当斜齿轮副产生裂纹时,会影响齿轮副的啮合刚度。为了获得更准确的裂纹斜齿轮副的啮合刚度,提出一种改进的裂纹斜齿轮啮合刚度计算模型,综合考虑轮齿刚度、齿轮基础刚度在横向和轴向的影响,研究了齿顶扩展裂纹和端面扩展裂纹两种典型裂纹工况下的齿轮系统啮合刚度,并将啮合刚度解析计算结果与有限元模拟结果进行了对比。结果表明啮合刚度的降低程度主要与裂纹区域有关,裂纹区域越大,啮合刚度降低越大;在裂缝长度和深度相同的情况下,端面扩展裂纹对啮合刚度的影响比顶部扩展裂纹更显著。仿真结果与计算结果吻合较好,验证了所提方法的准确性和有效性。

齿轮在工作中承受交变载荷的作用,会在齿根产生疲劳裂纹等故障,裂纹发生扩展不仅会影响传动精度,甚至可能造成重大的安全事故与经济损失,因此,亟需开展对齿根裂纹扩展演化规律的研究。为此,利用复变函数法构造Westergaard应力函数,分析了裂纹尖端复杂的应力场问题,并依据最大周向拉应力强度因子理论确定裂纹扩展临界条件;结合裂纹扩展过程中裂纹尖端不连续和奇异性问题的实际复杂情况,对扩展有限元法进行修正,建立了齿根裂纹扩展的有限元模型。研究计算裂纹成核点位置和齿轮基体结构中腹板外径、腹板孔与成核处对应位置关系的裂纹扩展路径,得到了不同影响因素的裂纹扩展规律并验证了修正有限元模型的准确性和有效性。研究结果进一步丰富了齿根疲劳裂纹扩展演化机理的研究。

充分利用MSC．Patran的可视化及分网功能，结合有限元重合网格法（S-FEM）在裂纹问题分析中的优势，以MSC．Patran为平台，使用PCL语言开发了求解裂纹问题的二维有限元重合网格法分析模块，应用此模块计算单边直裂纹和斜裂纹矩形板应力强度因子，并模拟了斜裂纹的裂纹扩展路径，验证了程序模块及方法的正确性。