CN102720832A - 一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法，包括以下步骤：将形成反形接触的两个物体分别设为接触体一与接触体二，控制实际配对的接触体一和接触体二表面的线速度以及滑滚比值；在接触体一上涂亲油涂层，在接触体二上涂憎油涂层，在接触体一和接触体二之间充满润滑油，并在其线接触区施加使最大赫兹接触压力不小于0.5GPa的载荷，从而形成改善后的线接触流体润滑。本发明对于高速、重载、大滑滚比下齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的线接触润滑具有重要应用价值，能大幅降低这些机械传动润滑中的摩擦能耗、表面温升，大幅改善这些机械传动的润滑状态，显著提高这些传动零件的表面抗胶合能力、耐磨能力、工作性能，并延长其寿命。

Description

一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法
技术领域
本发明涉及齿轮传动、蜗杆蜗轮传动领域，具体地说是一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法。
背景技术
润滑问题是高速、重载、大功率齿轮传动，尤其是蜗杆蜗轮传动中的关键技术难题和技术瓶颈，它制约着这些机械传动品质的进一步提高，束缚了这些机械传动的进一步发展。
齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的流体润滑属于大滑滚比下线接触润滑，这种润滑的缺点是，难以形成润滑油膜，使接触区承载能力下降、摩擦系数增大、能耗增大、发热严重和磨损加剧，这样条件下的接触区容易发生齿面磨损和齿面胶合失效。
目前，解决上述条件下，大滑滚比下线接触润滑问题的技术手段有：（1）提高齿面硬度；（2）精磨齿面，提高齿面光洁度；（3）增加润滑油粘度；（4）加抗胶合添加剂；（5）采用短齿制齿轮传动；（6）采用青铜等较贵金属制造蜗轮齿圈。虽然这些技术手段能减轻齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的润滑问题，如使形成的润滑油膜更厚些、使接触区摩擦系数降低些、使接触区摩擦能耗下降和摩擦发热减轻些、使齿面磨损减轻，进而缓解齿面胶合，但是，它们都没有从根本上解决这些机械传动中的润滑问题，因此不能克服润滑的技术瓶颈，不能大幅度提高这些机械传动的润滑品质。
大滑滚比下线接触流体润滑面临的技术难题是：（1）润滑油膜剪切率高、剪应力大；（2）接触区摩擦系数较大；（3）接触区摩擦能耗较大、摩擦温升较高；（4）高温下润滑油粘度下降，接触区承载能力显著降低；（5）接触区高温使润滑油的接触表面界面剪切强度降低，导致润滑油膜在接触表面滑移，而使接触区润滑油膜承载能力大大下降；（6）接触区润滑油膜承载能力的大幅下降，使两接触表面更易发生直接接触而使接触区摩擦系数进一步增大、摩擦温升进一步升高、润滑油膜更薄、润滑油膜界面滑移更严重，因此形成一个恶性循环，最终导致接触区润滑油膜失效、接触区温度急剧升高，导致接触表面高温下胶合失效和接触表面严重磨损。
发明内容
为了解决上述问题，提供一种从根本上解决大滑滚比下线接触流体的润滑问题的方法，本发明运用低的界面剪切强度和界面滑移技术，开发了一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法。
本发明的技术方案为：一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法，将形成反形接触的两个固体分别设为接触体一与接触体二，包括以下步骤：
A）控制接触体一的线速度                                                
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE001
大于接触体二的线速度
Figure 475277DEST_PATH_IMAGE002
，且滑滚比值
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 189155DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 31209DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 754315DEST_PATH_IMAGE002
分别是两实际配对的反形接触表面圆周线速度；
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 227409DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE007
分别为两配对表面曲率半径，两接触体综合杨氏弹性模量为
Figure 581030DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 644801DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE011
分别为两配对表面泊松比，
Figure 765072DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE013
分别为两配对表面杨氏弹性模量；
B）在接触体一表面涂覆用于增强润滑油-接触体一的界面剪切强度的亲油涂层，使润滑油膜在亲油涂层上不发生滑移，所述亲油涂层外表面形成接触面一；
 C）在接触体二表面涂覆用于降低润滑油-接触体二的界面剪切强度的憎油涂层，使润滑油膜在憎油涂层上都发生滑移，所述憎油涂层外表面形成接触面二；
 D）在接触面一与接触面二间充满润滑油，控制施加在所述接触体一和所述接触体二的线接触区的载荷w为中等载荷或重载荷，产生的最大赫兹接触压力不小于0.5GPa，从而形成改善后的线接触流体润滑。
其中，所述接触体二表面涂的憎油涂层为强憎油涂层的氟碳涂层或帕杰氟硅涂层或聚四氟乙烯涂层。
所述接触体一表面涂的亲油涂层为二氧化钛涂层或硅酸铝涂层。
本发明的线接触流体润滑中，对线接触区施加中等载荷或重载荷，使产生的最大赫兹接触压力不小于0.5GPa，涂有亲油涂层的接触面一与润滑油形成粘着界面，具有高的界面剪切强度，防止润滑油油膜在接触面一上发生滑移；涂有憎油涂层的接触面二与润滑油形成滑移界面，具有低的界面剪切强度，使润滑油油膜在接触面二上发生滑移；使线接触流体润滑具有大的无量纲中心膜厚，因此，线接触流体润滑具有大的承载能力，同时，又具有小的摩擦系数，并且滑滚比越大，效果越显著。
本发明的有益效果是：对于高速、重载、大滑滚比下齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的线接触润滑具有重要应用价值，能大幅降低这些机械传动润滑中的摩擦能耗、表面温升，大幅改善这些机械传动的润滑状态，显著提高这些传动零件的表面抗胶合能力、耐磨能力、工作性能，并延长其寿命。
下面，对本发明进行详细的说明以及证明：
本发明的原理是：任何两个反形接触表面形成的线接触均可等效成一个弹性圆柱体与一个刚性平面的接触，如图1所示，设弹性圆柱体的半径为
Figure 558585DEST_PATH_IMAGE014
，圆柱体圆周线速度为
Figure 679512DEST_PATH_IMAGE001
，平面线速度为
Figure 637104DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 702012DEST_PATH_IMAGE001
大于
Figure 553293DEST_PATH_IMAGE002
，则
Figure 45454DEST_PATH_IMAGE005
，其中，
Figure 614976DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 93362DEST_PATH_IMAGE007
分别为两配对表面曲率半径，两接触体综合杨氏弹性模量为
Figure 64729DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 727791DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 925555DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 323476DEST_PATH_IMAGE011
分别为两配对表面泊松比，
Figure 149350DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 248893DEST_PATH_IMAGE013
分别为两配对表面杨氏弹性模量，滑滚比值
Figure 402793DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 878774DEST_PATH_IMAGE004
。其中，A区为润滑入口区，B区为赫兹接触区。在圆柱体的圆柱面上涂覆亲油涂层，该亲油涂层外表面为接触面一，在刚性平面的表面上涂覆憎油涂层，该憎油涂层外表面为接触面二，在接触面一与接触面二之间充满润滑油，润滑油与接触面一之间形成粘着界面，与接触面二之间形成滑移界面。同时，在接触区施加载荷w，使其产生的最大赫兹接触压力不小于0.5GPa。本发明线接触流体润滑具有摩擦系数低、承载能力高的优点。
当润滑油与接触面二的界面剪切强度
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE015
接近于0时，本发明的线接触流体润滑无量纲中心膜厚（
Figure 32861DEST_PATH_IMAGE016
=
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE017
）由下式计算：
Figure 267533DEST_PATH_IMAGE018
（1），其中，
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 346872DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE021
,
Figure 616179DEST_PATH_IMAGE022
；这里，
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE023
是线接触区的载荷线密度，
Figure 526367DEST_PATH_IMAGE024
是润滑油的粘度-压力指数，
Figure 2012102310766100002DEST_PATH_IMAGE025
是大气压下润滑油粘度。当润滑油与接触面二的界面剪切强度
Figure 107390DEST_PATH_IMAGE015
接近于0时，本发明的线接触流体润滑两接触表面处的摩擦系数
Figure 800539DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
均接近于零。
证明如下：如图1所示，当润滑油与接触面一的界面剪切强度较高时，接触面一上润滑油油膜的剪应力小于该界面剪切强度，润滑油油膜在接触面一上不发生滑移，润滑油油膜在接触面一上的运动速度即为接触体一的圆周线速度；当润滑油与接触面二的界面剪切强度较低时，接触面二上润滑油油膜的剪应力大于该界面剪切强度，从而使润滑油油膜在接触面二上发生滑移。在线接触区的赫兹接触区，由于润滑油油膜的压力大、粘度高，从而使赫兹接触区中的油压梯度引起的润滑油的流动可忽略不计，故在赫兹接触区润滑油的流动可认为是由于接触表面牵引运动引起的Couette流动；在赫兹接触区，由于润滑油油膜的粘度高，且润滑油与接触面二的界面剪切强度低，因此在该区接触面二，润滑油油膜的运动速度约等于接触体一的圆周线速度。
如图1所示，在线接触区润滑入口区，由于润滑油油膜在接触面一不发生滑移，因此在该接触面处润滑油油膜的运动速度即为接触体一的圆周线速度
Figure 11443DEST_PATH_IMAGE001
；而在接触面二由于润滑油油膜滑移，润滑油油膜的运动速度大于接触体二的线速度，这样就使得流入赫兹接触区的润滑油流量增加，有助于提高接触区的承载能力。 
当润滑油与接触面二的界面剪切强度
Figure 879747DEST_PATH_IMAGE015
接近于0时，本发明线接触区润滑入口区的无量纲雷诺方程是：
Figure 272682DEST_PATH_IMAGE028
（2），此处，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 828297DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，；这里，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
是赫兹接触半宽，
Figure 148606DEST_PATH_IMAGE034
是润滑膜厚，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
是润滑油膜压力。
通过求解方程式（2）可得到上文中方程式（1）所示本发明的线接触流体润滑无量纲中心膜厚的计算式。
大滑滚比下线接触区的摩擦阻力主要来自赫兹接触区，由于
Figure 40339DEST_PATH_IMAGE015
接近于0，接触面二的摩擦阻力极小，故接触面二的摩擦系数接近于0；在中、重载下，由于赫兹接触区润滑油膜压力分布的对称性，故赫兹接触区接触面一的摩擦阻力与接触面二的摩擦阻力接近相等，这样接触面一的摩擦系数也接近于0。
在传统齿轮传动、蜗杆蜗轮传动的线接触流体润滑中，中、重载下无量纲中心膜厚由下式计算：
Figure 758283DEST_PATH_IMAGE036
（3），其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，。此处，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
是最大赫兹接触压力，
Figure 471210DEST_PATH_IMAGE040
是当两接触表面处均不出现润滑油膜滑移时线接触流体润滑无量纲中心膜厚。
在传统线接触流体润滑中，大滑滚比下中、重载下，润滑油油膜在赫兹接触区几乎整个接触面上均发生滑移，故两接触面处的摩擦阻力接近相等，均为：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
（4），此处，
Figure 65003DEST_PATH_IMAGE042
是传统线接触流体润滑中，高压下润滑油膜与接触表面界面剪切强度-润滑油膜压力比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
是常数；这样，大滑滚比下中、重载下，传统线接触流体润滑中两接触表面处的摩擦系数相等，为：
Figure 470576DEST_PATH_IMAGE044
（5）。
对于给定的工况，比较式（1）和式（3）的计算结果及式（5）计算结果和本发明的线接触流体润滑两接触表面处摩擦系数计算结果，可发现大滑滚比下中、重载下，本发明的线接触流体润滑比同等条件下传统线接触流体润滑有大得多的承载能力，而其接触表面摩擦系数却比同等条件下传统线接触流体润滑的摩擦系数低很多；这表明大滑滚比下中、重载下，本发明的线接触流体润滑具有较高承载能力和极低摩擦系数的优点，能解决齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的关键润滑难题，具有较高的工程应用价值。
如图2和图3 所示，大滑滚比（S）下，本发明的线接触流体润滑无量纲中心膜厚比同等条件下传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚大得多；这表明同等条件下大滑滚比下，本发明的线接触流体润滑比传统线接触流体润滑具有更大的承载能力，且滑滚比（S）越大，这种效果越显著。
如图4所示，当
Figure DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 299861DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 513805DEST_PATH_IMAGE015
接近于0时，本发明的线接触流体润滑两接触表面摩擦系数
Figure 824305DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 248333DEST_PATH_IMAGE027
可达到极低值，相比于同等条件下的传统线接触流体润滑摩擦系数值，有巨大的下降；这对于高速、重载、大滑滚比下齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的线接触润滑具有重要应用价值，能大幅降低这些机械传动润滑中的摩擦能耗、表面温升，大幅改善这些机械传动的润滑状态，显著提高这些传动零件的表面抗胶合能力、耐磨能力，显著提高这些传动零件的工作性能并延长其寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1的等效示意图。
图2是当
Figure DEST_PATH_IMAGE047
时，本发明线接触流体润滑无量纲中心膜厚与传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚的比较图。
图3是当
Figure 756675DEST_PATH_IMAGE048
时，本发明线接触流体润滑无量纲中心膜厚与传统线接触流体润滑无量纲中心膜厚的比较图。
图4是当
Figure 949759DEST_PATH_IMAGE015
接近0、
Figure 416512DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 203203DEST_PATH_IMAGE046
时，本发明线接触流体润滑两接触面摩擦系数与传统线接触流体润滑两接触面摩擦系数的比较图。
图5为本发明的另一等效示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法，设圆柱形接触体一与平板形接触体二形成线接触，且接触体一的圆周线速度大于接触体二的运动线速度，在所述接触体一和所述接触体二的线接触区施加使最大赫兹接触压力不小于0.5GPa的载荷，在所述接触体一的表面上涂亲油涂层，该亲油涂层外表面为接触面一，在所述接触体二的表面上涂憎油涂层，该憎油涂层外表面为接触面二，在两个所述接触面之间充满润滑油，接触面一与润滑油的界面剪切强度大于接触面二与润滑油的界面剪切强度，接触面二与润滑油之间的界面剪切强度接近于0，使润滑油油膜在接触面一上不发生滑移，使润滑油油膜在接触面二上发生滑移。
其中，所述接触体二的表面上涂的憎油涂层为强憎油的氟碳涂层。
实施例，接触体一和接触体二均由钢材制成，在接触体二的表面上涂覆强憎油性的氟碳涂层，在接触面一与接触面二之间用50号机械油的润滑油填充，当
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 374290DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 625143DEST_PATH_IMAGE052
；取
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，（1）当
Figure 593623DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure DEST_PATH_IMAGE055
时，本发明线接触流体润滑的中心膜厚为，两接触面的摩擦系数为
Figure 842388DEST_PATH_IMAGE026
==
Figure DEST_PATH_IMAGE057
；（2）当
Figure 21882DEST_PATH_IMAGE058
、时，本发明线接触流体润滑的中心膜厚为，两接触面的摩擦系数为
Figure 689198DEST_PATH_IMAGE026
=
Figure 914643DEST_PATH_IMAGE027
=
Figure 159679DEST_PATH_IMAGE057
；（3）当、时，本发明线接触流体润滑的中心膜厚为
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，两接触面的摩擦系数为
Figure 335948DEST_PATH_IMAGE026
=
Figure 751886DEST_PATH_IMAGE027
=；（4）当、
Figure 483103DEST_PATH_IMAGE060
时，本发明线接触流体润滑的中心膜厚为，两接触面的摩擦系数为
Figure 538784DEST_PATH_IMAGE026
=
Figure 621010DEST_PATH_IMAGE027
=
Figure 685918DEST_PATH_IMAGE062
。
本发明的大滑滚比下线接触流体润滑，在运动较快的接触面上设计润滑油与接触面粘着界面，使润滑油油膜在该接触面上不发生滑移；在运动较慢的接触面上设计润滑油与接触面滑移界面，使润滑油油膜在该接触面上发生滑移。中、重载和大滑滚比下，本发明的线接触流体润滑比同等条件下传统线接触流体润滑具有更大的润滑油膜厚度，因此其具有更好的承载能力，同时它的摩擦系数值又比传统线接触流体润滑摩擦系数值低得多；这表明本发明的线接触流体润滑在高速、重载、大滑滚比齿轮传动、蜗杆蜗轮传动中的重要应用价值。运用本发明技术可大幅降低这些机械传动润滑中的摩擦能耗、摩擦温升，大幅改善这些机械传动的润滑状态，显著提高这些传动零件的表面抗胶合能力、耐磨能力，显著提高这些传动零件的工作性能并延长其寿命。
如图5所示，两个反形接触表面形成的线接触还可等效成一个半径为
Figure 678144DEST_PATH_IMAGE014
的弹性圆柱体与一个半径为R’的弹性圆柱体的接触，同样适用于本方法，本发明中所述的憎油涂层还能是帕杰氟硅涂层或聚四氟乙烯涂层等多种，所述亲油涂层还能是二氧化钛涂层、硅酸铝涂层等，故该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (3)

1.一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法，将形成反形接触的两个物体分别设为接触体一与接触体二，其特征在于包括以下步骤：
A）控制接触体一的线速度                                               大于接触体二的线速度
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE004
，且滑滚比值
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 665492DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 838984DEST_PATH_IMAGE004
分别是两实际配对的反形接触表面圆周线速度；
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE014
分别为两配对表面曲率半径，两接触体综合杨氏弹性模量为
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE016
，其中
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE022
分别为两配对表面泊松比，
Figure 2012102310766100001DEST_PATH_IMAGE024
、分别为两配对表面杨氏弹性模量；
B）在接触体一表面涂覆用于增强润滑油-接触体一的界面剪切强度的亲油涂层，使润滑油膜在亲油涂层上不发生滑移，所述亲油涂层外表面形成接触面一；
 C）在接触体二表面涂覆用于降低润滑油-接触体二的界面剪切强度的憎油涂层，使润滑油膜在憎油涂层上都发生滑移，所述憎油涂层外表面形成接触面二；
 D）在接触面一与接触面二间充满润滑油，控制施加在所述接触体一和所述接触体二的线接触区的载荷w为中等载荷或重载荷，产生的最大赫兹接触压力不小于0.5GPa，从而形成改善后的线接触流体润滑。
2.根据权利要求1所述的一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法，其特征在于：所述接触体二表面涂的憎油涂层为强憎油涂层的氟碳涂层或帕杰氟硅涂层或聚四氟乙烯涂层。
3.根据权利要求1所述的一种改善大滑滚比下线接触流体润滑的方法，其特征在于：所述接触体一表面涂的亲油涂层为二氧化钛涂层或硅酸铝涂层。
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