机械工程学报

作者：汪汉明, 董庆兵, 陈壮, 赵波, 史修江

单位：1. 重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室 重庆 400044;2. 重庆大学机械与运载工程学院 重庆 400044;3. 中山大学海洋工程与技术学院 广州 519000;4. 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 哈尔滨 150001

关键词：行星轮系,多轴疲劳,竞争失效,残余应力,寿命预测；

基金：重庆大学机械传动国家重点实验室开放课题、国家重点研发计划(2020YFB2010100)、国家自然科学基金(52275175)和两机重大专项(J2019-IV-0018-0086)(SKLMT-MSKFKT-202211)资助项目。

齿轮在传动过程承受着交变载荷的作用，渐开线的特殊结构造成啮合过程中滑/滚比不断变化，以及齿面形貌特征导致摩擦性能的改变，最终引起齿面接触疲劳或齿根弯曲疲劳，行星轮系的服役寿命取决于齿圈、行星轮、太阳轮等各类型齿轮在接触疲劳/弯曲疲劳竞争作用下的最小寿命。针对某直齿行星轮系的传动特点，建立了包括齿圈-行星轮-太阳轮等构件的有限元模型，考虑了循环加载过程中时变参数确定的弹流润滑时变摩擦系数，根据有限元获得的多轴方向弹性场，采用Brown-Miller、Fatemi-Socie、Morrow和Smith-Waston-Topper等临界平面法，评估行星轮系疲劳裂纹萌生位置和竞争失效的寿命分布，同时基于试验测得的齿面硬度梯度拟合得到残余应力水平，并对疲劳寿命公式进行修正。最后，开展同等工况的行星轮系疲劳试验，研究了失效齿轮表面蚀坑的演变过程，并验证模型的有效性和准确性。结果表明，该齿轮箱接触疲劳强度远小于弯曲疲劳强度，Fatemi-Socie方法在评估齿轮接触疲劳寿命具有更高的准确性，太阳轮由于其各齿与不同行星轮依次啮合，因此最先发生接触疲劳，点蚀首先出现在节线靠近齿根的亚表面，考虑残余应力的接触疲劳寿命和位置与试验结果一致性良好。本研究发展的建模方法可为其他类型传动件的竞争失效疲劳预测提供思路。

来源：2025年第3期

《机械工程学报》期刊编辑部

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