CN108827627A - 一种齿轮啮合力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种齿轮啮合力检测装置，包括转速传感器、转速传感器支架、底座、三项异步电动机、电机底座、电机同步轮、同步带、主动轴滚动轴承支撑支架、工业高速相机、高速相机支架、导线支架、导线、齿轮压紧端盖、从动齿轮、从动轴滚动轴承支撑支架、从动轴、从动轴滚动轴承、从动轴轴承端盖、柔性联轴器、电磁离合器固定支架、电磁离合器、电磁离合器电流控制器、加速度传感器、主动轴滚动轴承、主动轴、主动齿轮、套筒、导线压紧装置、主动轴轴承端盖、电压信号转换器、信号采集仪、计算机、电机调速装置。本发明通过采用绝缘材料利用3D打印技术将压电陶瓷片内置于齿轮齿面底部，实现了可直接检测啮合力的变化。

Description

一种齿轮啮合力检测装置

技术领域

本发明涉及齿轮实验设备技术领域，特别涉及一种齿轮啮合力检测装置。

背景技术

在工业飞速发展的环境下，齿轮是机械系统中应用广泛且重要的零部件，齿轮故障影响了整个机械系统的稳定性，因此齿轮故障诊断显得尤为重要，通过研究齿轮刚度、转速、负载对啮合力变化的影响规律，并将规律应用于齿轮故障诊断的振动信号处理部分，降低信号处理难度，提高故障信号提取的准确率。

目前主要是通过计算机仿真的方法研究不同速度、刚度和负载情况下的啮合力变化，没有较好的直接检测啮合力变化的实验方法。我们需要通过实验的方法对仿真结果以及通过仿真分析出的结论进行实验验证，若通过间接检测的方法检测啮合力的变换，影响检测结果的准确性。例如我们通过检测振动信号间接地分析齿轮啮合力的变化，相邻齿间的啮合、电机振动等因素加大了信号处理的难度，影响了实验结果的准确度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种齿轮啮合力检测装置，以弥补现有技术实验准确低和效率低的缺陷。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，该装置包括转速传感器、转速传感器支架、底座、三项异步电动机、电机底座、电机同步轮、同步带、主动轴滚动轴承支撑支架、工业高速相机、高速相机支架、导线支架、导线、齿轮压紧端盖、从动齿轮、从动轴滚动轴承支撑支架、从动轴、从动轴滚动轴承、从动轴轴承端盖、柔性联轴器、电磁离合器固定支架、电磁离合器、电磁离合器电流控制器、加速度传感器、主动轴滚动轴承、主动轴、主动齿轮、套筒、导线压紧装置、主动轴轴承端盖、电压信号转换器、信号采集仪、计算机、电机调速装置；

所述三项异步电动机通过电机底座固定在底座上，三项异步电动机的输出轴与电机同步轮连接；所述主动轴为阶梯轴，从左到右依次为主动一号轴段、主动二号轴段、主动三号轴段、主动四号轴段、主动五号轴段、主动六号轴段，主动四号轴段与主动齿轮配合，主动齿轮由主动三号轴段和套筒的左端固定；主动轴右侧的主动六号轴段的末端安装有一个主动轴同步轮，同步带套装在主动轴同步轮和电机同步轮的外周，三项异步电动机转动时，通过电机同步轮、同步带带动主动轴转动；

所述主动轴的两端均安装有一个主动轴滚动轴承支撑支架，主动轴与主动轴滚动轴承支撑支架之间装配有一个主动轴滚动轴承，左侧主动轴滚动轴承的内圈与主动一号轴段轴肩压紧，左侧主动轴滚动轴承外圈与一个主动轴轴承端盖压紧，该主动轴轴承端盖固定在主动轴滚动轴承固定支架上，该主动轴滚动轴承支撑支架固定在底座上；所述主动轴的右侧主动五号轴段通过一个主动轴滚动轴承固定在一个主动轴滚动轴承支撑支架上，该主动轴滚动轴承支撑支架固定在底座上，该主动轴滚动轴承内圈与套筒左端压紧，外圈与一个主动轴轴承端盖压紧，该主动轴轴承端盖固定在主动轴滚动轴承支撑支架上；

所述从动轴也为阶梯轴，从左到右依次为从动一号轴段、从动二号轴段、从动三号轴段、从动四号轴段、从动五号轴段、从动六号轴段，从动六号轴段的末端端面上设置有螺纹孔；从动齿轮安装在从动六号轴段上，从动齿轮与主动齿轮啮合连接，从动齿轮左侧与从动六号轴段轴肩压紧，右侧与齿轮压紧端盖通过螺纹孔压紧固定；

从动轴两端的从动二号轴段、从动四号轴段分别通过一个从动轴滚动轴承安装在一个从动轴滚动轴承支撑支架上，右侧的从动轴滚动轴承内圈与从动四号轴段轴肩压紧，外圈与一个从动轴轴承端盖压紧，该从动轴轴承端盖固定在从动轴滚动轴承支撑支架上；左侧的从动轴滚动轴承内圈与从动二号轴段轴肩压紧，外圈与一个从动轴轴承端盖压紧，该从动轴轴承端盖固定在该从动轴滚动轴承支撑支架上，从动轴滚动轴承支撑支架均固定在底座上；

所述从动齿轮采用绝缘材料利用3D打印技术内置一个压电陶瓷片，压电陶瓷片平行于齿面，并沿轴向居中放置，压电陶瓷片与导线接口连接，导线接口与导线连接；

导线安装在导线支架的上端，导线压紧装置安装在导线支架顶部并将导线固定在导线支架上，导线支架固定在底座上；

所述电磁离合器通过电磁离合器固定支架固定在底座上，联轴器一端与电磁离合器连接，其另一端与从动轴左端的从动一号轴段连接，电磁离合器通过联轴器由从动轴驱动，电磁离合器电流控制器与电磁离合器相连并对其进行控制；

所述工业高速相机通过高速相机支架固定在底座上，高速相机支架位于从动齿轮的右侧，工业高速相机的镜头正对从动齿轮与主动齿轮啮合处；工业高速相机与计算机连接，构成齿轮啮合位置定位信号采集通道；

所述压电陶瓷片通过导线接口及导线与电压信号转换器连接，电压信号转换器通过信号采集仪与计算机连接，构成啮合力电压信号采集通道；

所述电机调速装置与三项异步电动机连接，控制三项异步电动机的转速；

所述转速传感器通过转速传感器支架固定在三项异步电动机上，转速传感器与信号采集仪连接，信号采集仪与计算机连接，构成转速信号采集通道；

所述两个主动轴滚动轴承支撑支架和一个从动轴滚动轴承支撑支架的顶部中心位置通过磁力底座吸附均安装有一个加速度传感器，三个加速度传感器分别与信号采集仪连接，信号采集仪与计算机连接，构成振动信号采集通道；

根据从动齿轮与主动齿轮的材料与尺寸特征，对在齿轮啮合位置定位信号、转速信号、电磁离合器加载的负载对应的啮合力电压信号，可以得到从动齿轮与主动齿轮的啮合力特征曲线。

与现有技术相比，本发明通过采用绝缘材料利用3D打印技术将压电陶瓷片内置于齿轮齿面底部，实现了直接检测啮合力的变化，减小了其他齿啮合对检测结果的影响。通过采用不同材料的主动齿轮或者采用不同材料3D打印从动齿轮的方式改变两齿轮的刚度，通过调节电机调速装置改变转速，通过调节电磁离合器电流控制器改变负载，实现了通过改变刚度、转速、负载三个参数，分析三个参数对齿轮啮合力变化的影响规律；通过加速度传感器检测振动信号，间接地检测啮合力的变化；通过直接检测和间接检测同步进行，分析对比两种信号，研究三个参数对齿轮啮合力变化的影响规律，提高齿轮故障诊断中利用振动信号间接检测的准确性。三项异步电动机与主动轴之间采用同步带传动，减小了电机振动对由齿轮啮合产生的振动信号的干扰。本发明设计的装置结构稳定，操作方便，精度高，实现了齿轮啮合力的直接检测。

附图说明

图1是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的整体结构示意图。

图2是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的主动轴的结构示意图。

图3是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的主动轴滚动轴承支撑支架的结构示意图。

图4是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的主动轴轴承端盖的结构示意图。

图5是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的从动轴的结构示意图。

图6是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的从动齿轮的结构示意图，其中图6(a)是从动齿轮结构的侧视示意图，图6(b)是图6(a)沿 A-A的剖视结构示意图。

图7是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的从动轴滚动轴承支撑支架的结构示意图。

图8是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的从动轴轴承端盖的结构示意图。

图9是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的导线压紧装置的结构示意图。

图10是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的导线支架的结构示意图。

图11是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的电磁离合器固定支架的结构示意图。

图12是本发明的一种齿轮啮合力检测装置一种实施例的高速相机支架的结构示意图。

具体实施方式

下面解释实施例及附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的专利要求保护范围不限于下述的实例描述。为了方便说明和理解本发明的技术方案，以下所涉及的方位名词，如上下、左右、前后，均以附图所显示的方位为准。

本发明提供一种齿轮啮合力检测装置(参见图1-12)，该装置包括转速传感器1、转速传感器支架2、底座3、三项异步电动机4、电机底座5、电机同步轮6、同步带7、主动轴滚动轴承支撑支架8、工业高速相机9、高速相机支架10、导线支架11、导线12、齿轮压紧端盖13、从动齿轮14、从动轴滚动轴承支撑支架15、从动轴16、从动轴滚动轴承17、从动轴轴承端盖18、柔性联轴器19、电磁离合器固定支架20、电磁离合器21、电磁离合器电流控制器22、加速度传感器23、主动轴滚动轴承24、主动轴25、主动齿轮26、套筒27、导线压紧装置28、主动轴轴承端盖29、电压信号转换器30、信号采集仪31、计算机32、电机调速装置33。

所述三项异步电动机4通过电机底座5固定在底座3上，三项异步电动机 4的输出轴与电机同步轮6连接；所述主动轴25为阶梯轴(参见图2)，从左到右依次为主动一号轴段25.1、主动二号轴段25.2、主动三号轴段25.3、主动四号轴段25.4、主动五号轴段25.5、主动六号轴段25.6，主动四号轴段25.4与主动齿轮26配合，主动齿轮26由主动三号轴段25.3和套筒27的左端固定；主动轴25右侧的主动六号轴段25.6的末端安装有一个主动轴同步轮，同步带7 套装在主动轴同步轮和电机同步轮6的外周，三项异步电动机4转动时，通过电机同步轮6、同步带7带动主动轴25转动。

所述主动轴25的两端均安装有一个主动轴滚动轴承支撑支架8，主动轴25 与主动轴滚动轴承支撑支架8之间装配有一个主动轴滚动轴承24，左侧主动轴滚动轴承24的内圈与主动一号轴段25.1轴肩压紧，左侧主动轴滚动轴承24外圈与一个主动轴轴承端盖29(参见图4)压紧，该主动轴轴承端盖29固定在主动轴滚动轴承固定支架8上，该主动轴滚动轴承支撑支架8固定在底座3上；所述主动轴25的右侧主动五号轴段25.5通过一个主动轴滚动轴承24固定在一个主动轴滚动轴承支撑支架8上，该主动轴滚动轴承支撑支架8固定在底座3上，该主动轴滚动轴承24内圈与套筒27左端压紧，外圈与一个主动轴轴承端盖29压紧，该主动轴轴承端盖29固定在主动轴滚动轴承支撑支架8上。

所述从动轴16也为阶梯轴(参见图5)，从左到右依次为从动一号轴段16.1、从动二号轴段16.2、从动三号轴段16.3、从动四号轴段16.4、从动五号轴段16.5、从动六号轴段16.6，从动六号轴段16.6的末端端面上设置有螺纹孔16.7。从动齿轮14安装在从动六号轴段16.6上，从动齿轮14与主动齿轮26啮合连接，从动齿轮14左侧与从动六号轴段16.6轴肩压紧，右侧与齿轮压紧端盖13通过螺纹孔16.7压紧固定；

从动轴16两端的从动二号轴段16.2、从动四号轴段16.4分别通过一个从动轴滚动轴承17安装在一个从动轴滚动轴承支撑支架15(参见图7)上，右侧的从动轴滚动轴承17内圈与从动四号轴段16.4轴肩压紧，外圈与一个从动轴轴承端盖18(参见图8)压紧，该从动轴轴承端盖18固定在从动轴滚动轴承支撑支架15上；左侧的从动轴滚动轴承17内圈与从动二号轴段16.2轴肩压紧，外圈与一个从动轴轴承端盖18压紧，该从动轴轴承端盖18固定在该从动轴滚动轴承支撑支架15上，从动轴滚动轴承支撑支架15均固定在底座3上。

所述从动齿轮14采用绝缘材料利用3D打印技术内置一个压电陶瓷片 14.1，压电陶瓷片14.1平行于齿面，并沿轴向居中放置，压电陶瓷片14.1与导线接口14.2连接，导线接口14.2与导线12连接。

导线12安装在导线支架11(参见图10)的上端，导线压紧装置28(参见图9)安装在导线支架11顶部并将导线12固定在导线支架11上，导线支架11 固定在底座3上。

所述电磁离合器21通过电磁离合器固定支架20(参见图11)固定在底座 3上，联轴器19一端与电磁离合器21连接，其另一端与从动轴16左端的从动一号轴段16.1连接，电磁离合器21通过联轴器19由从动轴16驱动，电磁离合器电流控制器22与电磁离合器21相连并对其进行控制。

所述工业高速相机9通过高速相机支架10(参见图12)固定在底座3上，高速相机支架10位于从动齿轮14的右侧，工业高速相机9的镜头正对从动齿轮14与主动齿轮26啮合处。工业高速相机9与计算机32连接，构成齿轮啮合位置定位信号采集通道。

所述压电陶瓷片14.1通过导线接口14.2及导线12与电压信号转换器30 连接，电压信号转换器30通过信号采集仪31与计算机32连接，构成啮合力电压信号采集通道。

所述电机调速装置33与三项异步电动机4连接，控制三项异步电动机4 的转速。

所述转速传感器1通过转速传感器支架2固定在三项异步电动机4上，转速传感器1与信号采集仪31连接，信号采集仪31与计算机32连接，构成转速信号采集通道。

所述两个主动轴滚动轴承支撑支架8和一个从动轴滚动轴承支撑支架15 的顶部中心位置通过磁力底座吸附均安装有一个加速度传感器23，三个加速度传感器23分别与信号采集仪31连接，信号采集仪31与计算机32连接，构成振动信号采集通道。

加速度传感器23的型号为CA-YD-185TNC压电式加速度传感器。

转速传感器1的型号为E6B2-CWZ6C编码器。

工业高速相机9的型号为I-SPEED 210工业高速相机。

电磁离合器21的型号为ZA-1.2A1电磁离合器。

三项异步电动机4的型号为YE2-100L1-8电动机。

根据从动齿轮14与主动齿轮26的材料与尺寸特征，对在齿轮啮合位置定位信号、转速信号、电磁离合器21加载的负载对应的啮合力电压信号，可以得到从动齿轮14与主动齿轮26的啮合力特征曲线。

通过啮合力电压信号与对应的振动信号进行对比分析，得出振动信号与啮合力变化的对应关系。在实际应用中，可以通过转速、负载、刚度等参数，预测齿轮的啮合力变化曲线，利用振动信号与啮合力变化的对应关系，提高降噪和提取故障特征频率的效率和准确率。

本发明一种齿轮啮合力检测装置的工作原理如下：首先采用绝缘材料利用3D打印技术制作从动齿轮14，内置一个压电陶瓷片14.1，压电陶瓷片14.1平行于齿面，并沿轴向居中放置，压电陶瓷片14.1与导线接口14.2连接。当三项异步电动机4静止时候，通过调节电机调速装置33设置三项异步电动机4的转速，通过调节电磁离合器电流控制器22设置电磁离合器21所产生的转矩大小。当三项异步电动机4工作时，通过同步带7带动主动轴25转动，通过两齿轮啮合带动从动轴16转动，从动轴16通过联轴器19带动电磁离合器21转动，两齿轮啮合力的变化由压电陶瓷片14.1感知并通过导线接口14.2、导线12传送到电压信号转换器30，电压信号转换器30将信号转化为电压信号的变化通过信号采集仪31传送到计算机32，两齿轮的啮合产生振动，由三个加速度传感器23采集振动信号经过信号采集仪31传送到计算机32，转速传感器1采集的信号通过信号采集仪31传送到计算机32。

该装置可以通过采用不同材料的主动齿轮或者采用不同材料3D打印从动齿轮的方式改变两齿轮的刚度，同时利用3D打印技术实现了啮合力的直接测量；通过调节电机调速装置改变转速，通过调节电磁离合器电流控制器改变负载，实现了通过改变刚度、转速、负载三个参数，分析三种参数对齿轮啮合力变化的影响规律；同时也采用了通过振动信号检测的方式，实现了直接检测和间接检测同步进行，分析对比两种信号，研究三种参数对齿轮啮合力变化的影响规律，在实际应用中，可以通过转速、负载、刚度等参数，预测齿轮的啮合力变化曲线，利用振动信号与啮合力变化的对应关系，提高实际应用中齿轮故障诊断中利用振动信号间接检测的准确率和信号处理效率；采用工业高速相机实现了对啮合力信号、振动信号的啮合位置精确定位；三项异步电动机与主动轴之间采用同步带传动，减小了电机振动对由齿轮啮合产生的振动信号的干扰。该装置操作方便，稳定性好，实现了对啮合力的直接检测，同时采用直接检测和间接检测同步进行的方式，分析三个参数对齿轮啮合力变化的影响规律，分析结果在齿轮故障诊断领域具有较高的实用性。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。本发明未述及之处适用于现有技术。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，该装置包括转速传感器、转速传感器支架、底座、三项异步电动机、电机底座、电机同步轮、同步带、主动轴滚动轴承支撑支架、工业高速相机、高速相机支架、导线支架、导线、齿轮压紧端盖、从动齿轮、从动轴滚动轴承支撑支架、从动轴、从动轴滚动轴承、从动轴轴承端盖、柔性联轴器、电磁离合器固定支架、电磁离合器、电磁离合器电流控制器、加速度传感器、主动轴滚动轴承、主动轴、主动齿轮、套筒、导线压紧装置、主动轴轴承端盖、电压信号转换器、信号采集仪、计算机、电机调速装置；

所述三项异步电动机通过电机底座固定在底座上，三项异步电动机的输出轴与电机同步轮连接；所述主动轴为阶梯轴，从左到右依次为主动一号轴段、主动二号轴段、主动三号轴段、主动四号轴段、主动五号轴段、主动六号轴段，主动四号轴段与主动齿轮配合，主动齿轮由主动三号轴段和套筒的左端固定；主动轴右侧的主动六号轴段的末端安装有一个主动轴同步轮，同步带套装在主动轴同步轮和电机同步轮的外周，三项异步电动机转动时，通过电机同步轮、同步带带动主动轴转动；

所述主动轴的两端均安装有一个主动轴滚动轴承支撑支架，主动轴与主动轴滚动轴承支撑支架之间装配有一个主动轴滚动轴承，左侧主动轴滚动轴承的内圈与主动一号轴段轴肩压紧，左侧主动轴滚动轴承外圈与一个主动轴轴承端盖压紧，该主动轴轴承端盖固定在主动轴滚动轴承固定支架上，该主动轴滚动轴承支撑支架固定在底座上；所述主动轴的右侧主动五号轴段通过一个主动轴滚动轴承固定在一个主动轴滚动轴承支撑支架上，该主动轴滚动轴承支撑支架固定在底座上，该主动轴滚动轴承内圈与套筒左端压紧，外圈与一个主动轴轴承端盖压紧，该主动轴轴承端盖固定在主动轴滚动轴承支撑支架上；

所述从动轴也为阶梯轴，从左到右依次为从动一号轴段、从动二号轴段、从动三号轴段、从动四号轴段、从动五号轴段、从动六号轴段，从动六号轴段的末端端面上设置有螺纹孔；从动齿轮安装在从动六号轴段上，从动齿轮与主动齿轮啮合连接，从动齿轮左侧与从动六号轴段轴肩压紧，右侧与齿轮压紧端盖通过螺纹孔压紧固定；

从动轴两端的从动二号轴段、从动四号轴段分别通过一个从动轴滚动轴承安装在一个从动轴滚动轴承支撑支架上，右侧的从动轴滚动轴承内圈与从动四号轴段轴肩压紧，外圈与一个从动轴轴承端盖压紧，该从动轴轴承端盖固定在从动轴滚动轴承支撑支架上；左侧的从动轴滚动轴承内圈与从动二号轴段轴肩压紧，外圈与一个从动轴轴承端盖压紧，该从动轴轴承端盖固定在该从动轴滚动轴承支撑支架上，从动轴滚动轴承支撑支架均固定在底座上；

所述从动齿轮采用绝缘材料利用3D打印技术内置一个压电陶瓷片，压电陶瓷片平行于齿面，并沿轴向居中放置，压电陶瓷片与导线接口连接，导线接口与导线连接；

导线安装在导线支架的上端，导线压紧装置安装在导线支架顶部并将导线固定在导线支架上，导线支架固定在底座上；

所述电磁离合器通过电磁离合器固定支架固定在底座上，联轴器一端与电磁离合器连接，其另一端与从动轴左端的从动一号轴段连接，电磁离合器通过联轴器由从动轴驱动，电磁离合器电流控制器与电磁离合器相连并对其进行控制；

所述工业高速相机通过高速相机支架固定在底座上，高速相机支架位于从动齿轮的右侧，工业高速相机的镜头正对从动齿轮与主动齿轮啮合处；工业高速相机与计算机连接，构成齿轮啮合位置定位信号采集通道；

所述压电陶瓷片通过导线接口及导线与电压信号转换器连接，电压信号转换器通过信号采集仪与计算机连接，构成啮合力电压信号采集通道；

所述电机调速装置与三项异步电动机连接，控制三项异步电动机的转速；

所述转速传感器通过转速传感器支架固定在三项异步电动机上，转速传感器与信号采集仪连接，信号采集仪与计算机连接，构成转速信号采集通道；

所述两个主动轴滚动轴承支撑支架和一个从动轴滚动轴承支撑支架的顶部中心位置通过磁力底座吸附均安装有一个加速度传感器，三个加速度传感器分别与信号采集仪连接，信号采集仪与计算机连接，构成振动信号采集通道；

根据从动齿轮与主动齿轮的材料与尺寸特征，对在齿轮啮合位置定位信号、转速信号、电磁离合器加载的负载对应的啮合力电压信号，可以得到从动齿轮与主动齿轮的啮合力特征曲线。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，加速度传感器的型号为CA-YD-185TNC压电式加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，转速传感器的型号为E6B2-CWZ6C编码器。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，工业高速相机的型号为I-SPEED210工业高速相机。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，电磁离合器的型号为ZA-1.2A1电磁离合器。

6.根据权利要求1所述的一种齿轮啮合力检测装置，其特征在于，三项异步电动机的型号为YE2-100L1-8电动机。