CN104266836A - 齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置，包括贴合于待测齿轮齿根的应变片以及与待测齿轮形状相适应的压片，压片压合入待测齿轮齿槽中，压片与待测齿轮之间设置有硅橡胶垫；还包括套合于待测齿轮齿面的贴片样板；应变片通过引线与滑环相连，滑环通过导线连接有应变仪。本发明公开的测试的方法，包括确定最大应力点区域、制作贴片样板、制作压片、应变片粘贴与防护、计算采样频率、耐久性测试和数据处理七个步骤。该测试方法能够准确进行齿轮产品的疲劳耐久性数据，为齿轮传动装置提供设计和使用依据；该测试装置能够实现对于不同工况不同尺寸的齿轮的齿根弯曲疲劳耐久性测试，结构简单，操作方便，测试结果准确。

Description

齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法及测试装置

技术领域

本发明属于机械测试方法技术领域，具体涉及一种齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法。本发明还涉及用于实施上述方法的测试装置。

背景技术

齿轮传动是机械传动中最常用的传动方式之一，常见的传动形式有内啮合传动、外啮合传动、齿轮齿条传动等。无论齿轮处于单侧工作还是双侧工作，传动时轮齿受力使齿根弯曲应力最大，有应力集中，并且每转一转，应力变化一次，在载荷的多次重复作用下，弯曲应力超过弯曲耐久极限时，齿根部分将产生疲劳裂纹，裂纹的逐渐扩展，最终将引起疲劳断齿。

由于测试齿根弯曲疲劳时需要在齿根处粘贴应变片，粘贴空间狭小，粘贴位置不容易准确确定，引线困难，因此目前齿轮传动设计中齿根弯曲疲劳要么经过经验公式进行校核，要么通过有限元方法进行计算。无论哪种方法，都不能准确把实际工况带入校核计算中，因此设计的齿轮寿命要么过于富足，要么达不到使用寿命，特别是重要场合如飞行器、车辆、船舶等使用的齿轮，应在设计的基础上进行齿根弯曲疲劳耐久性测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法，该方法能够准确简洁的测出各种不同工况齿轮的齿根疲劳耐久性。

本发明的另一个目的在于提供实施上述测试方法的测试装置，无需使用复杂设备，即可实现齿根疲劳耐久性的测试。

本发明所采用的技术方案是：齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置，包括贴合于待测齿轮齿根的应变片以及与待测齿轮形状相适应的压片，压片压合入待测齿轮齿槽中，压片与待测齿轮之间设置有硅橡胶垫；还包括套合于待测齿轮齿面的贴片样板；应变片通过引线与滑环相连，滑环通过导线连接有应变仪。

本发明的另一个技术方案是：齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法，该方法使用了上述的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

第一步，确定最大应力点区域

1.1根据待测齿轮的参数进行几何建模，再对所建模型进行有限元分析，初步确定待测齿轮齿根处应力集中区域；

1.2根据步骤1.1所建模型的配对齿轮与待测齿轮齿面的廓线交点确定待测齿轮贴片上限位置A，保证在测试过程中配对齿轮的齿顶不会触碰应变片，再以待测齿轮齿槽中点B点至上限位置A点之间的区域作为贴片区；

1.3将步骤1.2确定的贴片区，按照递增方式，划分为多个层级，设计制作初步样板，初步样板的底部设置有台阶，不同的台阶依次对应不同的上述层级；初步样板与被测齿轮的齿面贴合，然后以每一个台阶为基准，粘贴一个应变片，加载静态测试，测得的应变片应变值最大的台阶对应的层级即为待测齿轮齿根处的最大应力点区域；

第二步，制作贴片样板

根据第一步确定的待测齿轮齿根处的最大应力点区域，找出与最大应力点相对应的初步样板的台阶，并将该台阶作为贴片样板的下部边沿，依照初步样板的形状尺寸制作贴片样板；

第三步，制作压片

按照待测齿轮齿槽廓线内等距的方式制作压片；

第四步，应变片粘贴与防护

将步骤1.2找到的待测齿轮的最大应力点区域进行打磨、清洗、干燥处理，再将第二步制作的贴片样板贴合至待测齿轮，将应变片粘贴于贴片样板下沿处的最大应力点区域，再将硅橡胶垫塞入待测齿轮的齿槽内，之后通过压片将应变片压紧，然后加热、固化，以使应变片牢固地贴合在贴片区；

第五步，计算采样频率

根据待测齿轮1的几何参数和测试时的转速，并利用公式

$f_0=\frac{C_{b1}}{l}\×\frac{n}{60}$

计算待测齿轮1的单齿啮合测试信号频率f₀；

其中l根据如下公式确定：

$l=\sqrt{{r_{a1}}^2-{r_{b1}}^2}-\sqrt{{r_{a2}}^2-{r_{b2}}^2}+a\sin \mathrm{\α}$

以上公式中：

r_a1——待测齿轮的齿顶圆半径；

r_b1——待测齿轮的基圆半径；

r_a2——配对齿轮的齿顶圆半径；

r_b2——配对齿轮的基圆半径；

a——待测齿轮与配对齿轮的传动中心距；

α——待测齿轮的压力角；

C_b1——待测齿轮的基圆周长；

n——待测齿轮的转速；

f₀——待测齿轮的单齿啮合测试信号频率；

f_s——采样频率；

第六步，耐久性测试

将粘贴好的应变片通过引线与滑环连接，并将滑环接入到应变仪，将待测齿轮装在试验台上进行动态加载，并按照循环次数N进行疲劳耐久性测试，获得应力S和循环次数N的测试数据；

第七步，数据处理

将第六步得到的测试数据，按照疲劳损伤理论进行分析，获得待测齿轮的齿根弯曲疲劳耐久性结果，即N-S曲线。

本发明的有益效果是：本发明的齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法，能够准确进行齿轮产品的疲劳耐久性数据，为齿轮传动装置提供设计和使用依据；本发明的齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置能够通过较简单的操作，实现对于不同工况不同尺寸的齿轮的齿根弯曲疲劳耐久性测试，结构简单，操作方便，测试结果准确。

附图说明

图1是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置的结构示意图；

图2是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法中待测齿轮的结构示意图；

图3是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法中配对齿轮与待测齿轮配合时的结构示意图；

图4是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法中待测齿轮与初步样板配合时的示意图；

图5是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法中贴片样板的结构示意图；

图6是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法中压片与待测齿轮配合的示意图；

图7是本发明齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法所测得的N-S曲线。

图中，1.待测齿轮，2.配对齿轮，3.初步样板，4.贴片样板，5.压片，6.硅橡胶垫，7.压片，8.引线，9.滑环，10.应变仪，11.导线；

101.待测齿轮齿面，102.应力集中区域；

201.配对齿轮齿面，202.配对齿轮齿顶；

301.台阶；

401.贴片样板内面，402.贴片样板下沿。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置，如图1所示，包括贴合于待测齿轮1齿根的应变片5以及与待测齿轮1形状相适应的压片7，压片7压合入待测齿轮1齿槽中，压片7与待测齿轮1之间设置有硅橡胶垫6；还包括套合于待测齿轮1齿面的贴片样板4；应变片5通过引线8与滑环9相连，滑环9通过导线11连接有应变仪10。

本发明还提供了一种齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法，该方法使用了上述的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

第一步，确定最大应力点区域

1.1根据待测齿轮1的参数进行几何建模，再对所建模型进行有限元分析，初步确定待测齿轮1齿根处应力集中区域102；如图2所示；

1.2根据步骤1.1所建模型的配对齿轮与待测齿轮1齿面的廓线交点确定待测齿轮1贴片上限位置A，保证在测试过程中配对齿轮2的齿顶不会触碰应变片2，再以待测齿轮1齿槽中点B点至所述上限位置A点之间的区域作为贴片区；如图3所示；

1.3将步骤1.2确定的贴片区，按照递增方式，划分为多个层级，设计制作初步样板3，初步样板3的底部设置有台阶301，如图4所示；不同的台阶301依次对应不同的上述层级；初步样板3与被测齿轮1的齿面101贴合，然后以每一个台阶301为基准，粘贴一个应变片5，加载静态测试，测得的应变片5应变值最大的台阶对应的层级即为待测齿轮1齿根处的最大应力点区域；

第二步，制作贴片样板

根据第一步确定的待测齿轮1齿根处的最大应力点区域，找出与最大应力点相对应的初步样板3的台阶301，并将该台阶301作为贴片样板的下部边沿，依照初步样板3的形状尺寸制作贴片样板4；如图5所示；

第三步，制作压片

按照待测齿轮1齿槽廓线内等距的方式制作压片7；

第四步，应变片粘贴与防护

将步骤1.2找到的待测齿轮1的最大应力点区域进行打磨、清洗、干燥处理，再将第二步制作的贴片样板4贴合至待测齿轮1，将应变片5粘贴于贴片样板4下沿处的最大应力点区域，再将硅橡胶垫6塞入待测齿轮1的齿槽内，之后通过压片7将应变片5压紧，然后加热、固化，以使应变片5牢固地贴合在贴片区；

第五步，计算采样频率

根据待测齿轮1的几何参数和测试时的转速，并利用公式

$f_0=\frac{C_{b1}}{l}\×\frac{n}{60}$

计算待测齿轮1的单齿啮合测试信号频率f₀；

其中l根据如下公式确定：

$l=\sqrt{{r_{a1}}^2-{r_{b1}}^2}-\sqrt{{r_{a2}}^2-{r_{b2}}^2}+a\sin \mathrm{\α}$

以上公式中：

r_a1——待测齿轮1的齿顶圆半径；

r_b1——待测齿轮1的基圆半径；

r_a2——配对齿轮2的齿顶圆半径；

r_b2——配对齿轮2的基圆半径；

a——待测齿轮1与配对齿轮2的传动中心距；

α——待测齿轮1的压力角；

C_b1——待测齿轮1的基圆周长；

n——待测齿轮1的转速；

f₀——待测齿轮1的单齿啮合测试信号频率；

f_s——采样频率；

第六步，耐久性测试

将粘贴好的应变片5通过引线8与滑环9连接，并将滑环9接入到应变仪11，将待测齿轮1装在试验台上进行动态加载，并按照循环次数N进行疲劳耐久性测试，获得应力S和循环次数N的测试数据；

第七步，数据处理

将第六步得到的测试数据，按照疲劳损伤理论进行分析，获得待测齿轮1的齿根弯曲疲劳耐久性结果，即N-S曲线，如图7所示。

根据图7的N-S曲线，就可以十分直观地看出齿根弯曲疲劳的耐久性。

本发明的齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法，能够准确进行齿轮产品的疲劳耐久性数据，为齿轮传动装置提供设计和使用依据；本发明的齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置能够通过较简单的操作，实现对于不同工况不同尺寸的齿轮的齿根弯曲疲劳耐久性测试，结构简单，操作方便，测试结果准确。

Claims (2)

1.齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试装置，其特征在于，包括贴合于待测齿轮(1)齿根的应变片(5)以及与待测齿轮(1)形状相适应的压片(7)，所述压片(7)压合入所述待测齿轮(1)齿槽中，所述压片(7)与所述待测齿轮(1)之间设置有硅橡胶垫(6)；还包括套合于待测齿轮(1)齿面的贴片样板(4)；所述应变片(5)通过引线(8)与滑环(9)相连，所述滑环(9)通过导线(11)连接有应变仪(10)。

2.齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

第一步，确定最大应力点区域

1.1根据待测齿轮(1)的参数进行几何建模，再对所建模型进行有限元分析，初步确定待测齿轮(1)齿根处应力集中区域(102)；

1.2根据步骤1.1所建模型的配对齿轮与待测齿轮(1)齿面的廓线交点确定待测齿轮(1)贴片上限位置A，保证在测试过程中配对齿轮(2)的齿顶不会触碰应变片(2)，再以待测齿轮(1)齿槽中点B点至所述上限位置A点之间的区域作为贴片区；

1.3将步骤1.2确定的贴片区，按照递增方式，划分为多个层级，设计制作初步样板(3)，初步样板(3)的底部设置有台阶(301)，不同的台阶(301)依次对应不同的上述层级；初步样板(3)与被测齿轮(1)的齿面(101)贴合，然后以每一个所述台阶(301)为基准，粘贴一个应变片(5)，加载静态测试，测得的应变片(5)应变值最大的台阶对应的层级即为待测齿轮(1)齿根处的最大应力点区域；

第二步，制作贴片样板

根据第一步确定的待测齿轮(1)齿根处的最大应力点区域，找出与最大应力点相对应的初步样板(3)的台阶(301)，并将该台阶(301)作为贴片样板的下部边沿，依照初步样板(3)的形状尺寸制作贴片样板(4)；

第三步，制作压片

按照待测齿轮(1)齿槽廓线内等距的方式制作压片(7)；

第四步，应变片粘贴与防护

将步骤1.2找到的待测齿轮(1)的最大应力点区域进行打磨、清洗、干燥处理，再将第二步制作的贴片样板(4)贴合至待测齿轮(1)，将应变片(5)粘贴于贴片样板(4)下沿处的所述最大应力点区域，再将硅橡胶垫(6)塞入待测齿轮(1)的齿槽内，之后通过压片(7)将应变片(5)压紧，然后加热、固化，以使应变片(5)牢固地贴合在贴片区；

第五步，计算采样频率

根据待测齿轮(1)的几何参数和测试时的转速，并利用公式

$f_0=\frac{C_{b1}}{l}\×\frac{n}{60}$

计算待测齿轮(1)的单齿啮合测试信号频率f₀；

其中l根据如下公式确定：

$l=\sqrt{{r_{a1}}^2-{r_{b1}}^2}-\sqrt{{r_{a2}}^2-{r_{b2}}^2}+a\sin \mathrm{\α}$

以上公式中：

r_a1——待测齿轮(1)的齿顶圆半径；

r_b1——待测齿轮(1)的基圆半径；

r_a2——配对齿轮(2)的齿顶圆半径；

r_b2——配对齿轮(2)的基圆半径；

a——待测齿轮(1)与配对齿轮(2)的传动中心距；

α——待测齿轮(1)的压力角；

C_b1——待测齿轮(1)的基圆周长；

n——待测齿轮(1)的转速；

f₀——待测齿轮(1)的单齿啮合测试信号频率；

f_s——采样频率；

第六步，耐久性测试

将粘贴好的应变片(5)通过引线(8)与滑环(9)连接，并将滑环(9)接入到应变仪(11)，将待测齿轮(1)装在试验台上进行动态加载，并按照循环次数N进行疲劳耐久性测试，获得应力S和循环次数N的测试数据；

第七步，数据处理

将第六步得到的测试数据，按照疲劳损伤理论进行分析，获得待测齿轮(1)的齿根弯曲疲劳耐久性结果，即N-S曲线。