CN108731890A - 齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，装置设有底座，所述底座上固定有支撑板，所述支撑板上固定有相互平行的主动齿轮轴、中间轴和从动齿轮轴，所述从动齿轮轴固定在支撑板上，所述底座上固定有扭力输出机构，两个联轴器分别连接扭力输出机构和主动齿轮轴，所述主动齿轮轴上固定有与从动齿轮轴上从动试验齿轮相啮合的主动试验齿轮，所述从动齿轮轴上固定有透明的刻度盘和标记有指示线的第四齿轮，所述第四齿轮空套在从动齿轮轴上，所述主动齿轮轴上固定有第一齿轮，所述中间齿轮轴上第二齿轮、第三齿轮。装置可以测量齿轮轮齿啮合过程中单齿对啮合与双齿对啮合交替变化的综合啮合刚度，而且可以测量单对轮齿从开始进入啮合到退出啮合的单齿对啮合刚度。

Description

齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及齿轮力学性能测试的技术领域，尤其涉及一种用于测量齿轮轮齿啮合刚度的试验装置。

背景技术

平行轴直齿圆柱齿轮轮齿的啮合刚度，是齿轮传动系统动力学分析计算的基础参数。有关直齿圆柱齿轮轮齿啮合刚度计算，国内外学者已经做了大量的研究工作，主要方法有解析法(如计算齿轮轮齿啮合刚度的Web公式)和以弹性力学有限元为基础的数值法。但有关齿轮啮合刚度测量及试验方法,还很少见。

专利200810017779.2《直齿圆柱齿轮动态啮合刚度的测量方法》、专利201410837921.3《测量齿轮啮合时变刚度的方法》提出了测量齿轮啮合综合时变刚度的试验方法，但采用的方法为所谓的间接测量法，即通过测量齿轮传动系统的动态输入与输出响应，应用动力学分析方法并通过比较复杂的计算方可得到齿轮轮齿的啮合时变刚度。分析计算过程复杂且由于采用间接测量法，影响因素多，测量结果可靠性不高，而且只能测量齿轮轮齿啮合过程中单齿对啮合与双齿对啮合交替变化的综合啮合刚度，不能测量单齿对从开始进入啮合到退出啮合的单齿对啮合刚度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种基于平行轴直齿圆柱齿轮轮齿啮合刚度的试验装置，能够通过简单的计算就可以得到齿轮轮齿的动态啮合刚度，并能保证较高的测量可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，装置设有底座，所述底座上固定有支撑板，所述支撑板上固定有相互平行的主动齿轮轴、中间轴和从动齿轮轴，所述从动齿轮轴固定在支撑板上，所述底座上固定有扭力输出机构，用于获取扭矩的扭力传感器两端各设有一个联轴器，两个所述联轴器分别连接扭力输出机构和主动齿轮轴，所述主动齿轮轴上固定有与从动齿轮轴上从动试验齿轮相啮合的主动试验齿轮，所述从动齿轮轴上固定有透明的刻度盘和标记有指示线的第四齿轮，所述第四齿轮空套在从动齿轮轴上，所述主动齿轮轴上固定有第一齿轮，所述中间齿轮轴上固定有与第一齿轮啮合的第二齿轮、以及与第四齿轮啮合的第三齿轮。

所述从动齿轮轴通过换位多孔长条板固定在支撑板上，所述换位多孔长条板上设有换位销孔，所述支撑板上设有与换位销孔配合通过销钉将换位多孔长条板固定的固定孔，所述固定孔或换位销孔设有多个，将从动齿轮轴旋转至不同角度位置固定。

所述由第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮构成的齿轮组件将主、从动齿轮轴之间的相对转角放大50-100倍输送至第四齿轮。

所述扭力输出机构为蜗轮蜗杆减速箱，所述蜗轮蜗杆减速箱由电机或加载手轮输入动力。

装置设有控制器，所述控制器获取扭力传感器信号并输送至显示器显示。

所述控制器根据获取的扭力传感器信号输送驱动信号至电机。

基于所述齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置的试验方法：

步骤1、将待测试的主动试验齿轮安装到主动齿轮轴上，将待测试的从动试验齿轮安装到从动齿轮轴上，利用销钉将换位多孔长条板固定在支撑板上；

步骤2、记录第四齿轮的指示线在刻度盘上对应的初位置；

步骤3、按照预先设定值通过扭力传感器获取的信号，控制扭力输出机构输出设定值扭力ΔT_i，并记录扭力达到设定值时刻度盘上的转角

步骤4、卸载并取出销钉，改变换位多孔长条板位置后锁住以实现下一个啮合位置，之后重复步骤2和步骤3，直至完成测试次数，或完成换位多孔长条板全部档位调节。

所述步骤4中记录的数据计算齿轮轮齿啮合刚度K的方法：

其中

式中i为从动试验齿轮和主动试验齿轮的传动比，R_b1，R_b2为从动试验齿轮和主动试验齿轮的基圆半径。

本发明是一种平行轴直齿圆柱齿轮轮齿啮合刚度试验装置及其试验方法，采用直接测量法，即通过直接测量作用在齿轮轮齿上的作用力和齿轮的角位移，通过简单的计算就可以得到齿轮轮齿的动态啮合刚度，其测量结果可靠性高，且试验过程操作简单及试验数据处理简单有效。不仅可以测量齿轮轮齿啮合过程中单齿对啮合与双齿对啮合交替变化的综合啮合刚度，而且可以测量单对轮齿从开始进入啮合到退出啮合的单齿对啮合刚度。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置侧视图；

图2为齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置俯视图；

图3为齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置齿轮传动原理图；

图4为齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置立体示意图；

上述图中的标记均为：1、底座；2、支撑板；3、齿轮组件；4、从动齿轮轴；5、换位多孔长条板；6、联轴器；7、扭力传感器；8、扭力输出机构；9、中间轴；10、主动齿轮轴；11、从动试验齿轮；12、主动试验齿轮；13、换位销孔；14、刻度盘；

301、第一齿轮；302、第二齿轮；303、第三齿轮；304、第四齿轮。

具体实施方式

利用本试验装置可以测量从开始啮合到退出啮合过程中一对平行轴直齿圆柱齿轮轮齿的啮合刚度，以验证理论计算的正确性。试验装置设计需要解决的两个方面的问题，测量方案设计和结构设计。测量方案需要解决的问题有：

1)齿轮轮齿之间法向作用力的测量。本专利采用在被测量齿轮输入轴上安装扭力传感器7测量输入扭矩T，齿轮轮齿之间法向作用力Fn，可按公式计算得到，其中R_b1为输入轴上被测齿轮的基圆半径；

2)齿轮轮齿接触点处由于轮齿表面的接触变形、轮齿的弯曲变形以及齿轮轮毂的弹性变形引起的沿啮合线方向相对趋近量Δ₁₂的测量。本装置采用测量两试验齿轮轴之间的相对扭转角沿啮合线方向相对趋近量按照公式计算获得，其中i为一对被测齿轮的传动比，R_b1，R_b2分别为一对被测齿轮基圆半径；

3)一对轮齿从开始进入啮合到退出啮合过程不同啮合位置的实现及固定。本专利通过结构设计实现，即在被测齿轮从动轴上安装固定一个换位多孔长条板5，通过连接销的安装与拆卸，实现被测齿轮的不同啮合位置及其固定功能。

通过采用的试验齿轮为一对完整的齿轮，可测得齿轮轮齿啮合过程中单齿对啮合与双齿对啮合交替变化的综合啮合刚度即实际齿轮的综合啮合刚度；若试验齿轮为只有一个轮齿的不完全齿轮，则测得的是一对轮齿从开始进入啮合到退出啮合过程的啮合刚度。

如图1所示，齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置的底座1上竖直固定有支撑板2，支撑板2可以根据需要设置两块或三块，支撑板2上固定有相互平行的主动齿轮轴10、中间轴9和从动齿轮轴4，三个轴都可以相对支撑板2转动，但其中从动齿轮轴4配有用锁止的机构，将从动齿轮轴4，固定在支撑板2上。

底座1上固定有扭力输出机构8，其能够驱动轴旋转，扭力输出机构8可以采用蜗轮蜗杆减速箱，蜗轮蜗杆减速箱的输出端驱动轴旋转，蜗轮蜗杆减速箱的输入端可以由电机驱动旋转，也可以安装手轮，外力偶矩通过蜗轮蜗杆减速后输出。

为了获取扭力输出机构8的输出扭力，装置设有用于获取扭矩的扭力传感器7，扭力传感器7两端各设有一个联轴器6，扭力输出机构8的输出端连接其中一个联轴器6，另一个联轴器6连接主动齿轮轴10，这样扭力输出机构8的输出扭力通过联轴器6及扭力传感器7传递到主动齿轮轴10上，使得从动试验齿轮11和主动试验齿轮12受力，从动试验齿轮11和主动试验齿轮12之间法向作用力Fn与扭力传感器7读数T之间的关系为：

其中R_b1为输入轴上被测齿轮的基圆半径。

从动齿轮轴4上固定有透明的刻度盘14和标记有指示线的第四齿轮304，第四齿轮304空套在从动齿轮轴4上，主动齿轮轴10上固定有第一齿轮301，所述中间齿轮轴上固定有与第一齿轮301啮合的第二齿轮302、以及与第四齿轮304啮合的第三齿轮303，除了第四齿轮304，其他齿轮均固定在相应轴上，通过第一齿轮301、第二齿轮302、第三齿轮303和第四齿轮304构成的齿轮组件3，将主从动试验齿轮11之间的相对扭转角放大50-100倍，以提高试验齿轮副相对角位移的测量精度。由于第四齿轮304空套在从动齿轮轴4上，这样，齿轮组件3只传递运动而不传递力，从而不影响或不改变从动试验齿轮11和主动试验齿轮12的受力。

透明塑料刻度盘14与第四齿轮304相邻，由于从动齿轮轴4在试验过程中是固定不动的，因而透明塑料刻度盘14也可以认为是固定不动的，这样通过观察第四齿轮304上的指示线可方便地获得第四齿轮304和刻度盘14之间的转角从动试验齿轮11和主动试验齿轮12的相对转角可通过计算得到。两者之间的关系为

式中：i_IV，III为增速轮系的传动比，分别为齿轮第二齿轮302、第四齿轮304、第一齿轮301和第三齿轮303的齿数。

为了能够获得从动试验齿轮11和主动试验齿轮12不同啮合位置的啮合刚度，从动齿轮轴4通过换位多孔长条板5固定在支撑板2上，换位多孔长条板5与从动齿轮轴4固定连接，而从动齿轮轴4与从动试验齿轮11固定连接，因而固定换位多孔长条板5也就固定了从动试验齿轮11，换位多孔长条板5在同一圆周上开有多个换位销孔13，利用销钉或销轴与支撑板2上的对应的销孔连接。通过转动换位多孔长条板5使得两个构件上不同的换位销孔13对齐并锁住，就可使实现试验齿轮的不同啮合位置的变换及其固定，从而可以测量轮齿在一个啮合周期过程中不同啮合位置的啮合刚度。

为了方便观察扭力输出机构8的输出扭力，装置设有控制器，控制器获取扭力传感器7信号并输送至显示器显示，从而方便用户了解输出扭力，为了能够精确的控制扭力输出机构8的输出扭力，扭力输出机构8的输入端连接电机输出轴，控制器根据获取扭力传感器7的扭力信号，输出控制信号至电机，构成闭环控制，使电机精准的输出设定的扭力。

基于上述装置，试验方法如下：

步骤1、将试验齿轮副和角位移齿轮传动放大显示组件安装好，调整好一对齿轮轮齿的开始进入啮合位置，插入销钉锁定换位多孔长条板5位置；

步骤2、记录齿轮Ⅲ上的印记在透明塑料刻度盘14上对应的初位置；

步骤3、转动加载手轮缓慢加载，采用等量逐级加载法，分别记录扭力传感器7示数ΔT_i，以及透明塑料刻度盘14上对应的转角按照公式(2)计算试验齿轮副之间的相对扭转角

步骤4、卸载并取出销钉，改变换位多孔长条板5位置后锁住以实现下一个啮合位置，将力传感器置0，重复步骤2)3)，直至轮齿的一个啮合周期完成后结束。

啮合刚度的实验值计算方法：

其中

式中i为一对被测齿轮的传动比，R_b1，R_b2为一对被测齿轮基圆半径。

直齿圆柱齿轮一对轮齿啮合刚度理论值可按Web公式进行计算，参见何芝仙主编机械系统动力学，西安电子科技大学出版社，2017年1月。

如果试验齿轮副为一对完整的齿轮，则测得的是实际齿轮的综合啮合刚度；如果试验齿轮副为只有一个轮齿的不完全齿轮，则测得的是一对轮齿从开始进入啮合到对出啮合过程的啮合刚度。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，其特征在于：装置设有底座，所述底座上固定有支撑板，所述支撑板上固定有相互平行的主动齿轮轴、中间轴和从动齿轮轴，所述从动齿轮轴固定在支撑板上，所述底座上固定有扭力输出机构，用于获取扭矩的扭力传感器两端各设有一个联轴器，两个所述联轴器分别连接扭力输出机构和主动齿轮轴，所述主动齿轮轴上固定有与从动齿轮轴上从动试验齿轮相啮合的主动试验齿轮，所述从动齿轮轴上固定有透明的刻度盘和标记有指示线的第四齿轮，所述第四齿轮空套在从动齿轮轴上，所述主动齿轮轴上固定有第一齿轮，所述中间齿轮轴上固定有与第一齿轮啮合的第二齿轮、以及与第四齿轮啮合的第三齿轮。

2.根据权利要求1所述的齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，其特征在于：所述从动齿轮轴通过换位多孔长条板固定在支撑板上，所述换位多孔长条板上设有换位销孔，所述支撑板上设有与换位销孔配合通过销钉将换位多孔长条板固定的固定孔，所述固定孔或换位销孔设有多个，将从动齿轮轴旋转不同角度固定，用于固定试验齿轮轮齿不同的啮合位置。

3.根据权利要求1或2所述的齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，其特征在于：所述由第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮构成的齿轮组件件将主、从动试验齿轮轴之间的相对旋转角度放大50-100倍输送至第四齿轮。

4.根据权利要求3所述的齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，其特征在于：所述扭力输出机构为蜗轮蜗杆减速箱，所述蜗轮蜗杆减速箱由电机或加载手轮输入动力。

5.根据权利要求4所述的齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，其特征在于：装置设有控制器，所述控制器获取扭力传感器信号并输送至显示器显示。

6.根据权利要求5所述的齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置，其特征在于：所述控制器根据获取的扭力传感器信号输送驱动信号至电机。

7.基于权利要求1-6所述齿轮轮齿啮合刚度测量试验装置的试验方法，其特征在于：

步骤1、将待测试的主动试验齿轮安装到主动齿轮轴上，将待测试的从动试验齿轮安装到从动齿轮轴上，利用销钉将换位多孔长条板固定在支撑板上；

步骤2、记录第四齿轮的指示线在刻度盘上对应的初位置；

步骤3、按照预先设定值通过扭力传感器获取的信号，控制扭力输出机构输出设定值扭力ΔT_i，并记录扭力达到设定值时刻度盘上的转角

步骤4、卸载并取出销钉，改变换位多孔长条板位置后锁住以实现下一个啮合位置，之后重复步骤2和步骤3，直至完成测试次数，或完成换位多孔长条板全部档位调节。

8.根据权利要求7所述的置的试验方法，其特征在于：

所述步骤4中记录的数据计算齿轮轮齿啮合刚度K的方法：

其中

式中i为从动试验齿轮和主动试验齿轮的传动比，R_b1，R_b2为从动试验齿轮和主动试验齿轮的基圆半径。