變化。在對照試驗中，樣本2的壓力分布對所有滾動-滑動位置都表現(xiàn)出近似恒定的接觸模式。樣本3顯示了橫向表面和圓周表面之間接觸的接觸模式。在這里，一方面，可以看到在所有滾動滑動位置上與相反地形接觸的區(qū)域。另一方面，可以通過滾動-滑動位置看到移動的區(qū)域，這可以追溯到柜臺盤的橫向地面結(jié)構(gòu)。宏觀載荷變化中的接觸變化中斷了摩擦引起的能量供應(yīng)，從而減少了局部熱輸入。因此，接觸的變化同時對局部溫度梯度和接觸的使用壽命有積極的影響。

　　局部摩擦能

　　微觀接觸區(qū)域在所有滾動滑動位置上的均勻分布的優(yōu)勢可以通過局部摩擦相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換來說明。如果從宏觀上考慮整個接觸，與摩擦相關(guān)的平均能量轉(zhuǎn)換可以根據(jù)公式1計算。為了計算摩擦能的微觀分布，正向力F可以根據(jù)公式2從所有元素的壓力和邊長dz和dy之和計算出來。

公式1及公式2

圖8 局部摩擦能的分布

　　圖8顯示了3個樣本的所有5個滾動滑動位置的總摩擦能量和宏觀接觸面積。與壓力分布類似，與摩擦相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換的分布也對樣本1和3表現(xiàn)出更均勻的分布。然而，樣本2表現(xiàn)出更高的局部摩擦能，盡管樣本1和3的局部壓力更大，但在所有滾動滑動位置上的接觸模式近似不變。

　　除了總和摩擦能外，圖8顯示了一個邊緣長度為dy=1μm和dz=5um的特征元件在兩個橫向齒面結(jié)構(gòu)之間接觸的接觸距離上的摩擦能。這兩個圖顯示了單個元素在lcontact=0.4mm的整個宏觀接觸距離上的摩擦能量轉(zhuǎn)換。摩擦能量在整個接觸距離上的分辨率為80個滾動滑動位置。對于摩擦能曲線的計算，我們認為壓力與滑動距離△slip的增量相比是恒定的。上圖顯示了滑移為Stest=-10%的摩擦能量曲線，結(jié)果滑移路徑為△slip=0.5μm。

　　摩擦能量曲線表明，所考慮的微觀元素在接觸距離上與相反的表面接觸了三次。對Stest=-28%的偏差，這將導(dǎo)致更多的整體變化。因此，上圖中的三個接觸相也是下圖中的前三個接觸相。對每種情況下的第一接觸相的比較表明，由于滑動距離△slip增大，映射了更高的摩擦能量。此外，在較高滑移時的接觸距離內(nèi)還增加了進一步的接觸相。

　　總的來說，存在一個接觸模型，它適合作為預(yù)測涂層磨損和使用壽命的預(yù)測模型的基礎(chǔ)，它考慮了取決于涂層表面無流體接觸的載荷循環(huán)數(shù)的熱效應(yīng)。假設(shè)干滾動滑動接觸中的總摩擦能轉(zhuǎn)化為熱量，計算局部摩擦能的方法為在接觸模型中考慮熱效應(yīng)提供了基礎(chǔ)。此外，利用摩擦能量的時空分布，可以實現(xiàn)和開發(fā)一種計算層磨損的方法，以應(yīng)用于干接觸。

　　總結(jié)與展望

　　減少大多數(shù)滾動接觸點，如在齒輪箱中的齒接觸的摩擦系數(shù)和磨損是通過使用帶油或潤滑脂的流體潤滑系統(tǒng)來實現(xiàn)的。這些系統(tǒng)的生產(chǎn)和維護都產(chǎn)生了高昂的成本。此外，諸如真空或高壓范圍等特定情況會導(dǎo)致流體潤滑劑的性能不穩(wěn)定。從這個角度來看，干式潤滑對于許多應(yīng)用都是必要的，因為在這種情況下，流體潤滑系統(tǒng)是不可行的。傳統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)有兩個主要功能。首先，通過分離滾動表面來降低摩擦系數(shù)，第二，從接觸區(qū)和系統(tǒng)中去除熱量，次要功能是擴大接觸區(qū)和保護接觸表面不被銹蝕。

　　為了優(yōu)化干潤滑滾動接觸，可以采用三種不同的方法：齒輪齒輪的幾何形狀、齒輪的核心材料和接觸面的涂層。本報告的目的是了解關(guān)于尺寸分布的缺陷和對干式潤滑滾動接觸點的分析。此外，還分析了粗糙表面在滾動接觸范圍內(nèi)壓力分布的變化。

　　干式潤滑式滾動滑動接觸齒輪尺寸的現(xiàn)狀表明，目前的計算負荷上限標準化準則的方法對于高機械負荷的干式潤滑是無效的。干式潤滑接觸造成的損傷模式的特征與磨損失效的特征相似。但對于實驗分析，目前還沒有統(tǒng)一的測試方法。WZL盤上摩擦試驗臺的預(yù)試驗表明，該試驗臺和磨損試驗程序適用于干潤滑滾動接觸的試驗研究。為了降低試樣的成本和試驗機的能力，采用預(yù)測模型來預(yù)測齒輪和加工工具的磨損行為和負載能力。提出了一種預(yù)測流體潤滑接觸中涂層齒翼磨損的預(yù)測模型。該預(yù)測模型在干潤滑滾動接觸上的應(yīng)用需要高分辨率，才能考慮到整個接觸面積，以考慮熱效應(yīng)。

　　本文為了預(yù)測干潤滑輥接點的磨損行為，提出了一種計算保證量分布變化的方法。三種具有不同表面結(jié)構(gòu)的樣本的接觸模式表明，兩種表面結(jié)構(gòu)的組合影響了壓力分布的變化行為。摩擦能的分布顯示了在接觸面積內(nèi)對熱效應(yīng)的影響。為了預(yù)測考慮熱效應(yīng)的磨損行為，未來需要試驗臺的實驗數(shù)據(jù)。