CN103776628B - 减速器扭转刚度和空程误差测试实验台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减速器扭转刚度和空程误差测试实验台及其测试方法，由工作台、输入轴夹紧装置、机架、加载系统和激光干涉仪测量系统组成；输入轴夹紧装置由分度头和过渡轴组成，过渡轴的一端与被测减速器的输入轴键连接，另一端装夹在分度头的三爪卡盘上；加载系统由输出轴、加载杠杆、力传感器、过渡球腕部件、螺旋千斤顶和数字显示器组成；其中输出轴的一端与被测减速器的输出端连接，中部与加载杠杆的中间套筒键连接，另一端连接至激光干涉仪测量系统；力传感器的一端与加载杠杆的支点接触，另一端通过一过渡球腕部件与螺旋千斤顶相连；本发明可测量被测减速器在不同啮合状态下的扭转刚度和空程误差，且测量精度高，结构简单，操作简易。

Description

减速器扭转刚度和空程误差测试实验台及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种减速器扭转刚度和空程回差的测试技术，尤其涉及一种减速器扭转刚度和空程回差测试实验台及其测试方法。

背景技术

扭转刚度和空程误差是减速器的两项重要性能指标，准确测量和评价其扭转刚度和空程误差，是减速器领域的一项重要课题。齿轮减速器，无论是渐开线齿轮减速器还是摆线齿轮减速器，其扭转刚度和空程误差都会随着齿轮间的啮合状态的不同而有所变化。因此，准确测量减速器在不同啮合状态下的扭转刚度和空程误差，对减速器理论研究及实际应用都有着重要的意义。

现有的减速器扭转刚度测试实验台采用输入轴固定，输出轴加载，测量输出轴在不同加载扭矩下的转角的方式来衡量减速器的扭转刚度。该类实验台的输入轴与机架固连在一起，测试中无法改变输入轴角度，进而改变减速器中齿轮的啮合状态，即该类实验台只能测试减速器在某一固定啮合状态下的扭转刚度。现有扭转刚度实验台采用杠杆-砝码加载方式，加载杠杆通过键连接安装在减速器的输出轴上，加载杠杆的末端吊有砝码，加载力矩的大小通过砝码测量。这样的实验台难以满足高承载减速器的加载需求，且当加载杠杆处于非水平状态时，将导致测量误差。输出端转角采用角度编码器测量。角度编码器由于受到光栅条数的限制，测量精度很难满足高精密减速器的测试要求。为提高测量精度，需进行电子细分，从而增加了测量环节，带来测量误差，造成测量结果的不稳定。

发明内容

针对上述现有扭转刚度测试实验台的不足，本发明提供一种可测试减速器在不同啮合状态下扭转刚度和空程误差的测试实验台及其测试方法；本发明实验台具有测量精度高，结构简单，操作简易，可根据测量需求调整被测减速器输入轴转角，进而测量被测减速器在不同啮合状态下的扭转刚度和空回误差的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供一种减速器扭转刚度和空程误差测试实验台，由工作台、输入轴夹紧装置、机架、加载系统和激光干涉仪测量系统组成；所述输入轴夹紧装置由分度头和过渡轴组成，所述过渡轴的一端与被测减速器的输入轴键连接，所述过渡轴的另一端为球头，所述球头装夹在所述分度头的三爪卡盘上，所述分度头固定在工作台上；所述机架固定在工作台上，被测减速器固定在所述机架上；所述加载系统由输出轴、加载杠杆、力传感器、过渡球腕部件、螺旋千斤顶和数字显示器组成；其中，所述加载杠杆由中间套筒和两个力臂杆构成，所述输出轴的一端与被测减速器的输出端连接，所述输出轴的中部与所述中间套筒键连接，所述输出轴的另一端连接至所述激光干涉仪测量系统；所述力传感器的一端与所述加载杠杆的支点接触，所述力传感器的另一端通过一过渡球腕部件与螺旋千斤顶相连，所述力传感器的示数通过数字显示器读取；所述过渡球腕部件由球腕和推力轴承组成，所述球腕的上球腕固定在所述力传感器上，所述球腕的下球腕安装在所述推力轴承的座圈上，所述螺旋千斤顶包括底座和螺杆，所述螺杆的顶端设有圆柱轴头，所述推力轴承的轴圈安装在螺旋千斤顶的圆柱轴头上，所述螺旋千斤顶的底座固定在工作台上。

本发明一种减速器扭转刚度和空程误差的测试方法，采用上述减速器扭转刚度和空程误差测试实验台，并将所述力传感器、过渡球腕部件和螺旋千斤顶布置在所述加载杠杆中一个力臂杆的下方；将激光干涉仪测量系统的反射镜通过磁力表座固定在所述输出轴的端部；将激光干涉仪测量系统的干涉镜通过磁力表座固定在工作台上，将激光干涉仪测量系统的激光发射器放置在工作台上，所述激光发射器、干涉镜和反射镜的轴线重合；

扭转刚度的测试步骤如下：

步骤1-1：对力传感器零点标定，并初始化激光干涉仪测量系统的测试参数；

步骤1-2：通过操作螺旋千斤顶对被测减速器进行加载和卸载，在加载和卸载的间隔过程中通过数字显示器读取力、通过激光干涉仪测量系统的工控机读取角度，在额定载荷为50～100%范围内选取多组测量数据，采用最小二乘法计算被测减速器该啮合状态下的测量扭转刚度；采用公式计算被测减速器在该啮合状态下的实际扭转刚度：

$k=\frac{1}{\frac{1}{k_m}-\frac{1}{k_{\mathrm{in}}{N}^2}-\frac{1}{k_{\mathrm{out}}}}---\left(1\right)$

公式（1）中，k_m为被测减速器该啮合状态下的测量扭转刚度，k_in为过渡轴的扭转刚度，k_out为输出轴的扭转刚度，N为被测减速器的速比；

步骤1-3：通过转动输入轴改变被测减速器的啮合状态后，重复步骤1-2，以此类推，得出被测减速器在每一个啮合状态下的实际扭转刚度；

空程误差的测试步骤如下：

步骤2-1：对力传感器零点标定，并初始化激光干涉仪测量系统的测试参数；

步骤2-2：通过操作螺旋千斤顶对被测减速器进行正向加载，加载至为额定载荷的3%时卸载，在空载、加载至为额定载荷的3%及卸载为零时，分别通过数字显示器读取力、通过激光干涉仪测量系统的工控机读取角度；

步骤2-3：将所述力传感器、过渡球腕部件和螺旋千斤顶移至到所述加载杠杆中的另一个力臂杆的下方，通过操作螺旋千斤顶对被测减速器进行反向加载，加载至为额定载荷的3%时卸载，在空载、加载至为额定载荷的3%及卸载为零时，分别通过数字显示器读取力、通过激光干涉仪测量系统的工控机读取角度；

利用公式（2）计算被测减速器的空程误差：

△θ=θ_+3%-θ_-3%（2）

公式（2）中，θ_+3%表示正向加载至额定载荷的3%时激光干涉仪测量系统显示的被测减速器输出端的转角，θ_-3%表示反向加载至额定载荷的3%时激光干涉仪测量系统显示的被测减速器输出端的转角；

步骤2-4：通过转动输入轴改变被测减速器的啮合状态后，重复步骤2-2和步骤2-3；以此类推，得出被测减速器在每一个啮合状态下的空程误差。

与现有扭转刚度测试实验台相比，本发明的有益效果是：

1）现有减速器扭转刚度和空程误差测试实验台的输入轴与机架固连在一起，测试中无法改变减速器中齿轮的啮合状态，即该类实验台只能测试减速器在某一固定啮合状态下的扭转刚度和空程误差。本发明减速器扭转刚度和空程误差测试实验台的输入轴通过过渡轴装夹在分度头的三爪卡盘上，分度头不仅可为被测减速器的输入轴提供夹紧力矩，同时可调整被测减速器输入轴的转角，改变减速器中齿轮的啮合状态，故本发明实验台可测试减速器在不同啮合状态下的扭转刚度和空程误差。

2）现有减速器扭转刚度和空程误差测试实验台采用杠杆-砝码加载方式，加载力矩小，且当加载杠杆偏离水平位置时，将会导致测量误差。本发明减速器扭转刚度和空程误差测试实验台采用杠杆-力传感器-螺旋千斤顶加载方式，加载力矩范围宽；所述力传感器的一端与所述加载杠杆的支点接触，另一端通过一过渡球腕部件与螺旋千斤顶相连，可保证力传感器的示数始终准确反映垂直加载杠杆的力的大小，避免载杠杆偏离水平位置时造成的测量误差，且可保证加载系统在加载杠杆偏离水平位置时的稳定性。

3）本发明减速器扭转刚度和空程误差测试实验台采用激光干涉仪测量系统，提高了测量精度，测量精度可达±0.2″。激光干涉仪测量系统还可有效补偿输出轴弯曲造成的测量误差，使单向加载成为可能，简化了实验台的结构。

附图说明

图1为本发明减速器扭转刚度和空程误差测试实验台的测试原理图；

图2为本发明减速器扭转刚度和空程误差测试实验台的结构示意图；

图3为本发明中加载系统的局部结构示意图。

图中：1-分度头，2-输入轴，3-被测减速器，4-机架，5-输出轴，6-加载杠杆，7-工控机，8-激光发射器，9-干涉镜，10-反射镜，11-力传感器，12-过渡球腕部件，13-螺旋千斤顶，14-数字显示器，121-球腕，122-推力轴承，131-螺杆，132-底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明一种减速器扭转刚度和空程误差测试实验台，由工作台、输入轴夹紧装置、机架4、加载系统和激光干涉仪测量系统组成。

所述输入轴夹紧装置由分度头1和过渡轴2组成，所述过渡轴2的一端与被测减速器3的输入轴键连接，所述过渡轴2的另一端为球头，所述球头装夹在所述分度头1的三爪卡盘上，所述分度头1固定在工作台上，如所述分度头1用压板固定在带有T型槽的工作台上。分度头1既可为被测减速器3的输入轴提供夹紧力矩，又可调整被测减速器3输入轴的转角，进而改变被测减速器3中齿轮的啮合状态。

所述机架4固定在工作台上，所述机架4用压板固定在带有T形槽的工作台上，机架4上设有连接法兰，被测减速器3固定在所述机架4上，被测减速器可以通过螺纹连接固定在机架4的连接法兰上。

所述加载系统由输出轴5、加载杠杆6、力传感器11、过渡球腕部件12、螺旋千斤顶13和数字显示器组成14；其中，所述加载杠杆6由中间套筒和两个力臂杆构成，如图2所示，本发明中的两个力臂杆为对称布置，对称平面为被测减速器轴心线所在平面，同时，两个力臂杆共线设置。所述输出轴5的一端与被测减速器3的输出端连接，所述输出轴5的中部与所述中间套筒键连接，所述输出轴5的另一端连接至所述激光干涉仪测量系统；如图2所示，所述激光干涉仪测量系统由工控机7、激光发射器8、干涉镜9和反射镜10组成，所述反射镜10通过磁力表座固定在所述加载系统中输出轴5的输出端，所述干涉镜9通过磁力表座固定在带有T形槽的工作台上，所述激光发射器8放置在工作台上，所述激光发射器8、干涉镜9和反射镜10的轴线重合。所述力传感器11的一端与所述加载杠杆6的支点接触，即所述力传感器的一端通过螺纹固接在加载杠杆6中的一个力臂杆的下面，所述力传感器11的另一端通过一过渡球腕部件12与螺旋千斤顶13相连，所述力传感器11的示数通过数字显示器14读取。

如图3所示，所述过渡球腕部件12由球腕121和推力轴承122组成，所述球腕121的上球腕固定在所述力传感器11上，所述球腕121的下球腕安装在所述推力轴承122的座圈上，所述螺旋千斤顶13包括底座132和螺杆131，所述螺杆131的顶端设有圆柱轴头，所述推力轴承122的轴圈安装在螺旋千斤顶13的圆柱轴头上，所述螺旋千斤顶13的底座132用压板固定在带T形槽的工作台上。当加载杠杆6随着输出轴5的转动而改变角度时，由于过渡球腕部件12中球头与球腕始终同心的特性，可保证加载系统的稳定性，这也是本发明的特点之一。

本发明减速器扭转刚度和空程误差测试实验台的测试方法，包括扭转刚度测试和空程误差测试，测试之前，将所述力传感器11、过渡球腕部件12和螺旋千斤顶13布置在所述加载杠杆6中一个力臂杆的下方；将激光干涉仪测量系统的反射镜10通过磁力表座固定在所述输出轴5的端部；将激光干涉仪测量系统的干涉镜9通过磁力表座固定在工作台上，将激光干涉仪测量系统的激光发射器8放置在工作台上，所述激光发射器8、干涉镜9和反射镜10的轴线重合。

扭转刚度的测试步骤如下：

步骤1-1：旋转分度头1，将被测减速器3调整到测量的初始位置，然后夹紧分度头1，固定被测减速器3的输入轴，对力传感器11零点标定；然后，初始化激光干涉仪测量系统的测试参数；

步骤1-2：用扳手缓慢转动螺旋千斤顶13的螺杆，对被测减速器3进行加载，每间隔减速器额定力矩的10%通过数字显示器14读取一次力传感器11的力的示数，通过激光干涉仪测量系统的工控机7读取激光干涉仪测量系统的角度示数，直至加载力矩达到被测减速器的额定力矩，继而缓慢卸载，同理读取力和角度的示数，直至卸载到零。最好绘制出被测减速器加载-变形的滞回曲线，在额定载荷为50～100%范围内选取多组（如6组）测量数据，采用最小二乘法计算被测减速器该啮合状态下的测量扭转刚度；采用公式（1）计算被测减速器在该啮合状态下的实际扭转刚度：

$k=\frac{1}{\frac{1}{k_m}-\frac{1}{k_{\mathrm{in}}{N}^2}-\frac{1}{k_{\mathrm{out}}}}---\left(1\right)$

公式（1）中，k_m为被测减速器该啮合状态下的测量扭转刚度，k_in为过渡轴的扭转刚度，k_out为输出轴的扭转刚度，k_in和k_out可以分别根据过渡轴和输出轴的几何尺寸及其材料参数在ANSYS软件环境下采用有限元的方法求得，N为被测减速器的速比。

步骤1-3：松开分度头1，转动分度头1的摇把，使被测减速器3的输入轴转过一定角度，带动被测减速器3中的齿轮进入下一个啮合状态，改变被测减速器的啮合状态并夹紧分度头1；重复步骤1-2，以此类推，得出被测减速器在每一个啮合状态下的实际扭转刚度；

空程误差的测试步骤如下：

步骤2-1：旋转分度头1,将被测减速器3调整到测量的初始位置，然后夹紧分度头1，固定被测减速器3的输入轴，对力传感器11进行零点标定，然后，初始化激光干涉仪测量系统的测试参数；

步骤2-2：用扳手缓慢转动螺旋千斤顶13的螺杆，对被测减速器3进行正向加载（本发明中将对被测减速器3进行加载，按照支点分别位于两个力臂杆的不同分为正向加载和反向加载），当加载到额定载荷的3%时，读取力传感器11和激光干涉仪测量系统的示数。继而缓慢卸载，直至力传感器11的示数为0，通过激光干涉仪测量系统的工控机7读取角度的示数；将力传感器11、过渡球腕部件12和螺旋千斤顶13卸下，安装到所述加载杠杆6中的另一个力臂杆的下方，用扳手缓慢反向加载，直至加载到额定载荷的3%，读取力传感器和激光干涉仪的示数。继而缓慢卸载，直至力传感器的示数为0。则减速器的空程误差可通过式（2）计算：

步骤2-3：将所述力传感器11、过渡球腕部件12和螺旋千斤顶13卸下移至到所述加载杠杆6中的另一侧对称位置上的另一力臂杆的下方，用扳手缓慢转动螺旋千斤顶13的螺杆对被测减速器3进行反向加载，加载至为额定载荷的3%时，读取力传感器11和激光干涉仪测量系统的示数。继而缓慢卸载，直至力传感器11的示数为0，通过激光干涉仪测量系统的工控机7读取角度的示数；利用公式（2）计算被测减速器的空程误差：

△θ=θ_+3%-θ_-3%（2）

公式（2）中，θ_+3%表示正向加载至额定载荷的3%时激光干涉仪测量系统显示的被测减速器输出端的转角，θ_-3%表示反向加载至额定载荷的3%时激光干涉仪测量系统显示的被测减速器输出端的转角；

步骤2-4：松开分度头1，转动分度头1的摇把，使被测减速器3的输入轴转过一定角度，带动被测减速器3中的齿轮进入下一个啮合状态，改变被测减速器的啮合状态后，夹紧分度头1。重复步骤2-2和步骤2-3；以此类推，得出被测减速器3在每一个啮合状态下的空程误差。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种减速器扭转刚度和空程误差测试实验台，由工作台、输入轴夹紧装置、机架（4）、加载系统和激光干涉仪测量系统组成；其特征在于：

所述输入轴夹紧装置由分度头（1）和过渡轴（2）组成，所述过渡轴（2）的一端与被测减速器（3）的输入轴键连接，所述过渡轴（2）的另一端为球头，所述球头装夹在所述分度头（1）的三爪卡盘上，所述分度头（1）固定在工作台上；

所述机架（4）固定在工作台上，被测减速器（3）固定在所述机架（4）上；

所述加载系统由输出轴（5）、加载杠杆（6）、力传感器（11）、过渡球腕部件（12）、螺旋千斤顶（13）和数字显示器（14）组成；其中，所述加载杠杆（6）由中间套筒和两个力臂杆构成，两个力臂杆为对称布置，对称平面为被测减速器轴心线所在平面，同时，两个力臂杆共线设置；所述输出轴（5）的一端与被测减速器（3）的输出端连接，所述输出轴（5）的中部与所述中间套筒键连接，所述输出轴（5）的另一端连接至所述激光干涉仪测量系统；

所述激光干涉仪测量系统由工控机（7）、激光发射器（8）、干涉镜（9）和反射镜（10）组成，所述反射镜（10）通过磁力表座固定在所述加载系统中输出轴（5）的输出端，所述干涉镜（9）通过磁力表座固定在带有T形槽的工作台上，所述激光发射器（8）放置在工作台上，所述激光发射器（8）、干涉镜（9）和反射镜（10）的轴线重合；

所述力传感器（11）的一端与所述加载杠杆（6）的支点接触，所述力传感器（11）的另一端通过一过渡球腕部件（12）与螺旋千斤顶（13）相连，所述力传感器（11）的示数通过数字显示器（14）读取；所述过渡球腕部件（12）由球腕（121）和推力轴承（122）组成，所述球腕（121）的上球腕固定在所述力传感器（11）上，所述球腕（121）的下球腕安装在所述推力轴承（122）的座圈上，所述螺旋千斤顶（13）包括底座（132）和螺杆（131），所述螺杆（131）的顶端设有圆柱轴头，所述推力轴承（122）的轴圈安装在螺旋千斤顶（13）的圆柱轴头上，所述螺旋千斤顶（13）的底座（132）固定在工作台上。

2.一种减速器扭转刚度和空程误差的测试方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的减速器扭转刚度和空程误差测试实验台，将所述力传感器（11）、过渡球腕部件（12）和螺旋千斤顶（13）布置在所述加载杠杆（6）中一个力臂杆的下方；将激光干涉仪测量系统的反射镜（10）通过磁力表座固定在所述输出轴（5）的端部；将激光干涉仪测量系统的干涉镜（9）通过磁力表座固定在工作台上，将激光干涉仪测量系统的激光发射器（8）放置在工作台上，所述激光发射器（8）、干涉镜（9）和反射镜（10）的轴线重合；并包括扭转刚度测试和空程误差测试，其中：

扭转刚度的测试步骤如下：

步骤1-1：对力传感器零点标定，并初始化激光干涉仪测量系统的测试参数；

步骤1-2：通过操作螺旋千斤顶对被测减速器进行加载和卸载，在加载和卸载的间隔过程中通过数字显示器（14）读取力、通过激光干涉仪测量系统的工控机读取角度，在额定载荷为50~100%范围内选取多组测量数据，采用最小二乘法计算被测减速器啮合状态下的测量扭转刚度；采用公式（1）计算被测减速器在该啮合状态下的实际扭转刚度：

（1）

公式（1）中，为被测减速器该啮合状态下的测量扭转刚度，为过渡轴的扭转刚度，为输出轴的扭转刚度，为被测减速器的速比；

步骤1-3：通过转动输入轴改变被测减速器的啮合状态后，重复步骤1-2，以此类推，得出被测减速器在每一个啮合状态下的实际扭转刚度；

空程误差的测试步骤如下：

步骤2-1：对力传感器零点标定，并初始化激光干涉仪测量系统的测试参数；

步骤2-2：通过操作螺旋千斤顶对被测减速器进行正向加载，加载至为额定载荷的3%时卸载，在空载、加载至为额定载荷的3%及卸载为零时，分别通过数字显示器（14）读取力、通过激光干涉仪测量系统的工控机读取角度；

步骤2-3：将所述力传感器（11）、过渡球腕部件（12）和螺旋千斤顶（13）卸下移至到所述加载杠杆（6）中的另一侧对称位置上的另一力臂杆的下方，通过操作螺旋千斤顶对被测减速器进行反向加载，加载至为额定载荷的3%时卸载，在空载、加载至为额定载荷的3%及卸载为零时，分别通过数字显示器（14）读取力、通过激光干涉仪测量系统的工控机读取角度；

利用公式（2）计算被测减速器的空程误差：

（2）

公式（2）中，表示正向加载至额定载荷的3%时激光干涉仪测量系统显示的被测减速器输出端的转角，表示反向加载至额定载荷的3%时激光干涉仪测量系统显示的被测减速器输出端的转角；

步骤2-4：通过转动输入轴改变被测减速器的啮合状态后，重复步骤2-2和步骤2-3；以此类推，得出被测减速器在每一个啮合状态下的空程误差。