《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Transient flash-temperature prediction using asperity microcontact pressure for rough-textured gear-tooth surfaces under mixed lubrication
编辑推荐：
•在R-TPEHL框架中嵌入了一个能够解析凸起细节的瞬态热传递模型。•解析出的凸起压力驱动离散的移动摩擦热源。•纹理的热性能随着负载和几何形状的变化而显著变化。•滑动速度决定了作用线上的整体闪温趋势。•与CFD-FEM的模拟结果相比，峰值压力和闪温差异分别为3.2%和5.9%。引
- •
在R-TPEHL框架中嵌入了一个能够解析凸起细节的瞬态热传递模型。
- •
解析出的凸起压力驱动离散的移动摩擦热源。
- •
纹理的热性能随着负载和几何形状的变化而显著变化。
- •
滑动速度决定了作用线上的整体闪温趋势。
- •
与CFD-FEM的模拟结果相比，峰值压力和闪温差异分别为3.2%和5.9%。
引言
在高速动力传输中，集中滚动-滑动界面处的摩擦热生成是一个核心的热传递问题。一旦接触进入混合润滑状态，表面凸起之间的间歇性固体相互作用会产生高度局部化的热流[1], [2]。由此产生的温度梯度会改变润滑剂的流变特性，降低材料强度，并破坏润滑界面，从而增加擦伤、划痕和热损伤的风险。因此，预测平均接触温度以及短时间热热点的位置和演变对于齿轮的热可靠性设计至关重要。
局部闪温被广泛用于评估齿轮接触的热风险。经典的ISO/AGMA方法主要基于Blok的移动热源理论，其中摩擦功被表示为一个等效的热源，并且最大接触温度被分解为体热和闪热两部分[3], [4]。这些方法计算效率高，适用于工程估算。然而，它们的宏观接触假设对与粗糙表面相互作用相关的间歇性热生成进行了空间平均。因此，它们无法明确解析离散的凸起压力点、相应的局部热流，或齿轮啮合过程中热热点的迁移。
热弹性流体动力润滑（TEHL）模型提供了一种基于物理的描述方法，可以同时描述润滑剂流动、粘性耗散、温度依赖的润滑剂特性以及热量向接触固体中的传递[5], [6], [7]。Ding等人[5]将测量的粗糙度、非牛顿流变特性、时变啮合和三维能量传输纳入了双曲齿轮的固体-流体热力学TEHL模型中。Havaej等人[6]通过瞬态CFD-FSI分析表明，快速的负载变化会产生稳态解无法捕捉到的压力、油膜厚度和温度瞬变。粗糙表面混合TEHL模型也被应用于闪温、摩擦、磨损和时变齿轮接触的研究[8], [9]。然而，凸起加热通常仍然由平均或统计重构的接触量表示，而不是直接从解析出的微接触压力得出的瞬态热源。
测量或重构的粗糙表面的引入进一步推进了混合润滑和界面热传递分析。现有研究表明，尽管实际接触面积很小，但仍能支撑大部分施加的负载并产生强烈的、空间离散的摩擦加热[10], [11], [12]。最近的多尺度研究将微观界面温度与宏观油温联系起来，并表明接触形态、凸起变形和表面粗糙度强烈影响热流受限和热接触传导[13], [14], [15]。尽管如此，目前的齿轮接触模型仍缺乏测量地形、弹性塑性凸起干涉、实际接触面积、微接触压力和闪温热点迁移之间的直接瞬态联系。
表面纹理通过重新分配润滑剂流动、油膜厚度和固体接触进一步改变界面热行为。微凹坑和定向纹理可以改善润滑剂的保持能力和流体动力载荷支撑[16], [17]。然而，纹理边缘也可能产生陡峭的压力梯度、空化以及应力和摩擦热的局部集中[18], [19]。因此，不能仅通过平均摩擦系数或最小油膜厚度来评估纹理表面的热性能。最近的研究表明，纹理几何形状影响润滑、热传递、摩擦和磨损[20]，而凹槽优化揭示了减少拖曳扭矩和增强对流热传递之间的权衡[21]。然而，这些研究没有解决流体-固体载荷共享、啮合位置和纹理边缘引起的凸起压力如何共同控制测量到的粗糙纹理齿面上的瞬时闪温峰值的问题。
压力-速度-温度标准和机器学习替代方法有助于进行宏观热风险评估[22], [23]，但对凸起尺度上的热点迁移提供了有限的洞察。虽然R-TPEHL框架能够解析空化流动、温度依赖特性、粗糙表面变形和流体-固体载荷共享[24]，但它没有将解析出的凸起压力转换为完整的齿轮啮合周期内的离散热源。
为了解决这一不足，通过结合R-TPEHL方程、弹性塑性凸起接触、局部摩擦加热和瞬态移动源传导，开发了一个能够解析凸起细节的框架。解析出的接触压力被转换为离散的移动热源，从而能够直接跟踪测量到的粗糙纹理表面的热点强度和迁移。顺序CFD-FEM和修改后的Blok解决方案提供了数值基准。然后定量分析负载、纹理形态和啮合位置的影响，以识别局部热风险区域。
章节摘要
粗糙纹理齿轮齿面的几何建模
本研究考虑了一对标准渐开线直齿轮。两个齿轮均由高强度AISI 9310合金钢制成。初始温度和环境温度均设为25°C。假设非接触表面为绝热的，并忽略了热辐射。
图1(a)展示了齿轮啮合过程中产生的热源，包括润滑剂剪切和挤压加热以及界面凸起接触加热。图1(b)和(c)显示了接触配置
热传递模型的数值验证
在三个层面上评估了模型的可靠性：将油膜厚度预测与已发表的实验结果进行比较；使用CFD导出的对流边界条件，通过顺序CFD-FEM模型为微接触压力和闪温提供了跨方法基准；以及一个具有分层热传导的修改后的Blok模型提供了作用线上的工程参考。
预测的中心油膜厚度和最小油膜厚度分别为89纳米和73纳米
负载对润滑和界面加热的影响
图9展示了决定原始粗糙表面上局部热源强度的耦合润滑和接触场。在200 N·m的扭矩下，润滑剂油膜保持足够的间隔，凸起接触稀疏，最大冯·米塞斯应力在近表面区域内为31.2 MPa。当扭矩增加到800 N·m和1800 N·m时，油膜变薄增加了凸起支撑的载荷，最大冯·米塞斯应力分别增加到317.4 MPa和869.6 MPa
结论
本研究开发了一个用于混合润滑条件下粗糙纹理齿轮接触的能够解析凸起细节的瞬态热传递模型。R-TPEHL场、弹性塑性凸起接触、摩擦热生成和移动源传导被耦合起来，使得局部微接触压力决定了每个固体-固体热源的强度和位置。该模型因此解析了在等效源方法中被空间平均的间歇性压力点和闪温热点。
CRediT作者贡献声明
谢世强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，正式分析。邵文：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。尹峰：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。田旭：撰写 – 审稿与编辑，调查。游胜宇：方法论。文玉琴：方法论。唐金元：监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢来自中国国家自然科学基金（资助编号：52475079）和湖南省自然科学基金（资助编号：2024JJ6506）的财政支持。
谢世强|邵文|尹峰|田旭|游胜宇|文玉琴|唐金元
