CN103438183B - 智能齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能齿轮，包括齿轮本体和监控装置；轮齿与两齿间底部可同时设置轮齿槽和齿轮槽，亦可仅设置轮齿槽或齿轮槽，其轮齿槽包括两条分别与齿廓线呈等距曲线的轮齿槽，以及轮齿齿顶与两条曲线齿轮槽交汇点之间的直线轮齿槽；其齿轮槽为设置在齿槽内并位于齿轮本体径向方向的直线齿轮槽；轮齿槽和齿轮槽内均填充有弹性体；监控装置包括数据接收装置和设置在弹性体内的传感器，传感器和数据接收装置之间无线连接。能够利用弹性体材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器的智能传感检测能力，能够有效地实时监测齿轮的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数，克服了现有传动装置中无法监控齿轮应力应变的技术缺陷。

Description

智能齿轮

技术领域

本发明涉及一种齿轮，具体涉及一种在设计的传动精度范围内具有自适应变形协调能力、并能过滤掉动力传递与运动变换中所产生的波动的、同时具备高精度与高可靠性能的齿轮。

背景技术

齿轮作为机械传动装置中的基础零件，在机械传动领域得到了广泛应用和发展。随着船舶、车辆、石油、水利、航空航天和国防武器等工程领域事业的迅速发展，对齿轮的传动精度、可靠性、寿命及减振、降噪等性能提出了新的要求，迫切需要研发出 “高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗、轻量化、免维护”的高性能机电传动系统。

长期以来，在机械装备动力传递与运动变换过程中，将输入端高转速、小转矩转换为输出端低转速、大转矩，不可避免地会产生波动。该波动会降低机械装备传动精度和可靠性，并引起机械振动，并影响零件的强度、寿命和降低运动精度、工作性能等。对周期性波动，一般通过增加转动惯量很大的飞轮来进行调节；对非周期性波动，一般采用调速器调节。尽管如此，实践表明，该类调节措施实际上很难解决在高铁机车、工业机器人、空间机械臂、船舶和卫星等高端装备动力传递与运动变换过程中的波动问题。除此之外，机械系统传动装置中各零件的制造及装配误差，轮齿啮合时的啮入、啮出冲击，轮齿啮合齿对数交替变化时的刚度激励，负载工况对传动装置的激励，以及运行过程中零部件的摩擦磨损、温度变化和环境影响等因素，都将加大传动机构运行过程中的波动，从而严重影响机械系统的精度、可靠性、寿命等。

现有传动技术中，高精度与高可靠的矛盾关系并没有得到解决，在高低温交变、振动冲击等极端工况与特殊环境下，由于齿轮材料的热变形及与外界环境产生耦合振动将导致齿廓干涉从而加剧齿面磨损及疲劳，甚至是齿与齿之间的“卡涩”甚至“卡死”现象，严重影响齿轮传动的可靠性。

同时，在一些特殊工程领域，如机器人、自动化、航空、航天和国防武器装备等领域中，在满足功能要求的前提下还对可靠性提出了严格要求，要求零部件实现信息化、智能化，能实时在线监测各零部件的运行状态，并对齿轮传动的失效作出预估和预判以保证装备的可靠性及人民财产安全。目前国内外在进行减速器中齿轮运转过程中各项参数的信号测量时，由于传动装置内部空间狭小，环境复杂，传感器布置安装困难，信号传输易受干扰，所以一直缺乏有效的测试方法，给传动装置动态数据的采集、状态监测带来极大困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能齿轮，该智能齿轮不仅能够实时监控齿轮的运行状况，而且在传动精度范围内具有自适应变形协调能力，能降低接触应力并提高承载能力，并过滤掉动力传递与运动变换过程中的波动，有效防止齿轮传动的“卡涩”甚至“卡死”等问题，从而具有高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗、减振降噪等优点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种智能齿轮，包括齿轮本体和用于实时监控齿轮本体工况的监控装置，所述齿轮本体上设有轮齿和齿槽；

所述轮齿内设有轮齿槽，所述轮齿槽包括两条分别与所述轮齿的齿廓线呈等距曲线的曲线轮齿槽和设置在所述轮齿齿顶与两条曲线轮齿槽交汇点之间并位于所述齿轮本体径向方向的直线轮齿槽，所述轮齿槽内填充设有弹性体；所述监控装置包括数据接收装置和设置在所述弹性体内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器，所述传感器和数据接收装置之间无线连接；或，

所述齿槽内设有齿轮槽，所述齿轮槽包括对称设置在所述齿槽内并位于所述齿轮本体径向方向的直线齿轮槽，所述齿轮槽内填充设有弹性体；所述监控装置包括数据接收装置和设置在所述弹性体内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器，所述传感器和数据接收装置之间无线连接；或，

所述轮齿内设有轮齿槽，所述轮齿槽包括两条分别与所述轮齿的齿廓线呈等距曲线的曲线轮齿槽和设置在所述轮齿齿顶与两条曲线轮齿槽交汇点之间并位于所述齿轮本体径向方向的直线轮齿槽；所述齿槽内设有齿轮槽，所述齿轮槽包括对称设置在所述齿槽内并位于所述齿轮本体径向方向的直线齿轮槽；所述轮齿槽和齿轮槽内均填充设有弹性体，所述监控装置包括数据接收装置和设置在所述弹性体内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器，所述传感器和数据接收装置之间无线连接。

进一步，所述传感器为无源传感器，所述数据接收装置内设有电磁波发送装置，所述传感器内设有至少一个用于接收来自数据接收装置的电磁波、并将电磁波转换为电能的传导元件；或，

所述传感器为有源传感器，且传感器内设有用于将所述弹性体弹性变形产生的能量转换为电能的导电聚合物电路。

进一步，还包括与所述数据接收装置相连并用于处理所述传感器采集的监控数据的数据处理装置；所述传感器为微米级或纳米级传感器。

进一步，所述齿轮槽还包括设置在所述直线齿轮槽靠近所述齿轮本体中心一端的圆孔槽。

进一步，所述直线齿轮槽的长度等于所述轮齿齿全高的0.15-2.0倍，所述圆孔槽的直径等于所述齿轮本体分度圆直径的0.0005-0.1倍。

进一步，所述直线齿轮槽的槽宽等于0.001-2mm；所述直线轮齿槽的长度等于所述轮齿齿全高的0.1-1.5倍。

进一步，所述弹性体为高分子橡胶合金弹性体或金属橡胶弹性体。

进一步，所述弹性体为金属橡胶弹性体，且所述金属橡胶弹性体为采用下列工艺制备得到的金属橡胶弹性体：

将直径为0.05-0.3mm的金属丝制成螺旋卷，并将该螺旋卷定螺距拉伸后铺放形成毛坯，将毛坯循环冷却成型处理后再热处理，得到具有弹性多孔特性的金属橡胶弹性体。

进一步，用于制作所述弹性体的金属丝的材质为适用于常温无侵蚀环境的高强度钢或适用于高温/有侵蚀环境的奥氏体不锈钢。

进一步，所述金属丝螺旋卷的中径等于金属丝直径的2-7倍。

本发明的有益效果在于：

本发明的智能齿轮，通过在轮齿上设置轮齿槽和/或在齿槽内设置齿轮槽，通过可控的自适应弹性变形过滤掉由电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声；通过在弹性体内设置用于监控齿轮本体工况的传感器，能够实时监控齿轮本体的工作状态，具体取得了如下有益效果：

1）实现齿轮传动的智能测控功能

本发明的智能齿轮通过在弹性体内设置传感器，利用弹性体材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器的智能传感检测能力，能够有效地实时监测齿轮的实际工作状态，即传感器能够实时监控齿轮在传动过程中的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数，并根据齿轮工况动态调节传动装置相关参数，使传动机构具有自适应变形可控功能，能够对齿轮传动的失效作出预估和预判，解决传动装置动态数据采集、状态监测困难等难题，克服了现有传动装置中无法监控齿轮应力应变的技术缺陷，因此本发明的智能齿轮特别适用于机器人、航空、航天和国防武器装备等对齿轮传动机构性能要求严格的工程领域；

2）具有自适应变形协调功能

本发明的智能齿轮通过在轮齿上设置轮齿槽和/或在齿槽上设置齿轮槽，使得轮齿更具弹性，可以使侧隙降低到某一最小值，甚至消除侧隙，从而在轮齿啮合表面间有可能得到零隙，使回差显著减小，提高传动精度；当齿轮处于恶劣的工况时，普通轮齿易发生齿廓“卡涩”或“卡死”，加剧齿面的磨损、疲劳，导致可靠性降低，而本发明的智能齿轮可避免上述问题，利用弹性体材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器的智能传感检测能力，有效地监测齿轮的实际工作状态，动态调节传动装置的相关参数，实现对齿轮传动中的动态数据进行在线智能测控，特别是在所设计的传动精度范围内使传动机构具有自适应变形协调等功能，解决高精度与高可靠间的矛盾，有效防止齿轮传动的“卡涩”“卡死”等问题，降低摩擦、磨损、振动、噪声、能耗和疲劳等；

3）提高齿轮寿命

本发明的智能齿轮通过在轮齿上设置轮齿槽和/或在齿槽上设置齿轮槽，可以有效降低赫兹接触应力，通过在轮齿槽内设置与轮齿齿廓曲线呈等距曲线的曲线轮齿槽，可以增大接触面积，改善轮齿槽内部的接触应力，另外，齿根部的弯曲应力也会因轮齿槽和齿轮槽的影响而显著降低，从而提高了齿轮的寿命；另外，通过设置齿轮槽，将直线齿轮槽的槽宽设计为合理的宽度，并在齿轮槽内填充设置弹性体，当处于极端工况时（比如载荷突然增大），弹性体可以产生适当的变形，从而改变轮齿的应力状态，使其应力更加均布，从而达到提高齿轮寿命和可靠性的目的；

4）减小齿轮振动和实现高效节能

由于齿轮的重合度通常在1~2之间，在啮合过程中存在单双对齿交替啮合的过程，导致啮合刚度存在较大的突变，产生刚度激励，引起齿轮振动，而本发明的智能齿轮则可有效改善上述情况，因为齿槽内开设有直线齿轮槽，当齿轮在单对啮合时，载荷由一个轮齿承担，轮齿产生的变形将消除齿轮本体上的槽的侧隙，根据叠加原理，轮齿的剩余部分载荷将由轮齿从齿顶到齿根的悬臂梁来承担；当齿轮进入双啮合区时，载荷由两个轮齿承担，每一个齿上承载的力将显著减小，所以其产生的变形量不足以弥补直线齿轮槽的侧隙值，使得齿轮的承载相当于由轮齿的齿顶到齿轮本体槽的根部的悬臂梁来承担，导致悬臂长度相对于一个轮齿承载时增加了近一倍，根据材料力学可知，将显著减小其刚度值；这样单啮和双啮的刚度之间的差值将会减小，从而有效减少了刚度激励，减轻了齿轮振动；

通过在轮齿槽和齿轮槽内填充设置弹性体，弹性体可以有效增大齿轮系统阻尼，吸收波动产生的能量，减小因传动装置制造装配误差、轮齿啮合冲击、负载工况激励等因素引起的振动和噪声，过滤掉动力传递与运动变换过程中所产生的波动，降低齿轮振动幅值，减小了能量损耗，达到了高效节能的目的；

5）适用范围广

本发明的智能齿轮可适用于外齿轮和内齿轮，并适用于渐开线的直齿、斜齿、锥齿和摆线齿等齿形的齿轮，当然，非渐开线齿轮也可适用于本发明的智能齿轮，其原理相当，不再累述。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明智能齿轮实施例1的结构示意图；

图2为图1的A详图；

图3为普通齿轮在第一个啮合点时的应力云图；

图4为本实施例智能齿轮在第一个啮合点时的应力云图；

图5为普通齿轮在第二个啮合点时的应力云图；

图6为本实施例智能齿轮在第二个啮合点时的应力云图；

图7为普通齿轮在第三个啮合点时的应力云图；

图8为本实施例智能齿轮在第三个啮合点时的应力云图；

图9为普通齿轮的综合啮合刚度图；

图10本实施例智能齿轮的综合啮合刚度图；

图11为本发明智能齿轮实施例2的结构示意图；

图12为本发明智能齿轮实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

如图1所示，为本发明智能齿轮实施例1的结构示意图。本实施例的一种智能齿轮，包括齿轮本体1和用于实时监控齿轮本体工况的监控装置，齿轮本体1上设有轮齿和齿槽；

轮齿内设有轮齿槽，轮齿槽包括两条分别与轮齿的齿廓线呈等距曲线的曲线轮齿槽3和设置在轮齿齿顶与两条曲线轮齿槽3交汇点之间并位于齿轮本体1径向方向的直线轮齿槽2。齿槽内设有齿轮槽4，齿轮槽4包括对称设置在齿槽内并位于齿轮本体1径向方向的直线齿轮槽。本实施例的齿轮槽4还包括设置在直线齿轮槽靠近齿轮本体1中心一端的圆孔槽，通过设置圆孔槽，能够有效改善齿轮本体1在齿轮槽4处变形后的应力分布。轮齿槽和齿轮槽4内均填充设有弹性体5，监控装置包括数据接收装置6和设置在弹性体5内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器7，传感器7和数据接收装置6之间无线连接，本实施例的弹性体5内设有6个传感器7，用于分别监控齿轮本体1在传动过程中的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数。

进一步，本实施例的传感器7为无源传感器，数据接收装置6内设有电磁波发送装置，传感器7内设有至少一个用于接收来自数据接收装置6的电磁波、并将电磁波转换为电能的传导元件，本实施例的传感器7内设有一个传导元件。采用该结构的监控装置，能够对传感器7进行供电并保证传感器7能够长时间稳定工作。本实施例的智能齿轮还包括与数据接收装置6相连并用于处理传感器7采集的监控数据的数据处理装置，传感器7为微米级或纳米级传感器，能够将传感器7安装在弹性体5内，本实施例的传感器7采用纳米级传感器。

进一步，直线齿轮槽2的长度等于轮齿齿全高的0.15-2.0倍，圆孔槽的直径等于齿轮本体1分度圆直径的0.0005-0.1倍；直线齿轮槽的槽宽等于0.001-2mm；直线轮齿槽2的长度等于轮齿齿全高的0.1-1.5倍。通过将直线齿轮槽的长度和槽宽根据齿轮实际运行情况设计为合理值，能够在保证齿轮传动精度和承载能力的条件下，使齿轮本体1具有合适的弹性变形能力，能够有效减小齿轮传动过程中的振动，改善齿轮传动受力的应力分布，提高齿轮寿命。本实施例的直线齿轮槽的长度等于轮齿齿全高的0.8倍，圆孔槽的直径等于齿轮本体1分度圆直径的0.01倍，直线齿轮槽的槽宽等于0.1mm，直线轮齿槽2的长度等于轮齿齿全高的0.12倍，能够满足齿轮受力要求。

本实施例的智能齿轮，通过在轮齿上设置轮齿槽和/或在齿槽内设置齿轮槽4，通过可控的自适应弹性变形过滤掉由电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声；通过在弹性体5内设置用于监控齿轮本体工况的传感器7，能够实时监控齿轮本体1的工作状态，具体取得了如下有益效果。

1）实现齿轮传动的智能测控功能

本实施例的智能齿轮通过在弹性体5内设置传感器7，利用弹性体5材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器7的智能传感检测能力，能够有效地实时监测齿轮的实际工作状态，即传感器7能够实时监控齿轮在传动过程中的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数，并根据齿轮工况动态调节传动装置相关参数，使传动机构具有自适应变形可控功能，能够对齿轮传动的失效作出预估和预判，解决传动装置动态数据采集、状态监测困难等难题，克服了现有传动装置中无法监控齿轮应力应变的技术缺陷，因此本实施例的智能齿轮特别适用于机器人、航空、航天和国防武器装备等对齿轮传动机构性能要求严格的工程领域。

2）具有自适应变形协调功能

本实施例的智能齿轮通过在轮齿上设置轮齿槽和/或在齿槽上设置齿轮槽4，使得轮齿更具弹性，可以使侧隙降低到某一最小值，甚至消除侧隙，从而在轮齿啮合表面间有可能得到零隙，使回差显著减小，提高传动精度；当齿轮处于恶劣的工况时，普通轮齿易发生齿廓“卡涩”或“卡死”，加剧齿面的磨损、疲劳，导致可靠性降低，而本实施例的智能齿轮可避免上述问题，利用弹性体材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器的智能传感检测能力，有效地监测齿轮的实际工作状态，动态调节传动装置的相关参数，实现对齿轮传动中的动态数据进行在线智能测控，特别是在所设计的传动精度范围内使传动机构具有自适应变形协调等功能，解决高精度与高可靠间的矛盾，有效防止齿轮传动的“卡涩”“卡死”等问题，降低摩擦、磨损、振动、噪声、能耗和疲劳等。

如图3-8所示，分别为普通齿轮和本实施例的智能齿轮的动态仿真受力云图，普通齿轮和本实施例的智能齿轮的齿轮参数均为：模数M=1，齿数Z=20 ，齿轮材料弹性模量为200Gpa，本实施例的智能齿轮弹性体5的弹性模量为10Gpa。在对普通齿轮和本实施例智能齿轮施加相同载荷的情况下：

1）如图3和图4所示，为普通齿轮和本实施例智能齿轮第一个相同啮合点时的应力云图，可知普通齿轮的最大应力737Mpa，本实施例的智能齿轮最大应力620Mpa；

2）如图5和图6所示，为普通齿轮和本实施例智能齿轮第二个相同啮合点时的应力云图，可知普通齿轮的最大应力562Mpa，本实施例的智能齿轮最大应力439Mpa；

3）如图7和图8所示，为普通齿轮和本实施例智能齿轮第三个相同啮合点时的应力云图，可知普通齿轮的最大应力607Mpa，本实施例的智能齿轮最大应力525Mpa；

由上述仿真分析结果可以得出，本实施例的智能齿轮的应力分布较为均匀，最大应力值也随之减小，弹性体起到了变形协调的作用，并且缓解了应力集中的状况。

3）提高齿轮寿命

本实施例的智能齿轮通过在轮齿上设置轮齿槽和/或在齿槽上设置齿轮槽4，可以有效降低赫兹接触应力，通过在轮齿槽内设置与轮齿齿廓曲线呈等距曲线的曲线轮齿槽3，可以增大接触面积，改善轮齿槽内部的接触应力，另外，齿根部的弯曲应力也会因轮齿槽和齿轮槽4的影响而显著降低，从而提高了齿轮的寿命；另外，通过设置齿轮槽4，将直线齿轮槽的槽宽设计为合理的宽度，并在齿轮槽4内填充设置弹性体5，当处于极端工况时（比如载荷突然增大），弹性体5可以产生适当的变形，从而改变轮齿的应力状态，使其应力更加均布，从而达到提高齿轮寿命和可靠性的目的。

4）减小齿轮振动和实现高效节能

由于齿轮的重合度通常在1~2之间，在啮合过程中存在单双对齿交替啮合的过程，导致啮合刚度存在较大的突变，产生刚度激励，引起齿轮振动，而本实施例的智能齿轮则可有效改善上述情况，因为齿槽内开设有直线齿轮槽，当齿轮在单对啮合时，载荷由一个轮齿承担，轮齿产生的变形将消除齿轮本体1上的槽的侧隙，根据叠加原理，轮齿的剩余部分载荷将由轮齿从齿顶到齿根的悬臂梁来承担；当齿轮进入双啮合区时，载荷由两个轮齿承担，每一个齿上承载的力将显著减小，所以其产生的变形量不足以弥补直线齿轮槽的侧隙值，使得齿轮的承载相当于由轮齿的齿顶到齿轮本体槽的根部的悬臂梁来承担，导致悬臂长度相对于一个轮齿承载时增加了近一倍，根据材料力学可知，将显著减小其刚度值；这样单啮和双啮的刚度之间的差值将会减小，从而有效减少了刚度激励，减轻了齿轮振动；

通过在轮齿槽和齿轮槽4内填充设置弹性体5，弹性体5可以有效增大齿轮系统阻尼，吸收波动产生的能量，减小因传动装置制造装配误差、轮齿啮合冲击、负载工况激励等因素引起的振动和噪声，过滤掉动力传递与运动变换过程中所产生的波动，降低齿轮振动幅值，减小了能量损耗，达到了高效节能的目的。

5）适用范围广

本实施例的智能齿轮可适用于外齿轮和内齿轮，并适用于渐开线的直齿、斜齿、锥齿和摆线齿等齿形的齿轮，当然，非渐开线齿轮也可适用于本发明的智能齿轮，其原理相当，不再累述。

进一步，弹性体5为高分子橡胶合金弹性体或金属橡胶弹性体。本实施例的弹性体5为金属橡胶弹性体，且金属橡胶弹性体为采用下列工艺制备得到的金属橡胶弹性体：

将直径为0.05-0.3mm的金属丝制成螺旋卷，并将该螺旋卷定螺距拉伸后，按照一定形状将螺旋卷铺放形成毛坯，将毛坯循环放在相应的模具中冷却成型处理后，再热处理，并最终得到具有弹性多孔特性的金属橡胶弹性体。

本实施例的金属橡胶弹性体，在特殊与极端环境下（高温、低温、高压、高真空及剧烈振动）具有所选金属的固有特性，又具有类似于橡胶一样的弹性，在空间环境下不蒸发，不惧高温和低温，不怕空间辐射和粒子撞击，选择不同的金属还可以耐腐蚀环境，且无老化的可能，并具有阻尼减振等特性。即采用该工艺方法制备得到的金属橡胶弹性体具有与所选金属相当的弹性模量和具有如橡胶一样的柔性，且相对于高分子橡胶合金弹性体阻尼更大，具有更好的阻尼减振能力。

优选的，用于制作弹性体5的金属丝的材质为适用于常温无侵蚀环境的高强度钢，如牌号为50CrVA和30VMnSi的高强度钢，或适用于高温/有侵蚀环境的奥氏体不锈钢，如牌号为GH35、GH20、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti的奥氏体不锈钢，即弹性体5的材质根据齿轮本体1的工作环境选定，本实施例的智能齿轮应用于高温有侵蚀的环境中，弹性体5选用牌号为0Cr18Ni9Ti的奥氏体不锈钢制作，能够满足使用环境的要求，提高弹性体5的使用寿命。

优选的，金属丝螺旋卷的中径等于金属丝直径的2-7倍，采用该结构的弹性体5，能够保证弹性体5具有足够的阻尼特性。

实施例2

如图11所示，为本发明智能齿轮实施例2的结构示意图。本实施例的智能齿轮，包括齿轮本体1和用于实时监控齿轮本体工况的监控装置，齿轮本体1上设有轮齿和齿槽。轮齿内设有轮齿槽，轮齿槽包括两条分别与轮齿的齿廓线呈等距曲线的曲线轮齿槽3和设置在所齿齿顶与两条曲线轮齿槽3交汇点之间并位于齿轮本体1径向方向的直线轮齿槽2，轮齿槽内填充设有弹性体5，本实施例的直线轮齿槽2的长度等于轮齿齿全高的0.1倍。监控装置包括数据接收装置6和设置在弹性体5内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器7，传感器7和数据接收装置6之间无线连接。本实施例的弹性体5内设有4个传感器7，分别用于分别监控齿轮本体1在传动过程中的转矩、转速；应力、应变；加速度和温度等反应齿轮工况的参数。

采用该结构的智能齿轮能够利用变形协调原理，通过可控的弹性变形量过滤掉由电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声，保证传动装置在所设计的传动精度和承载的能力范围内工作的同时，能够有效防止极端工况与特殊环境影响下齿轮传动装置的“卡涩”和“卡死”现象，从而解决目前齿轮传动中普遍存在的高精度与高可靠的矛盾关系，达到降低振动和噪声，提高齿轮寿命的目的。

通过在弹性体5内设置传感器7，利用弹性体5材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器7的智能传感检测能力，能够有效地实时监测齿轮的实际工作状态，即传感器7能够实时监控齿轮在传动过程中的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数，并根据齿轮工况动态调节传动装置相关参数，使传动机构具有自适应变形可控功能，能够对齿轮传动的失效作出预估和预判，解决传动装置动态数据采集、状态监测困难等难题，克服了现有传动装置中无法监控齿轮应力应变的技术缺陷。

本实施例的传感器7为有源传感器，且传感器7内设有用于将弹性体5弹性变形产生的能量转换为电能的导电聚合物电路，采用该结构的传感器7，能够利用弹性体5在传动过程中弹性变形产生的能量，使传感器7能够长时间工作，保证监控装置的可靠性。本实施例的智能齿轮应用于常温无侵蚀的环境中，弹性体5选用牌号为50CrVA的高强度钢制作，能够满足使用环境的要求，提高弹性体5的使用寿命。

本实施例的其他实施方式与实施例1相同，不再累述。

实施例3

如图12所示，为本发明智能齿轮实施例3的结构示意图。本实施例的智能齿轮，包括齿轮本体1和用于实时监控齿轮本体工况的监控装置，齿轮本体1上设有轮齿和齿槽。齿槽内设有齿轮槽4，齿轮槽4包括对称设置在齿槽内并位于齿轮本体1径向方向的直线齿轮槽。本实施例的齿轮槽4还包括设置在直线齿轮槽靠近齿轮本体1中心一端的圆孔槽，通过设置圆孔槽，能够有效改善齿轮本体1在齿轮槽4处变形后的应力分布。齿轮槽4内填充设有弹性体5。监控装置包括数据接收装置6和设置在弹性体5内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器7，传感器7和数据接收装置6之间无线连接，本实施例的弹性体5内设有1个传感器7，用于监控齿轮本体1在传动过程中的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数。本实施例的直线齿轮槽2的长度等于轮齿齿全高的2.0倍，圆孔槽的直径等于齿轮本体1分度圆直径的0.1倍；直线齿轮槽的槽宽等于1mm。

采用该结构的智能齿轮能够利用变形协调原理，通过可控的弹性变形量过滤掉由电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等产生的啮合干涉、齿面疲劳磨损、振动和噪声，保证传动装置在所设计的传动精度和承载的能力范围内工作的同时，能够有效防止极端工况与特殊环境影响下齿轮传动装置的“卡涩”和“卡死”现象，从而解决目前齿轮传动中普遍存在的高精度与高可靠的矛盾关系，达到降低振动和噪声，提高齿轮寿命的目的。

通过在弹性体5内设置传感器7，利用弹性体5材料的记忆特性与变形可控特性，以及传感器7的智能传感检测能力，能够有效地实时监测齿轮的实际工作状态，即传感器7能够实时监控齿轮在传动过程中的转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的参数，并根据齿轮工况动态调节传动装置相关参数，使传动机构具有自适应变形可控功能，能够对齿轮传动的失效作出预估和预判，解决传动装置动态数据采集、状态监测困难等难题，克服了现有传动装置中无法监控齿轮应力应变的技术缺陷。

本实施例的传感器7为有源传感器，且传感器7内设有用于将弹性体5弹性变形产生的能量转换为电能的导电聚合物电路，采用该结构的传感器7，能够利用弹性体5在传动过程中弹性变形产生的能量，使传感器7能够长时间工作，保证监控装置的可靠性。本实施例的智能齿轮应用于有侵蚀的环境中，弹性体5选用牌号为GH20的奥氏体不锈钢制作，能够满足使用环境的要求，提高弹性体5的使用寿命。

本实施例的其他实施方式与实施例1相同，不再累述。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种智能齿轮，包括齿轮本体和用于实时监控齿轮本体工况的监控装置，所述齿轮本体上设有轮齿和齿槽，其特征在于：

所述轮齿内设有轮齿槽，所述轮齿槽包括两条分别与所述轮齿的齿廓

线呈等距曲线的曲线轮齿槽和设置在所述轮齿齿顶与两条曲线轮齿槽交汇点之间并位于所述齿轮本体径向方向的直线轮齿槽，所述轮齿槽内填充设有弹性体；所述监控装置包括数据接收装置和设置在所述弹性体内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器，所述传感器和数据接收装置之间无线连接；或，

所述齿槽内设有齿轮槽，所述齿轮槽包括对称设置在所述齿槽内并位于所述齿轮本体径向方向的直线齿轮槽，所述齿轮槽内填充设有弹性体；所述监控装置包括数据接收装置和设置在所述弹性体内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器，所述传感器和数据接收装置之间无线连接；或，

所述轮齿内设有轮齿槽，所述轮齿槽包括两条分别与所述轮齿的齿廓线呈等距曲线的曲线轮齿槽和设置在所述轮齿齿顶与两条曲线轮齿槽交汇点之间并位于所述齿轮本体径向方向的直线轮齿槽；所述齿槽内设有齿轮槽，所述齿轮槽包括对称设置在所述齿槽内并位于所述齿轮本体径向方向的直线齿轮槽；所述轮齿槽和齿轮槽内均填充设有弹性体，所述监控装置包括数据接收装置和设置在所述弹性体内的至少一个用于监控齿轮本体工况的传感器，所述传感器和数据接收装置之间无线连接；

所述齿轮槽还包括设置在所述直线齿轮槽靠近所述齿轮本体中心一端的圆孔槽；所述直线齿轮槽的长度等于所述轮齿齿全高的2 倍，所述圆孔槽的直径等于所述齿轮本体分度圆直径的 0.0005 倍；所述直线齿轮槽的槽宽等于0.001-2mm；所述直线轮齿槽的长度等于所述轮齿齿全高的0.1-1.5 倍；

所述传感器为有源传感器，且传感器内设有用于将所述弹性体弹性变形产生的能量转换为电能的导电聚合物电路。

2.根据权利要求 1 所述的智能齿轮，其特征在于：还包括与所述数据接收装置相连并用于处理所述传感器采集的监控数据的数据处理装置；所述传感器为微米级或纳米级传感器。

3.根据权利要求 1 或2 所述的智能齿轮，其特征在于：所述弹性体为高分子橡胶合金弹性体或金属橡胶弹性体。

4.根据权利要求3 所述的智能齿轮，其特征在于：所述弹性体为金属橡胶弹性体，且所述金属橡胶弹性体为采用下列工艺制备得到的金属橡胶弹性体：

将直径为 0.05-0.3mm 的金属丝制成螺旋卷，并将该螺旋卷定螺距拉伸后铺放形成毛坯，将毛坯循环冷却成型处理后再热处理，得到具有弹性多孔特性的金属橡胶弹性体。

5.根据权利要求 4 所述的智能齿轮，其特征在于：用于制作所述弹性体的金属丝的材质为适用于常温无侵蚀环境的高强度钢或适用于高温/有侵蚀环境的奥氏体不锈钢。

6.根据权利要求5 所述的智能齿轮，其特征在于：所述金属丝螺旋卷的中径等于金属丝直径的2-7 倍。