CN105651511A - 圆柱齿轮动力学性能实验装置 - Google Patents

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石照耀
宁俊杰
舒赞辉
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Abstract

本发明公开了一种轮圆柱齿轮动力学性能实验装置，该装置包括精密床身和精密主轴单元；该装置将主轴单元和扭矩传感器以及电机固定在主动端箱体之上，将被动轴主轴单元和扭矩传感器以及加载器固定在负载端箱体之上，齿轮夹具与主轴之间使用短锥连接及方便齿轮安装又可以保证齿轮夹具有很好的互换性提高了实验齿轮的尺寸范围。该试验台安装有多种传感器集机、光、电与一体，能进行多种圆柱齿轮实验，常见的有齿轮传动误差侧脸、齿轮啮合振动噪声分析、齿轮接触斑点测量和齿轮传动效率测量；该装置精度高、刚性大、稳定性极好且自动化程度高，能够满足齿轮动态和静态实验要求。

Description

圆柱齿轮动力学性能实验装置
技术领域
本发明涉及一种圆柱齿轮动力学性能实验装置，尤其适用于汽车变速箱中圆柱直齿轮和圆柱斜齿轮的性能实验以及5级精度以下尺寸相仿的圆柱齿轮动力学性能实验，属于精密测量领域。
背景技术
齿轮和齿轮传动装置作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件，在机械设备中得到了广泛的应用。由于高性能、高强度、高可靠性以及低成本的要求，近些年来，在齿轮传动的理论分析方面，除了应用数学、力学、材料及设计理论的新成就外，齿轮实验装置也得到了进一步的发展，齿轮的很多问题都是综合性问题且只能通过实验形式得到，例如齿轮的失效形式以及齿轮的寿命等等，为了更好地改进齿轮传动的性能提升齿轮相关理论，齿轮实验装置成为了一个很好的工具。
传统齿轮实验装置多为疲劳实验装置，这类齿轮实验装置强度高能耗大精度低自动化程度低，齿轮噪声实验接触斑点实验都是依靠人力来完成的，这样的实验结果主观性大，不能完全客观的评价齿轮的啮合性能。目前的齿轮实验装置功能比较单一，没有能够综合评价齿轮传动误差、齿轮振动噪声以、齿轮传动效率和接触斑点等性能的实验装置。
发明内容
本发明能够实验对圆柱齿轮的动力学性能检测，常见的检测项目包括有载传动误差测量、无载传动误差测量、振动噪声测量、接触斑点测量和传动效率测量，该装置包括精密运动控制系统和多种传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是圆柱齿轮动力学性能实验装置，该装置包括精密床身和精密主轴单元。
具体而言，精密床身包括底座(1)、检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)、润滑油接油槽(5)、X方向导轨副(6)、Y方向导轨副(7)、X方向驱动电机(8)、Y方向驱动电机(9)、X方向气动导轨夹持器(10)、Y方向气动导轨夹持器(11)、驱动丝杠(12)、主动端箱体(13)、主动端箱体垫体(14)、主电机(15)、弹性联轴器(16)、主动端扭矩传感器(17)、主轴单元(18)、噪声传感器(19)、润滑油管(20)、负载端箱体(21)、负载端扭矩传感器(22)、加载器安装板(23)、磁粉制动器(24)、负载端箱体垫体(25)、丝杠带动板(26)、冷却液箱体(27)、直线光栅(28)、隔震块(29)。
主轴单元(18)包括主轴套(30)、主轴(31)、轴系通盖(32)、精密轴承(33)、轴环(34)、角度编码器(35)、光栅读数头(36)、光栅读数头支架(37)、三轴向振动传感器(38)、高精密齿轮夹具(39)、精密锁紧螺母(40)、传动键(41)、链接法兰盘(42)、轴端挡圈(43)、轴端盖板(44)。
底座(1)内部为中空结构，其内部设有三个Y向立柱和两个X向立柱，各立柱之间设有米字型筋板，这些结构可以减轻铸件重量和增强铸件刚性，底座(1)的表面从上到下依次设有检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)，检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)作为齿轮动力学性能实验装置加工和装配调试时的基准面，底座(1)和隔震块(29)之间通过螺纹连接，隔震块(29)设置在底座(1)的底部，隔震块(29)能够过滤掉来自外界的部分振动；底座(1)上安装有X向导轨(6)和Y向导轨(7)，X向导轨(6)和Y向导轨(7)相互垂直呈L形安装在底座(1)的顶部，通过X方向驱动电机(8)带动滚珠丝杠驱动整个主动部分沿X向导轨(6)调节齿宽方向，通过Y方向驱动电机(9)带动滚珠丝杠驱动整个负载部分沿Y向导轨(7)调节齿轮中心距，中心距由直线光栅(28)测量得到，直线光栅(28)固定在Y向导轨(6)和Y方向导轨检测面(4)之间，显示器显示直线光栅(28)的测量数值，同时根据显示器上显示的中心距精确调整齿轮啮合时的中心距，齿轮齿宽和中心距方向调节到位之后通过X方向气动导轨夹持器(10)固定齿宽方向，通过Y方向气动导轨夹持器(11)固定中心距方向，接油槽(5)在底座(1)顶部，位于X向导轨(6)和Y向导轨(7)之间。
主动端箱体(13)和主动端箱体垫体(14)以及负载端箱(21)体和负载端箱体垫体(25)通过螺钉连接配合，通过调整主动端箱体(14)和负载端箱体(25)调节主动轴系和被动轴系的中心高。
主电机(15)通过弹性联轴器(16)和主动端扭矩传感器(17)连接，主动端扭矩传感器(17)通过连接法兰盘(42)和主轴(31)连接，主轴(31)和扭矩传感器(17)采用刚性连接，扭矩传感器(17)可以更好的反应实验齿轮承受的扭矩；电机(15)、主轴单元(18)、主动端扭矩传感器(17)固定在主动端箱体(13)上，主轴单元(18)通过螺纹连接固定在主动端箱体(13)上，在主动端箱体(13)上靠近齿轮啮合的位置安装有噪声传感器(19)可以测量齿轮传动时的噪声，主动端箱体(13)具有精度高强度大的特点，主动端箱体(13)采用米字型筋板，前后立板之间通过筋板加强强度。
扭矩加载器(24)固定在扭矩加载器安装板(23)上，改变扭矩加载器(24)的安装方式，扭矩加载器(24)在安装时显得更加方便，扭矩加载器(24)通过弹性联轴器和负载端扭矩传感器(22)连接，负载端扭矩传感器(22)通过连接法兰盘(42)和主轴(31)连接，主轴单元和扭矩传感器之间采用刚性连接，扭矩传感器可以更好的反应实验齿轮承受的扭矩，主轴单元(18)通过螺纹固定在负载端箱体(21)上，负载端箱体(21)具有精度高强度大的特点，负载端箱体(21)采用米字型筋板，前后立板之间通过筋板加强强度。
本发明圆柱齿轮齿轮动力学性能实验装置有以下显著特点：
1.所述装置自动化程度高、精度高、强度大、刚度高不易变形和共振能够同时胜任有载和轻载的齿轮实验。
2.能够完成有载传动误差测量、无载传动误差测量、振动噪声测量、接触斑点测量和传动效率测量等多种实验。
3.主轴单元采用机、光、电一体化系统安装方便精度高强度大，功能多。
4.齿轮夹具和主轴之间采用短锥方式连接拥有良好的互换性且齿轮装夹方便，同主轴之间同轴度高，能够满足多种规格的齿轮实验，加载扭矩能达到120Nm，转速能达到3000r/min/，能够模拟实际工况。
5.主动部分主轴单元、扭矩传感器以及电机都在主动端箱体上安装固定，负载部分主轴单元、扭矩传感器以及加载器都在负载端箱体上安装固定，在进行不同齿轮实验室不需要将主轴和电机以及加载器分开，减小同轴度误差对齿轮实验的影响。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2主轴单元结构示意图
图3本发明装置电控示意图
图4实验装置实验流程图
图中：1、底座，2、检高台，3X方向导轨检测面，4、Y方向导轨检测面，5、润滑油接油槽，6、X方向导轨副，7、Y方向导轨副，8、X方向驱动电机，9、Y方向驱动电机，10、X方向气动导轨夹持器，11、Y方向气动导轨夹持器，12、驱动丝杠，13、主动端箱体，14、主动端箱体垫体，15、主电机，16、弹性联轴器，17、主动端扭矩传感器，18、主轴单元，19、噪声传感器，20、润滑油管，21、负载端箱体，22、负载端扭矩传感器，23、加载器安装板，24、磁粉制动器，25、负载端箱体垫体，26、丝杠带动板，27、冷却液箱体，28、直线光栅，29、隔震块，30、主轴套，31、主轴，32、轴系通盖，33、精密轴承，34、轴环，35、角度编码器，36、光栅读数头，37、光栅读数头支架，38、三轴向振动传感器，39、高精密齿轮夹具，40、精密锁紧螺母，41、传动键，42、链接法兰盘，43、轴端挡圈，44轴端盖板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明：
本法发明结构如图1所示，圆柱齿轮动力学性能实验装置，该装置包括精密床身和精密主轴单元。
具体而言，精密床身包括底座(1)、检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)、润滑油接油槽(5)、X方向导轨副(6)、Y方向导轨副(7)、X方向驱动电机(8)、Y方向驱动电机(9)、X方向气动导轨夹持器(10)、Y方向气动导轨夹持器(11)、驱动丝杠(12)、主动端箱体(13)、主动端箱体垫体(14)、主电机(15)、弹性联轴器(16)、主动端扭矩传感器(17)、主轴单元(18)、噪声传感器(19)、润滑油管(20)、负载端箱体(21)、负载端扭矩传感器(22)、加载器安装板(23)、磁粉制动器(24)、负载端箱体垫体(25)、丝杠带动板(26)、冷却液箱体(27)、直线光栅(28)、隔震块(29)；
如图2所示主轴单元(18)包括主轴套(30)、主轴(31)、轴系通盖(32)、精密轴承(33)、轴环(34)、角度编码器(35)、光栅读数头(36)、光栅读数头支架(37)、三轴向振动传感器(38)、高精密齿轮夹具(39)、精密锁紧螺母(40)、传动键(41)、链接法兰盘(42)、轴端挡圈(43)、轴端盖板(44)。
底座(1)内部呈挖空状态，内部有三个Y向立柱和2个X向立柱，在立柱之间有米字型筋板，这些结构可以减轻铸件重量和增强铸件刚性，底座(1)表面检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)可以当作加工和装配调试时的基准面，底座(2)和隔震块(29)之间通过螺纹连接，隔震块(29)可以过滤掉来自外界的部分振动；底座(1)上安装有X向和Y向导轨通过X方向驱动电机(8)带动滚珠丝杠驱动整个主动部分调节齿宽方向，通过Y方向驱动电机(9)带动滚珠丝杠驱动整个负载部分调节齿轮中心距，中心距由直线光栅(28)测量得到，将数值显示在显示器上根据显示器上显示的中心距精确调整齿轮啮合时的中心距，齿轮齿宽和中心距方向调节到位之后通过X方向气动导轨夹持器(10)固定齿宽方向，通过Y方向气动导轨夹持器(11)固定中心距方向。
主动端箱体(13)和主动端箱体垫体(14)以及负载端箱(21)体和负载端箱体垫体(25)通过螺钉连接配合，通过调整主动端箱体(14)和负载端箱体(25)调节主动轴系和被动轴系的中心高。
主电机(15)通过弹性联轴器(16)和主动端扭矩传感器(17)连接，主动端扭矩传感器(17)通过连接法兰盘(42)和主轴(31)连接，主轴和扭矩传感器采用刚性连接，扭矩传感器可以更好的反应实验齿轮承受的扭矩，电机(15)、主轴单元(18)、主动端扭矩传感器(17)固定在主动端箱体(13)，主轴单元(18)通过螺纹连接固定在主动端箱体(13)上，在主动端箱体(13)上靠近齿轮啮合的位置安装有噪声传感器(19)可以测量齿轮传动时的噪声，主动端箱体(13)具有精度高强度大的特点，主动端箱体(13)采用米字型筋板，前后立板之间通过筋板加强强度。
扭矩加载器(24)固定在扭矩加载器安装板(23)上，改变扭矩加载器(24)的安装方式，扭矩加载器(24)在安装时显得更加方便，扭矩加载器(24)通过弹性联轴器和负载端扭矩传感器(22)连接，负载端扭矩传感器(22)通过连接法兰盘(42)和主轴(31)连接，主轴单元和扭矩传感器之间采用刚性连接，扭矩传感器可以更好的反应实验齿轮承受的扭矩，主轴单元(18)通过螺纹固定在负载端箱体(21)上，负载端箱体(21)具有精度高强度大的特点，负载端箱体(21)采用米字型筋板，前后立板之间通过筋板加强强度。
试验台电控系统如图3所示，在主动轴和被动轴的主轴单元里面集成了角度编码器，每个光栅编码器都配有双读数头，读数头经过细分之后进如DSI卡信号从DSI卡出来进如数据采集卡，双读数头可以消除主轴偏心误差。实验装置三轴加速度传感器将采集的到的数据进入振动信号分析系统，扭矩传感器和噪声传感都接进数据采集卡最终进入工控机，控制部分每个电机都又一个驱动器驱动，X方向调节电机、Y方向调节电机和主电机由控制器控制，扭矩加载器由成空电源控制，所有控制器都可由软件和电控柜单独控制即可联机工作也可脱机工作。
实验台实验流程如图4所示，进行齿轮实验时，启动该试验台进行系统自我检查确认无故障之后主动端和负载端自动复位，直线光栅和角度编码器自动寻找零点，复位之后主动端和负载端启动X方向气动导轨夹持器和Y方向气动导轨夹持器固定主动端和负载端，固定之后在齿轮夹具上安装被试齿轮，选择相应齿轮参数如果没有需要在齿轮试验台软件上添加齿轮参数，确认齿轮安装无误之后松开X方向气动导轨夹持器和Y方向气动导轨夹持器，调节齿轮齿宽和中心距保证齿轮正常啮合，设置齿轮试验时需要的转速和扭矩以及试验时间并开启相应的传感器，完成之后按下启动按键开始试验，主电机开始旋转提供动力，加载器施加载荷，相应的传感器进行数据采集，经过预定时间后发出试验停止指令主电机停止运动，加载器停止加载，将采集得到的数据进行分析，得出试验结论，打印实验报表，X方向气动导轨夹持器和Y方向气动导轨夹持器松开，主动端和负载端自动回位并停机，之后可以取下齿轮，整个实验过程结束。

Claims (3)

1.圆柱齿轮动力学性能实验装置，其特征在于：该装置包括精密床身和精密主轴单元；
具体而言，精密床身包括底座(1)、检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)、润滑油接油槽(5)、X方向导轨副(6)、Y方向导轨副(7)、X方向驱动电机(8)、Y方向驱动电机(9)、X方向气动导轨夹持器(10)、Y方向气动导轨夹持器(11)、驱动丝杠(12)、主动端箱体(13)、主动端箱体垫体(14)、主电机(15)、弹性联轴器(16)、主动端扭矩传感器(17)、主轴单元(18)、噪声传感器(19)、润滑油管(20)、负载端箱体(21)、负载端扭矩传感器(22)、加载器安装板(23)、磁粉制动器(24)、负载端箱体垫体(25)、丝杠带动板(26)、冷却液箱体(27)、直线光栅(28)、隔震块(29)；
主轴单元(18)包括主轴套(30)、主轴(31)、轴系通盖(32)、精密轴承(33)、轴环(34)、角度编码器(35)、光栅读数头(36)、光栅读数头支架(37)、三轴向振动传感器(38)、高精密齿轮夹具(39)、精密锁紧螺母(40)、传动键(41)、链接法兰盘(42)、轴端挡圈(43)、轴端盖板(44)；
底座(1)内部为中空结构，其内部设有三个Y向立柱和两个X向立柱，各立柱之间设有米字型筋板，这些结构可以减轻铸件重量和增强铸件刚性，底座(1)的表面从上到下依次设有检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)，检高台(2)、X方向导轨检测面(3)、Y方向导轨检测面(4)作为齿轮动力学性能实验装置加工和装配调试时的基准面，底座(1)和隔震块(29)之间通过螺纹连接，隔震块(29)设置在底座(1)的底部，隔震块(29)能够过滤掉来自外界的部分振动；底座(1)上安装有X向导轨(6)和Y向导轨(7)，X向导轨(6)和Y向导轨(7)相互垂直呈L形安装在底座(1)的顶部，通过X方向驱动电机(8)带动滚珠丝杠驱动整个主动部分沿X向导轨(6)调节齿宽方向，通过Y方向驱动电机(9)带动滚珠丝杠驱动整个负载部分沿Y向导轨(7)调节齿轮中心距，中心距由直线光栅(28)测量得到，直线光栅(28)固定在Y向导轨(6)和Y方向导轨检测面(4)之间，显示器显示直线光栅(28)的测量数值，同时根据显示器上显示的中心距精确调整齿轮啮合时的中心距，齿轮齿宽和中心距方向调节到位之后通过X方向气动导轨夹持器(10)固定齿宽方向，通过Y方向气动导轨夹持器(11)固定中心距方向，接油槽(5)在底座(1)顶部，位于X向导轨(6)和Y向导轨(7)之间；
主动端箱体(13)和主动端箱体垫体(14)以及负载端箱(21)体和负载端箱体垫体(25)通过螺钉连接配合，通过调整主动端箱体(14)和负载端箱体(25)调节主动轴系和被动轴系的中心高；
主电机(15)通过弹性联轴器(16)和主动端扭矩传感器(17)连接，主动端扭矩传感器(17)通过连接法兰盘(42)和主轴(31)连接，主轴(31)和扭矩传感器(17)采用刚性连接，扭矩传感器(17)可以更好的反应实验齿轮承受的扭矩；电机(15)、主轴单元(18)、主动端扭矩传感器(17)固定在主动端箱体(13)上，主轴单元(18)通过螺纹连接固定在主动端箱体(13)上，在主动端箱体(13)上靠近齿轮啮合的位置安装有噪声传感器(19)可以测量齿轮传动时的噪声，主动端箱体(13)具有精度高强度大的特点，主动端箱体(13)采用米字型筋板，前后立板之间通过筋板加强强度；
扭矩加载器(24)固定在扭矩加载器安装板(23)上，改变扭矩加载器(24)的安装方式，扭矩加载器(24)在安装时显得更加方便，扭矩加载器(24)通过弹性联轴器和负载端扭矩传感器(22)连接，负载端扭矩传感器(22)通过连接法兰盘(42)和主轴(31)连接，主轴单元和扭矩传感器之间采用刚性连接，扭矩传感器可以更好的反应实验齿轮承受的扭矩，主轴单元(18)通过螺纹固定在负载端箱体(21)上，负载端箱体(21)具有精度高强度大的特点，负载端箱体(21)采用米字型筋板，前后立板之间通过筋板加强强度。
2.根据权利要求1所述的圆柱齿轮动力学性能实验装置，其特征在于：在主动轴和被动轴的主轴单元里面集成了角度编码器，每个光栅编码器都配有双读数头，读数头经过细分之后进如DSI卡信号从DSI卡出来进如数据采集卡，双读数头可以消除主轴偏心误差；实验装置三轴加速度传感器将采集的到的数据进入振动信号分析系统，扭矩传感器和噪声传感都接进数据采集卡最终进入工控机，控制部分每个电机都又一个驱动器驱动，X方向调节电机、Y方向调节电机和主电机由控制器控制，扭矩加载器由成空电源控制，所有控制器都可由软件和电控柜单独控制即可联机工作也可脱机工作。
3.根据权利要求1所述的圆柱齿轮动力学性能实验装置，其特征在于：进行齿轮实验时，启动该试验台进行系统自我检查确认无故障之后主动端和负载端自动复位，直线光栅和角度编码器自动寻找零点，复位之后主动端和负载端启动X方向气动导轨夹持器和Y方向气动导轨夹持器固定主动端和负载端，固定之后在齿轮夹具上安装被试齿轮，选择相应齿轮参数如果没有需要在齿轮试验台软件上添加齿轮参数，确认齿轮安装无误之后松开X方向气动导轨夹持器和Y方向气动导轨夹持器，调节齿轮齿宽和中心距保证齿轮正常啮合，设置齿轮试验时需要的转速和扭矩以及试验时间并开启相应的传感器，完成之后按下启动按键开始试验，主电机开始旋转提供动力，加载器施加载荷，相应的传感器进行数据采集，经过预定时间后发出试验停止指令主电机停止运动，加载器停止加载，将采集得到的数据进行分析，得出试验结论，打印实验报表，X方向气动导轨夹持器和Y方向气动导轨夹持器松开，主动端和负载端自动回位并停机，之后可以取下齿轮，整个实验过程结束。
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