斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与试验研究

蒲祥润; 陈勇; 李光鑫; 李安贺; 贺伯林

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.006

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与试验研究

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2026-05-19

- 斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与试验研究
- Dynamic simulation and test research on fatigue pitting failure of helical gear pairs
- 机械强度 2026年48卷第5期页码：49-57
- 作者机构：
  
  1.河北工业大学天津市新能源汽车动力传动与安全技术重点实验室，天津 300130
  2.广西大学机械工程学院，南宁 530004
- 作者简介：
  
  蒲祥润，男，2000年生，山东济南人，在读硕士研究生；主要研究方向为旋转机械的故障诊断；E-mail：a17854190711@163.com。
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2018YFE0207000)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.006
  中图分类号： TH132
- 收稿：2024-07-04，
  
  纸质出版：2026-05-15
- 稿件说明：
移动端阅览
蒲祥润，陈勇，李光鑫，等. 斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与试验研究［J］. 机械强度，2026，48（5）：49-57.

PU Xiangrun，CHEN Yong，LI Guangxin，et al. Dynamic simulation and test research on fatigue pitting failure of helical gear pairs［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：49-57.
蒲祥润，陈勇，李光鑫，等. 斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与试验研究［J］. 机械强度，2026，48（5）：49-57. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.006.

PU Xiangrun，CHEN Yong，LI Guangxin，et al. Dynamic simulation and test research on fatigue pitting failure of helical gear pairs［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：49-57. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.006.

摘要

目的

针对齿面点蚀这一斜齿轮接触疲劳的主要失效形式，深入研究点蚀程度对齿轮系统振动特性的影响规律。

方法

首先，构建了斜齿轮副多自由度非线性动力学模型；其次，基于实际点蚀的几何形状和位置，采用改进的势能法结合有限元法，系统分析了不同点蚀程度下的时变啮合刚度；最后，将该关键参数代入动力学模型，模拟从轻微到严重点蚀状态下的时频域振动响应，并与故障演化阶段的试验数据进行了对比验证。

结果

结果表明，仿真所得的基频谐波、故障特征频率及边频带分布等关键指标与试验结果呈现较好的一致性。研究成果为斜齿轮副的故障诊断与健康预测提供了重要的依据与技术支撑。

Abstract

Objective

Pitting corrosion on tooth surfaces is a primary failure mode in helical gear contact fatigue

significantly affecting the operational stability of gear systems. This study aims to investigate the influence of pitting severity on vibration characteristics.

Methods

Firstly

a multi-degree-of-freedom nonlinear dynamic model of a helical gear pair was established. Secondly

based on the actual pitting morphology and location

the time-varying mesh stiffness under varying degrees of pitting was analyzed using an improved potential energy method combined with the finite element method. Finally

this crucial parameter was incorporated into the dynamic model to simulate vibration responses in both time and frequency domains

ranging from mild to severe pitting conditions.

Results

The simulation results show a great agreement with the test data in terms of fundamental frequency harmonics

fault characteristic frequencies

and sideband distributions. These findings provide a foundation and technical basis for the fault diagnosis and health prognosis of helical gear pairs.

关键词

Keywords

references

陈勇，臧立彬，巨东英，等 . 高强度汽车齿轮表面强化技术的研究现状和发展趋势［J］. 中国表面工程， 2017 ， 30 （ 1 ）： 1 - 15 .

CHEN Yong ， ZANG Libin ， JU Dongying ， et al . Research status and development trend on strengthening technology of high strength automobile gear surface ［J］. China Surface Engineering ， 2017 ， 30 （ 1 ）： 1 - 15 . （In Chinese）

WU J T ， YANG Y ， CHENG J S . A novel estimation method of friction coefficient for evaluating gear pitting fault ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2021 ， 129 ： 105715 .

邹家生，许峰，卢龙 . 齿轮表面改性技术研究现状［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2009 ， 23 （ 2 ）： 113 - 116 .

ZOU Jiasheng ， XU Feng ， LU Long . The status quo of gear surface modification technology ［J］. Journal of Jiangsu University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2009 ， 23 （ 2 ）： 113 - 116 . （In Chinese）

刘怀举，张博宇，朱才朝，等 . 齿轮接触疲劳理论研究进展［J］. 机械工程学报， 2022 ， 58 （ 3 ）： 95 - 120 .

LIU Huaiju ， ZHANG Boyu ， ZHU Caichao ， et al . State of art of gear contact fatigue theories ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2022 ， 58 （ 3 ）： 95 - 120 . （In Chinese）

陈勇，李金锴，臧立彬，等 . 疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究［J］. 机械工程学报， 2021 ， 57 （ 9 ）： 61 - 70 .

CHEN Yong ， LI Jinkai ， ZANG Libin ， et al . Dynamic simulation and experimental identification for fatigue pitting helical gear fault ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2021 ， 57 （ 9 ）： 61 - 70 . （In Chinese）

ZHANG X J ， FANG Z D ， YIN X M ， et al . Transform of parameter and teeth surface modification for non-standard planetary spur gear train with X-gears ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part K：Journal of Multi-body Dynamics ， 2023 ， 237 （ 2 ）： 279 - 289 .

王征兵，师陆冰，陈超，等 . 斜齿轮及断齿故障下时变啮合刚度计算与齿间载荷分配研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 2 ）： 350 - 356 .

WANG Zhengbing ， SHI Lubing ， CHEN Chao ， et al . Study on mesh stiffness calculation and load distribution among teeth of helical gear pair and under broken tooth fault ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 2 ）： 350 - 356 . （In Chinese）

CAI Y . Simulation on the rotational vibration of helical gears in consideration of the tooth separation phenomenon（a new stiffness function of helical involute tooth pair）［J］. Journal of Mechanical Design ， 1995 ， 117 （ 3 ）： 460 - 469 .

SHENG L C ， XU M C ， SUN Q ， et al . Nonlinear dynamics analysis of gear transmission system considering tooth surface friction and thermal deformation ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part K：Journal of Multi-body Dynamics ， 2023 ， 237 （ 2 ）： 220 - 235 .

WAN Z G ， CAO H R ， ZI Y Y ， et al . Mesh stiffness calculation using an accumulated integral potential energy method and dynamic analysis of helical gears ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2015 ， 92 ： 447 - 463 .

FENG M J ， MA H ， LI Z W ， et al . An improved analytical method for calculating time-varying mesh stiffness of helical gears ［J］. Meccanica ， 2018 ， 53 （ 4 ）： 1131 - 1145 .

LUO Y ， BADDOUR N ， LIANG M . A shape-independent approach to modelling gear tooth spalls for time varying mesh stiffness evaluation of a spur gear pair ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2019 ， 120 ： 836 - 852 .

CHEN K K ， MA H ， CHE L Y ， et al . Comparison of meshing characteristics of helical gears with spalling fault using analytical and finite-element methods ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2019 ， 121 ： 279 - 298 .

WANG Q B ， XU K ， HUAI T S ， et al . A mesh stiffness method using slice coupling for spur gear pairs with misalignment and lead crown relief ［J］. Applied Mathematical Modelling ， 2021 ， 90 ： 845 - 861 .

MENG Z ， WANG F L ， SHI G X . A novel evolution model of pitting failure and effect on time-varying meshing stiffness of spur gears ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2021 ， 120 ： 105068 .

OUYANG T C ， WANG G ， CHENG L ， et al . Comprehensive diagnosis and analysis of spur gears with pitting-crack coupling faults ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2022 ， 176 ： 104968 .

MENG F S ， XIA H ， ZHANG X ， et al . A new tooth pitting modeling method based on matrix equation for evaluating time-varying mesh stiffness ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2022 ， 142 ： 106799 .

SUN Z ， TANG J Y ， CHEN S Y ， et al . Dynamical modeling and characteristics analysis of tooth spalling in gear system with weight reduction structure ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2023 ， 189 ： 105429 .

WAN Z G ， CAO H R ， ZI Y Y ， et al . An improved time-varying mesh stiffness algorithm and dynamic modeling of gear-rotor system with tooth root crack ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2014 ， 42 ： 157 - 177 .

WANG Y N ， WANG H ， LI K Y ， et al . An analytical method to calculate the time-varying mesh stiffness of spiral bevel gears with cracks ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2023 ， 188 ： 105399 .

LUO Y ， BADDOUR N ， LIANG M . Dynamical modeling and experimental validation for tooth pitting and spalling in spur gears ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2019 ， 119 ： 155 - 181 .

刘睿，陈勇，李光鑫，等 . 斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与诊断研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1050 - 1057 .

LIU Rui ， CHEN Yong ， LI Guangxin ， et al . Dynamic simulation and diagnosis of fatigue pitting fault of helical gear ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1050 - 1057 . （In Chinese）

HU A J ， LIU S X ， XIANG L ， et al . Dynamic modeling and analysis of multistage planetary gear system considering tooth crack fault ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2022 ， 137 ： 106408 .

MOHAMMED O D . Crack detection of a modified high contact ratio gear ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2023 ， 152 ： 107493 .

刘怀举，张洪春，魏沛堂，等 . 高性能齿轮传动数据库软件设计与开发［J］. 计算机集成制造系统， 2023 ， 29 （ 8 ）： 2513 - 2523 .

LIU Huaiju ， ZHANG Hongchun ， WEI Peitang ， et al . Design and development of high performance gear transmission database software ［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems ， 2023 ， 29 （ 8 ）： 2513 - 2523 . （In Chinese）

徐凡，刘文斌，张海波，等 . 含摩擦的风电齿轮传动系统非线性动力学分析［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 10 ）： 31 - 42 .

XU Fan ， LIU Wenbin ， ZHANG Haibo ， et al . Nonlinear dynamics analysis of the wind turbine gear transmission system considering friction effect ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 10 ）： 31 - 42 . （In Chinese）

ZANG L B ， CHEN Y ， HOU W J ， et al . Effect of manganese phosphate conversion coating with different crystal sizes on fatigue life of 20MnCrS5 steel helical gears ［J］. Tribology International ， 2023 ， 186 ： 108622 .

MENG Z ， PANG X S ， HAO G Q ， et al . A novel analytical model for evaluating the time-varying meshing stiffness of helical gears under irregular pitting failure ［J］. Archive of Applied Mechanics ， 2023 ， 93 （ 10 ）： 3775 - 3795 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

温变间隙引起球轴承外圈缺陷频率偏差的研究

汽车电动座椅调节器中蜗杆斜齿轮副降噪测试

斜齿轮时变啮合刚度改进算法及影响因素分析

斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与诊断研究

斜齿轮及断齿故障下时变啮合刚度计算与齿间载荷分配研究