CN108444700B - 圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置及测试方法，底座设置有T型槽，并通过T型槽安装有加载装置、调节装置和测量装置；通过调节T型槽上的第一轴承支座和第二轴承支座对主动齿轮与从动齿轮之间的中心距进行啮合调节；记录刻度盘上的刻度，并设为初始点；调节传感器的位置，使测量头对准所要测试轮齿齿面的切平面，用来测出该齿的形变位移；调节传感器的位置使其与目前齿面的切平面垂直，施加加载扭矩，记录形变位移；计算出啮合周期中啮合刚度的变化曲线。本发明具有易用、可调节性，能够方便的测量普通圆柱齿轮在一个啮合周期中啮合刚度的变化情况，为齿轮啮合方面的研究提供实验依据，具有重要的实用价值。

Description

圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置及测试方法

技术领域

本发明属于机械工程设计与装备测试技术领域，具体涉及一种普通圆柱齿轮啮合刚度测量装置及测试方法。

背景技术

齿轮传动作为一种传递运动和力的重要方式，广泛应用航空航天与机械工程等领域。然而，齿轮在啮合过程中，为了保证啮合的连续性，齿轮传动的重合度通常大于1。由此引发的后果是，在一个轮齿啮合周期范围内，齿轮啮合会出现从两对轮齿啮合过渡到单对轮齿啮合、再过渡到两对轮齿啮合的状态，这一状态势必引起齿轮机构啮合刚度随时间发生周期性变化，对齿轮传动系统的动力学特性具有不可忽视的作用。随着现代机械不断朝着高承载能力、高传动效率、高可靠性以及高速度等方向的发展，工程领域齿轮传动系统在齿轮的动态和静态的特性方面提出了更高的要求。为了探索齿轮传动系统的动力学性能，有效的对齿轮在啮合过程中的啮合刚度进行测量，研究齿轮传动的啮合刚度变化规律具有重要意义。

目前，对于齿轮啮合刚度的测量，一种是力学模型方法，首先建立一种基于弹性力学、振动力学或者是材料力学的数学模型，然后再根据相关原理推导出齿轮的啮合刚度。由于理论的数学模型会忽略许多现实因素所带来的影响，跟现实情况存在很大的误差。第二种方法是在齿轮啮合时，在齿轮轮齿的表面装上一个压电传感器材料，通过这个压电传感器材料来直接对齿轮轮齿上的正压力进行测量，根据刚度定义直接求出齿轮的啮合刚度。但是该方法的不足之处是，压电传感器材料会对齿轮结构造成破坏，导致齿轮在传动过程中产生较大的偏差，同时测得的啮合刚度也有一定的误差。针对齿轮传动动力学研究中的问题，研究一种能测量齿轮啮合刚度的装置及其方法具有十分重要的价值。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种测量普通圆柱齿轮啮合刚度的装置及其测试方法，以期解决齿轮研究中啮合刚度测试的问题。

为解决上述存在的技术问题，本发明采用如下方案：一种圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置，包括底座，所述底座设置有T型槽，并通过T型槽安装有加载装置、调节装置和测量装置，所述加载装置包括第一转轴和第一轴承支座，第一转轴的两端与第一轴承支座连接，第一转轴位于第一轴承支座外侧的一端装有测力矩扳手；第一转轴上通过螺钉固定装有定位套，定位套上装有主动齿轮；第一轴承支座通过螺栓与T型槽连接；

所述调节装置包括调节座、第二转轴和第二轴承支座，所述调节座内安装有蜗轮蜗杆机构，位于调节座外侧装有刻度盘，刻度盘的外侧蜗轮轴端装有指针，位于调节座外的蜗杆轴上安装有手轮；所述第二轴承支座的外侧固定安装有三爪卡盘，三爪卡盘与第二轴承支座的轴孔同心，第二转轴的一端穿于第二轴承支座并与三爪卡盘连接，第二转轴的另一端穿于第二轴承支座并与调节座的蜗轮轴连接；第二转轴上通过螺钉固定装有定位套，定位套上装有从动齿轮；第二轴承支座和调节座分别通过螺栓与T型槽连接；

所述测量装置包括滑轨架和支架，滑轨架设有滑槽并连接有滑座，滑座上垂直设置有导槽；支架呈弧形且设置有导轨，支架的两端与滑座的导槽连接，支架的导轨上安装有传感器；滑轨架通过螺栓与T型槽连接。

一种圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置的测试方法，其步骤如下：

1)在第一转轴上安装主动齿轮，并通过定位套定位；

2)在第二转轴上装从动齿轮，通过定位套定位；

3)通过调节T型槽上的第一轴承支座和第二轴承支座对主动齿轮与从动齿轮之间的中心距进行啮合调节；

4)松开三爪卡盘，调节手轮，将主动齿轮与从动齿轮需测试啮合刚度轮齿对应啮合，用三爪卡盘锁紧第二转轴，第二转轴的另一端通过调节装置的蜗轮蜗杆机构自锁固定，记录刻度盘上的刻度，并设为初始点；

5)调节传感器的位置，使测量头对准所要测试轮齿齿面的切平面，用来测出该齿的形变位移；

6)根据主动齿轮和从动齿轮的工况，计算出加载扭矩，用测力矩扳手施加载荷，记录传感器的读数；

7)松开三爪卡盘，调节手轮，将所测轮齿旋转一个啮合角度，记录刻度数据；然后锁紧三爪卡盘，调节传感器的位置使其与目前齿面的切平面垂直，施加与步骤6)中相同的加载扭矩，记录形变位移；

8)重复步骤7)，直到所测轮齿完成整个啮合周期为止；计算出啮合周期中啮合刚度的变化曲线。

本发明能够静态测量在确定扭矩下的齿轮副不同啮合位置的轮齿形变量，提供齿轮啮合刚度计算数据。具有测量方法简单、易调节、高效的特点，能够方便的测量普通圆柱齿轮在一个啮合周期中啮合刚度的变化情况，为齿轮啮合方面的研究提供实验依据，对于完成齿轮传动装置啮合刚度的研究具有重要价值。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明加载部分立体结构示意图；

图3为本发明调节固定装置立体结构装配示意图；

图4为本发明测量装置结构立体示意图；

图5为本发明中定位套5的安装示意图；

图中：1-底座，11-T型槽；2-加载装置，21-主动齿轮，22-第一轴承支座，23-第一转轴，24-测力矩扳手；3-调节装置，31-从动齿轮，32-第二轴承支座，33-第二转轴，34-三爪卡盘，35-调节座，351-刻度盘，352-指针，353-手轮，354-蜗轮蜗杆机构；4-测量装置，41-滑轨架，42-滑座，43-支架；5-定位套；51-螺钉，6-传感器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。参见图1至图5，一种圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置，包括底座1，所述底座1设置有T型槽11，并通过T型槽11安装有加载装置2、调节装置3和测量装置4，所述加载装置2包括第一转轴23和第一轴承支座22，第一转轴23的两端与第一轴承支座22连接，第一转轴23位于第一轴承支座22外侧的一端装有测力矩扳手24；第一转轴23上通过螺钉51固定装有定位套5，定位套5上装有主动齿轮21；第一轴承支座22通过螺栓与T型槽11连接；

所述调节装置3包括调节座35、第二转轴33和第二轴承支座32，所述调节座35内安装有蜗轮蜗杆机构354，位于调节座35外侧装有刻度盘351，刻度盘351的外侧蜗轮轴端装有指针352，位于调节座35外的蜗杆轴上安装有手轮353；所述第二轴承支座32的外侧固定安装有三爪卡盘34，三爪卡盘34与第二轴承支座32的轴孔同心，第二转轴33的一端穿于第二轴承支座32并与三爪卡盘34连接，第二转轴33的另一端穿于第二轴承支座32并与调节座35的蜗轮轴连接；第二转轴33上通过螺钉51固定装有定位套5，定位套5上装有从动齿轮31；第二轴承支座32和调节座35分别通过螺栓与T型槽11连接；

所述测量装置4包括滑轨架41和支架44，滑轨架41设有滑槽并连接有滑座42，滑座42上垂直设置有导槽；支架44呈弧形且设置有导轨，支架44的两端与滑座42的导槽连接，支架44的导轨上安装有传感器6；滑轨架41通过螺栓与T型槽11连接。

一种圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置的测试方法，其步骤如下：

1)在第一转轴23上安装主动齿轮21，并通过定位套5定位；

2)在第二转轴33上装从动齿轮31，通过定位套5定位；

3)通过调节T型槽11上的第一轴承支座22和第二轴承支座32对主动齿轮21与从动齿轮31之间的中心距进行啮合调节；

4)松开三爪卡盘34，调节手轮353，将主动齿轮21与从动齿轮31需测试啮合刚度轮齿对应啮合，用三爪卡盘34锁紧第二转轴33，第二转轴33的另一端通过调节装置3的蜗轮蜗杆机构354自锁固定，记录刻度盘351上的刻度，并设为初始点；

5)调节传感器6的位置，使测量头对准所要测试轮齿齿面的切平面，用来测出该齿的形变位移；

6)根据主动齿轮21和从动齿轮31的工况，计算出加载扭矩，用测力矩扳手24施加载荷，记录传感器6的读数；

7)松开三爪卡盘34，调节手轮353，将所测轮齿旋转一个啮合角度，记录刻度数据，然后锁紧三爪卡盘34，调节传感器6的位置使其与目前所测齿面的切平面垂直，施加与步骤6)中相同的加载扭矩，记录形变位移；

8)重复步骤7)，直到所测轮齿完成整个啮合周期为止；计算出啮合周期中啮合刚度的变化曲线。

本发明中的传感器6采用激光位移传感器。

实施例：

本实施例提供一种实验装置的具体设计以及测试方法，旨在对本发明做进一步说明，针对一对普通圆柱直齿轮，在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

1)选择一对合适的普通直齿圆柱齿轮，本实施例采用模数为6，压力角为20，齿宽为20，主动齿轮21齿数为20，从动齿轮31齿数为30的一对圆柱直齿轮做试验。

2)加载装置2中的测力矩扳手24选用双屏数显测力矩扳手HZ系列的HZ600，量程可以达到60-600N·M,此数显式测力矩扳手24在施加扭矩的过程中，可以先设定想要施加的扭矩，然后对装置施加载荷，当扭矩达到预先设定的数值时，测力矩扳手24会发出“咔哒”的响声，提示完成载荷施加。

3)测量装置4中的传感器6，选用多功能型HL-G125-S-J型号激光位移传感器，其测量距离及测量范围可达250±150mm，分辨率可达20μm，能够精确测量轮齿的微小变形量。

4)本次测试预备测量所选轮齿的一个啮合周期的啮合刚度，选择一个啮合周期中的10个点进行测量。根据所选主动齿轮21的规格，其齿数为20，所以一个齿的啮合周期转过的角度为18度，选十个测量点，一个点转过的角度为1.8度。

5)将加载装置2、调节装置3和测量装置4通过螺栓安装在底座1上。

6)在主动齿轮21的啮合区选择一个刚要进入啮合的轮齿作为测量对象，对激光位移传感器6进行角度调整，使激光位移传感器6发射出的光线对准该齿的节线，并且垂直于该齿面的切平面。将激光位移传感器6设备与计算机设备连接在一起，锁紧三爪卡盘34，并且记录刻度盘351上的读数，作为起始读数。

7)对测力矩扳手24按照载荷要求进行力矩设定，然后用测力矩扳手24对设备施加载荷，在测力矩扳手24达到设定的力矩后，会听到一声“咔哒”声，此时持续施加力矩一到两秒，这时读出计算机上传感器6的读数记为此测量点的变形量。

8)松开三爪卡盘34，按照施加的载荷方向转动手轮353，使刻度盘351的读数转过1.8度，再次锁紧三爪卡盘24，并记录刻度盘351上的读数。

9)调节激光位移传感器6，使其发射出的光线对准刚才测试齿面的节线，并且要垂直于该测量点所在齿面的切平面。

10)重复进行上面所述的步骤7)至步骤9)，完成十个测量点的测量，这样就完成了该齿一个啮合周期中啮合刚度的测量。

本发明的测试原理：

在一个啮合周期中，轮齿的啮合情况存在单齿-双齿-单齿三个不同的啮合阶段，每一个啮合位置在施加恒定载荷后，齿轮会有一个转角的形变。首先根据扭矩计算公式(1)求出法向啮合力，然后根据齿轮啮合刚度的计算公式(2)进行计算：

式中：Mn为加载扭矩；dn为主动齿轮分度圆直径；Fn为法向啮合力；kn为线性啮合刚度；B为齿宽；δ为齿轮的法向总变形量。便可得到齿轮此时的啮合刚度，求出一个啮合周期的啮合刚度，即可分析轮齿一个啮合周期上的的变化规律。

本文应用普通圆柱直齿轮进行啮合刚度测试试验，对其原理及其实施方式进行具体阐述，只是用于帮助读者理解本发明的具体方法及其核心思想。由于文字表达的局限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本测试方式来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，这些改进的润饰或变化方案直接应用于其他场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置，包括底座(1)，其特征在于，所述底座(1)设置有T型槽(11)，并通过T型槽(11)安装有加载装置(2)、调节装置(3)和测量装置(4)；所述加载装置(2)包括第一转轴(23)和第一轴承支座(22)，第一转轴(23)的两端与第一轴承支座(22)连接，第一转轴(23)位于第一轴承支座(22)外侧的一端装有测力矩扳手(24)；第一转轴(23)上通过螺钉(51)固定装有定位套(5)，定位套(5)上装有主动齿轮(21)；第一轴承支座(22)通过螺栓与T型槽(11)连接；

所述调节装置(3)包括调节座(35)、第二转轴(33)和第二轴承支座(32)，所述调节座(35)内安装有蜗轮蜗杆机构(354)，位于调节座(35)外侧装有刻度盘(351)，刻度盘(351)的外侧蜗轮轴端装有指针(352)，位于调节座(35)外的蜗杆轴上安装有手轮(353)；所述第二轴承支座(32)的外侧固定安装有三爪卡盘(34)，三爪卡盘(34)与第二轴承支座(32)的轴孔同心，第二转轴(33)的一端穿于第二轴承支座(32)并与三爪卡盘(34)连接，第二转轴(33)的另一端穿于第二轴承支座(32)并与调节座(35)的蜗轮轴连接；第二转轴(33)上通过螺钉(51)固定装有定位套(5)，定位套(5)上装有从动齿轮(31)；第二轴承支座(32)和调节座(35)分别通过螺栓与T型槽(11)连接；

所述测量装置(4)包括滑轨架(41)和支架(44)，滑轨架(41)设有滑槽并连接有滑座(42)，滑座(42)上垂直设置有导槽；支架(44)呈弧形且设置有导轨，支架(44)的两端与滑座(42)的导槽连接，支架(44)的导轨上安装有传感器(6)；滑轨架(41)通过螺栓与T型槽(11)连接。

2.根据权利要求1所述的圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置，其特征在于，所述传感器(6)为激光位移传感器。

3.一种采用权利要求1所述的圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置的测试方法，其特征在于，其步骤如下：

1)在第一转轴(23)上安装主动齿轮(21)，并通过定位套(5)定位；

2)在第二转轴(33)上装从动齿轮(31)，通过定位套(5)定位；

3)通过调节T型槽(11)上的第一轴承支座(22)和第二轴承支座(32)对主动齿轮(21)与从动齿轮(31)之间的中心距进行啮合调节；

4)松开三爪卡盘(34)，调节手轮(353)，将主动齿轮(21)与从动齿轮(31)需测试啮合刚度轮齿对应啮合，用三爪卡盘(34)锁紧第二转轴(33)，第二转轴(33)的另一端通过调节装置(3)的蜗轮蜗杆机构(354)自锁固定，记录刻度盘(351)上的刻度，并设为初始点；

5)调节传感器(6)的位置，使传感器(6)测量头对准所测轮齿齿面的切平面，用来测出该齿的形变位移；

6)根据主动齿轮(21)和从动齿轮(31)的工况，计算出加载扭矩，用测力矩扳手(24)施加载荷，记录传感器(6)的读数；

7)松开三爪卡盘(34)，调节手轮(353)，将所测轮齿旋转一个啮合角度，记录刻度数据；然后锁紧三爪卡盘(34)，调节传感器(6)的位置使其与目前所测齿面的切平面垂直，施加与步骤6)中相同的加载扭矩，记录形变位移；

8)重复步骤7)，直到所测轮齿完成整个啮合周期为止；计算出啮合周期中啮合刚度的变化曲线。

4.根据权利要求3所述的圆柱齿轮啮合刚度静态测量装置的测试方法，其特征在于，所述所测轮齿为主动齿轮(21)或从动齿轮(31)上的轮齿。

Images