CN109342061A - 内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置 - Google Patents

内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，随动加载系统通过螺栓连接的方式固定在驱动系统上，散热系统是构成随动加载系统的一部分。且驱动系统连接随动加载系统及被试验零部件—柔轮和柔性轴承来分别进行驱动；随动加载系统利用摩擦轴承产生的摩擦力矩平衡外加的力矩负荷，通过弹性加载齿轮在柔轮上施加切向载荷，将其所做的功转化为摩擦热并由散热系统产生的风冷耗散掉；散热系统是随动加载系统结构的一部分，满足试验过程中通风散热问题；支撑系统是对驱动系统、随动加载系统和数据采集和处理系统的支撑；试验时能对柔性轴承性能进行试验，能对柔轮性能进行试验，还能对柔性轴承和柔轮的一体集成件性能进行试验。

Description

内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置
技术领域
本发明属于柔性轴承与柔轮的疲劳检测技术领域，特别涉及一种内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，能模拟实际工况下，不同规格的柔性轴承与柔轮的受力情况，并对柔性轴承和柔轮的性能与寿命进行试验。
背景技术
谐波传动技术是近些年来为了适应空间技术以及机器人技术等要求发展起来的一种新型传动技术，具有传动比大，体积小，重量轻，传动精度高，回转误差小等优点，特别是可以向密封空间传递运动和动力的特性，使其得到了广泛应用。其中具有代表性的传动机构是谐波减速器，谐波减速器的发展已有将近60年，被广泛应用于航天、军事、自动控制、仪器仪表、数控机床以及机器人等领域。随着我国航天技术，机器人技术和高精度仪器等方面的发展，谐波传动在我国也有了较快的发展，通用谐波减速器也有了系列化的生产。影响谐波减速器寿命的主要因素是柔性轴承与柔轮的失效，柔性轴承与柔轮作为谐波减速器中最重要的两个零件，对他们的失效模式与机理的研究是十分重要的。由于国内对谐波减速器尤其是单一的针对柔性轴承或柔轮的试验研究较少，对它们的失效机理和诊断方法认识不充分，进而影响到谐波减速器的寿命计算和设计等，因此对柔性轴承与柔轮进行试验研究的意义是十分重大的。
柔性轴承是一种特殊的滚动轴承，其内外圈的壁厚较薄，在装入波发生器之前为圆形，装入波发生器之后，柔性轴承被挤压变形，内外圈均变成波发生器的等距曲线；柔轮是一种具有外啮合齿圈的薄壁构件，通常为杯形或草帽形，与带有内齿圈的刚轮啮合，柔轮与柔性轴承装配后，在波发生器作用下发生变形，在椭圆长轴两端处的柔轮轮齿与钢轮轮齿完全啮合，从而传递动力和运动。在谐波减速器中，波发生器一般作为主动件，柔轮为从动件，刚轮固定。波发生器转动从而驱动柔性轴承内圈转动，由于柔轮外齿与刚轮内齿有齿数差，柔轮转动时会与钢轮形成错齿运动，柔轮和柔性轴承外圈与内圈和波发生器的转向相反，转速也不同。当柔轮作为输出端使用时，柔轮长轴端外齿与刚轮内齿之间啮合产生的作用力会传递给柔性轴承。因此在有负载的情况下，柔性轴承的受载位置始终位于外圈的变形长轴两端，而随着波发生器的旋转，导致柔轮的变形长轴也随之变化，因此柔轮与柔性轴承外圈受载荷作用的位置随波发生器的转动而不断改变。
本发明可模拟工作状态下柔轮与柔性轴承的受力情况，对柔轮施加径、切向载荷，能模拟柔轮与钢轮多对齿同时啮合传递扭矩的工况；本发明既可以单独对柔性轴承或者柔轮试验，也可以对两者的结合体进行试验，能模拟一定减速比和外加力矩负荷下两者的运行情况，对二者的寿命与性能进行研究，针对发现的问题改善柔性轴承与柔轮在设计、工艺和材料等方面的缺陷，提高使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，对谐波减速器中的柔性轴承和柔轮进行性能试验，以提升对其性能和寿命的研究，为达到上述目的，改进设计、工艺和材料等方面的缺陷，提高使用寿命。本发明的构思是：利用能产生高摩擦力矩的摩擦轴承来平衡外加力矩负荷，设计一种加载齿轮与摩擦轴承装配，与柔轮在变形长轴两端啮合，在柔轮上施加径、切向载荷；设计的散热机构能将摩擦轴承产生的热量快速吹散；加载装置上的加载齿轮与柔轮变形长轴同步转动，能在长轴两端产生包角，对柔轮施加区域载荷，模拟实际工况下柔轮与钢轮有多对齿同时啮合传递扭矩的特点；加载机构能单独的对柔轮施加径向或切向载荷，作用在柔轮上的径、切向载荷可分别独立调节；设计的锁紧装置能将加载机构锁紧，与柔轮不产生相对移动，平衡旋转产生的离心力；将一些需要经常拆卸的机构安装在滑台可移动的支撑板上，整体移动这些机构，方便装配与拆卸；设计一种柔轮挤压装置，在柔轮与柔性轴承装配或拆卸时在径向方向挤压柔轮，让柔轮变形为与柔性轴承一样的椭圆形状，方便与柔性轴承配合。
设计一种滚动支承轴承，轴承的内圈为分离式的双半内圈结构，通过缩短两内圈之间的轴向间隙，提高滚动体与套圈滚道之间的接触载荷，增大轴承旋转时产生的摩擦力矩，称之为摩擦轴承；设计一种用弹性材料制成的齿轮，具有能够承受载荷以及受载荷后小变形的特点，简称为加载齿轮；加载齿轮与摩擦轴承装配，与柔轮在长轴两端啮合，摩擦轴承转动时产生的摩擦阻力矩传递到加载齿轮，在柔轮上施加切向载荷；加载齿轮受径向载荷后，在柔轮长轴两端变形产生包角，施加径向区域载荷；随动加载器上按圆周排列有中心对称的空气压缩结构，能在旋转过程中将空气吸入并高速喷出，出口正对摩擦轴承的工作区域，将摩擦轴承工作时产生的热量快速吹散；加载装置产生的径、切向载荷可分别独立调节，可单独对柔轮或柔性轴承进行试验，或者对二者的结合体进行试验；在加载装置上的滑动支撑块内部放置紧定螺钉，紧定螺钉的顶端与随动加载器上的导柱接触，底端与圆锥形的锁紧螺栓接触，旋紧锁紧螺栓时，可以挤压紧定螺钉，将加载装置锁紧在导柱上；将柔轮以及柔轮的驱动机构等，整体放置在一块滑动底板上，滑动底板与滑台配合，可以整体移动这些零件；通过在一个“门”形框架两边设置可移动的卡爪，卡爪移动从径向方向两侧对称的挤压柔轮，该装置安装在滑动底板上，不需要时可以拆卸下来。
根据上述构思，本发明采用如下技术方案：
一种内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，包括驱动系统、随动加载系统、散热系统、支撑系统以及数据采集和处理系统。其中随动加载系统通过螺栓连接的方式固定在驱动系统上，散热系统本身是构成随动加载系统的一部分。所述驱动系统连接随动加载系统及被试验零部件——柔轮和柔性轴承来分别进行驱动；所述随动加载系统利用其中的摩擦轴承产生的摩擦力矩平衡外加的力矩负荷，通过其中的弹性加载齿轮在柔轮上施加切向载荷，将其所做的功转化为摩擦热并由散热系统产生的风冷耗散掉；所述散热系统是随动加载系统结构的一部分，满足试验过程中的通风散热问题；所述支撑系统是对驱动系统、随动加载系统和数据采集和处理系统的支撑，也包括对试验件的支撑；试验时，既能对柔性轴承的性能进行试验，又能对柔轮的性能进行试验，还能对柔性轴承和柔轮的一体集成件的性能进行试验。所述驱动系统分为对随动加载系统进行驱动的主驱动系统和对柔轮进行驱动的从驱动系统，对加载系统进行驱动的主驱动系统是一个电机甲，通过键连接一个法兰，随动加载器与该法兰通过螺栓连接；对柔轮进行驱动的从驱动系统是一个电机乙，依次通过联轴器、扭矩传感器、联轴器、柔轮连接杆和支撑台与柔轮连接；电机乙的输出轴与扭矩传感器的输入轴通过联轴器连接，扭矩传感器的输出轴与连接杆通过联轴器连接；电机甲驱动随动加载器转动，随动加载器上的两个加载装置跟着一起转动，则加载装置上的两个加载齿轮在跟着随动加载器公转的同时绕着柔轮表面自转；电机乙通过驱动扭矩传感器和连接杆来驱动柔轮转动。柔轮与柔性轴承的外圈之间紧配合，柔轮转动时带动柔性轴承的外圈转动；柔轮的转速不受随动加载器的影响，二者的转速与转向各自独立。
随动加载系统是本装置的核心，其中包括随动加载器和两套加载装置，加载装置包括加载螺母、加载弹簧、滑动支撑块、弹性加载齿轮、摩擦轴承和螺栓等；两套加载装置相对随动加载器的中心对称安装，设置在导柱上，沿着导柱移动，导柱上加工有与加载螺母相配合的螺纹；摩擦轴承与加载齿轮装配后，被螺栓固定在滑动支撑块上，加载齿轮与柔轮啮合后，摩擦轴承转动时产生的摩擦力矩会传递到加载齿轮，在柔轮上施加切向载荷；随动加载器沿周向方向排布有空气压缩结构，转动时可以吸入空气并从出风口高速喷出，出风口正对摩擦轴承的工作区域，将摩擦轴承工作时产生的热量快速吹散；滑动支撑块的一侧与加载弹簧接触，加载弹簧的一侧与加载螺母接触，拧紧加载螺母压缩加载弹簧，可以对柔轮施加径向载荷；滑动支撑块内部有锁紧装置，可以将滑动支撑块锁紧在导柱上。
所述随动加载器由圆盘主体和端盖组成，在圆盘端面和端盖的端面有沿径向分布的与槽垂直的螺纹孔，二者通过螺栓连接：端盖的中心位置有一圆形凸台，波发生器与柔性轴承的装配体安装在凸台上面；加载装置与波发生器均安装在随动加载器上，随动加载器与法兰通过螺栓连接，所述法兰为两个不同直径的圆环结合的部件，包括高度较小的圆盘配合段和高度较大的圆柱支撑段，法兰的圆盘端面有对称的六个螺纹孔，随动加载器与法兰通过螺栓连接；电机甲驱动法兰转动从而带动随动加载器转动，因此加载装置与波发生器同步转动，是驱动系统1的主体部分；驱动系统2包括电机乙、两个联轴器、扭矩传感器、支撑台、柔轮、柔轮连接杆等，电机的输出轴与扭矩传感器的输入轴通过联轴器连接，扭矩传感器的输出轴与连接杆通过联轴器连接，连接杆是一根阶梯轴，加工有与柔轮相配合的端面，杆上安装有一对对角接触球轴承，与支撑台上的孔配合，连接杆与柔轮通过螺栓连接；驱动系统中对被试柔轮进行驱动的组成部分，被整体放置在一块滑动底板上，是试验装置支撑系统的一部分，滑动底板与滑台配合，可以整体移动这些机构，方便柔轮与柔性轴承装配；柔轮挤压装置是在一个“门”形框架两边设置可移动的卡爪，卡爪上的螺杆转动时能够带动卡爪移动，从径向方向两侧对称的挤压柔轮，从径向方向两侧挤压柔轮，使柔轮变形为与柔性轴承一样的椭圆形，在柔轮与柔性轴承装配好后，可以将该装置拆掉。
使用振动传感器，测量柔轮表面的振动速度信号；温度传感器测量柔轮表面的温度；使用噪声传感器测量试验机运行时发出的噪声，转速传感器测量电机甲、乙的转速，转速传感器测量得到的电机甲、乙转速的比值即为试验机所模拟的减速比，扭矩传感器通过联轴器连接电机和柔轮，测量电机和电机之间的动力差。
本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：改进了径向载荷的施加方式，使作用在柔轮上的径、切向载荷能分别独立调节。本发明能对柔性轴承和柔轮单独进行试验，或对二者共同行试验。本发明模拟柔性轴承与柔轮实际的受载工况，对柔性轴承与柔轮的性能和寿命等进行试验，对改进柔性轴承与柔轮的性能，提高工作寿命和准确预测谐波减速器的使用寿命都具有重要意义。柔性轴承和柔轮均是弹性部件，其寿命分布与普通的刚性部件不同，既受接触疲劳寿命的影响，又受弯曲疲劳寿命的影响，理论计算方法和有限元仿真手段均有限制，不能准确反映柔性轴承和柔轮的性能表现和失效特点。本发明提出的针对二者的试验装置，避免引入刚轮这一零件的干扰，将柔性轴承和柔轮的性能表现单独提取出来，对改进二者的性能大有裨益。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中波发生器、柔性轴承、柔轮和传感器位置示意图。
图3为本发明中不同类型摩擦轴承的结构示意图。
图4为本发明中弹性加载齿轮受力变形前后对比图。
图5为本发明中摩擦轴承与弹性齿轮结合示意图。
图6为本发明中加载装置内部结构示意图。
图7为本发明中加载装置的执行机构示意图。
图8为本发明中的加载装置的锁紧原理图。
图9为本发明中的随动加载器上的空气压缩原理图。
图10为本发明中摩擦轴承与加载带结合示意图。
图11为本发明中加载带的执行机构示意图。
图12为本发明中柔轮挤压装置挤压柔轮原理示意图。
图13为本发明中柔轮挤压装置固定到滑动底板示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参考图1~13，本内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，包括驱动系统(І)、随动加载系统(Ⅱ)、散热系统(Ⅲ)、支撑系统(Ⅳ)以及数据采集和处理系统(Ⅴ)。随动加载系统(Ⅱ)通过螺栓连接的方式固定在驱动系统(І)上，散热系统(Ⅲ)本身是构成随动加载系统(Ⅱ)的一部分。所述驱动系统(І)连接随动加载系统(Ⅱ)及被试验零部件——柔轮(201)和柔性轴承(203)来分别进行驱动。随动加载系统(Ⅱ)利用其中的摩擦轴承(4003、4103)产生的摩擦力矩平衡外加的力矩负荷，通过其中的弹性加载齿轮(4002、4102)在柔轮(201)上施加切向载荷，将其所做的功转化为摩擦热并由散热系统(Ⅲ)产生的风冷耗散掉；所述散热系统(Ⅲ)是随动加载系统(Ⅱ)结构的一部分，满足试验过程中的通风散热问题。支撑系统(Ⅳ)是对驱动系统(І)、随动加载系统(Ⅱ)和数据采集和处理系统(Ⅴ)的支撑，也包括对试验件的支撑；试验时，既能对柔性轴承(203)的性能进行试验，又能对柔轮(201)的性能进行试验，还能对柔性轴承和柔轮的一体集成件的性能进行试验。
实施例二：
参考图1和图13，所述内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其中驱动系统(І)分为对随动加载系统(Ⅱ)进行驱动的主驱动系统(І-1)和对柔轮(201)进行驱动的从驱动系统(І-2)；主驱动系统(І-1)包括法兰(108)、电机甲(109)、随动加载器(30)、波发生器(202)、柔性轴承(203)等，动力源是电机甲(109)，通过键连接法兰(108)再连接随动加载器(30)，对柔性轴承的内圈、随动加载器(30)以及加载装置(400、410)进行驱动；其中随动加载器(30)与法兰(108)通过螺栓连接，随动加载器(30)中心有一圆形凸台(301)，可以将柔性轴承(203)与波发生器(202)装配后的结合体安装在凸台(301)上，加载装置(400、410)与波发生器(202)共同安装在随动加载器(30)上，当随动加载器(30)被电机甲(109)驱动时，柔性轴承的内圈与两个加载装置(400、410)同步转动；所述从驱动系统(І-2)包括对柔轮(201)和柔性轴承的外圈进行驱动的机构，主要由电机乙(101)、两个联轴器(103、105)、扭矩传感器(104)、柔轮连接杆(106)和柔轮(201)组成；动力源是电机乙(101)，依次通过联轴器(103)、扭矩传感器(104)、联轴器(105)、柔轮连接杆(106)和支撑台(107)与柔轮(201)连接；柔轮(201)与柔性轴承的外圈之间紧配合，当柔轮(201)转动时，能带动柔性轴承(203)的外圈转动；电机乙(101)的输出轴与扭矩传感器(104)的输入轴通过联轴器(103)连接，扭矩传感器(104)的输出轴与连接杆(106)通过联轴器(105)连接；电机甲(109)驱动随动加载器(30)转动，随动加载器(30)上的两个加载装置(400、410)跟着一起转动，加载机构上的两个加载齿轮(4002、4102)在跟着随动加载器(30)公转的同时绕着柔轮(201)表面自转；电机乙(101)通过驱动扭矩传感器(104)和连接杆(106)来驱动柔轮(201)转动。柔轮(201)的转速不受随动加载器(30)的影响，二者的转速与转向各自独立。
参考图13，所述支撑系统(Ⅳ)包括底板(110)、滑台(111)、滑动底板(102)和支撑台(107)，滑台(111)通过螺栓固定在底板(110)上，所述滑动底板(102)固定在滑台(111)的支撑板上，电机乙(101)、两个联轴器(103、105)、扭矩传感器(104)、柔轮连接杆(106)和支撑台(107)等都通过螺栓固定在滑动底板(102)上，滑动底板(102)能沿着滑台(111)上的导轨直线移动。
参考图12，支撑系统(Ⅳ)中的柔轮挤压装置(60)被设置安装在滑动底板(102)上，柔轮挤压装置(60)的主体是一个“门”型框架(601)，在与柔轮(201)中心线高度平齐的位置开有螺纹孔，将一端固定有瓦片状卡爪(604、605)的螺杆(602、603)相对的安装在螺纹孔内，同时转动两根螺杆(602、603)使卡爪(604、605)移动，在径向方向两侧对称的挤压柔轮(201)；柔轮(201)的形状为圆形，当柔轮(201)与柔性轴承(203)和波发生器(202)的组合体装配后，形状也变为椭圆形，导致柔轮(201)与柔性轴承(203)的装配或拆卸都比较困难，柔轮(201)与柔性轴承(203)装配前，使用柔轮挤压装置(53)在短轴两侧挤压柔轮(201)，将其变形为椭圆形，方便装配；将柔轮(201)及其驱动装置以整体移动的方式进行装配与拆卸，减少试验机装拆的步骤；柔轮(201)与柔性轴承(203)装配后需要拆卸时，挤压柔轮(201)变形为椭圆形，方便拆卸；柔轮挤压装置(53)设置在滑动底板(102)上，需要时安装，不需要时拆卸。
参考图1和图2，数据采集和处理系统(Ⅴ)包括振动传感器(502)、温度传感器(503)、噪声传感器(504)、转速传感器(505)和扭矩传感器(104)；所述扭矩传感器(104)通过联轴器(103、105)连接电机乙(101)和柔轮(201)，测量柔轮(201)上的切向载荷产生的扭矩；所述振动传感器(502)位于柔轮(201)上方靠近柔性轴承(203)的安装位置，测量柔轮(201)表面的振动速度信号；温度传感器(503)测量柔轮(201)表面的温度；所述噪声传感器(504)测量试验机运行时产生的噪声，转速传感器(505)位于法兰(108)下方，测量电机甲(109)的转速；转速传感器(501)位于联轴器(205)下方，测量电机乙(101)的转速，所述转速传感器(505、501)测量得到的转速的比值即为试验机所模拟的减速比。
实施例三：
参考图1、6和10，所述随动加载系统(Ⅱ)是由一个随动加载器(30)和两个加载装置(400、410)组成，加载装置(400、410)包括加载螺母(4006、4106)、加载弹簧(4005、4105)、滑动支撑块(4004、4104)、摩擦轴承(4003、4103)、弹性加载齿轮(4002、4102)、或加载带(4012、4112)、和螺栓(4001、4101)；所述随动加载系统(Ⅱ)跟随被试柔性轴承的内圈同步转动，能够在柔性轴承(203)的外圈长轴同步施加径、切向联合载荷；所述随动加载器(30)的主体是圆盘形，沿径向方向过随动加载器(30)的圆心，在其二分之一宽度处加工有导柱孔和方形槽，在导柱孔中插入导柱(302)，过圆盘中心有螺纹孔，装入螺栓可以将导柱(302)固定；沿随动加载器(30)的轴向，在随动加载器(30)面向被试柔性轴承(203)和柔轮(201)侧的端面中心，加工有用于安装波发生器(202)的圆形凸台(301)，将波发生器(202)用螺栓安装在圆形凸台(301)上；其中摩擦轴承(4003、4103)与加载齿轮(4002、4102)或加载带(4012、4112)组成施加载荷的组件，通过螺栓(4001、4101)固定在滑动支撑块(4004、4104)上，滑动支撑块(4004、4104)与加载螺母(4006、4106)和加载弹簧(4005、4105)共同装配在导柱(302)上，两套加载装置(400、410)在随动加载器(30)上以圆形凸台为中心对称分布；滑动支撑块(4004、4104)的一侧与加载弹簧(4005、4105)的底端接触，加载弹簧(4005、4105)的顶端与加载螺母(4006、4106)接触，加载螺母(4006、4106)拧在导柱(302)上，通过拧紧加载螺母(4006、4106)，压缩加载弹簧(4005、4105)，使滑动支撑块(4004、4104)在导柱(302)上移动，调节滑动支撑块(4004、4104)与圆形凸台(301)之间的距离，从而实现所加载荷类型和大小的调节；滑动支撑块(4004、4104)的内部有紧定螺钉(40043、41043)，与圆锥形的螺栓(40041、41041)配合组成锁紧机构，由滑动支撑块(4004、4104)中的锁紧机构将其自身锁紧在导柱(302)上。
参考图5和图6，对柔轮施加径向载荷的方式是：加载弹簧(4005,4105)的底端顶在滑动支撑块(4004、4104)上，顶端被导柱(302)上的螺母固定，滑动支撑块(4004、4104)上的加载齿轮(4002、4102)与柔轮(201)在变形长轴两端接触，加载齿轮(4002、4102)与柔轮(201)的相对位置固定后，拧紧加载螺母(4006、4106)，压缩加载弹簧(4005、4105)，加载弹簧(4005、4105)沿径向方向推动滑动支撑块(4004、4104)，滑动支撑块(4004、4104)上的加载齿轮(4002、4102)就会在柔轮(201)的长轴两端施加径向载荷。加载装置(400、410)与导柱(302)配合，可以在导柱(302)上移动，也可以被锁紧在导柱(302)上，滑动支撑块(4004、4104)内部有紧定螺钉(40043、41043)，与锁紧螺栓(40041、41041)配合组成锁紧机构，锁紧螺栓(40041、41041)的下半部分为圆锥形，紧定螺钉(40043、41043)底端为相应的斜面，与锁紧螺栓(40041、41041)的圆锥面配合，当锁紧螺栓(40041、41041)拧紧时，紧定螺钉(40043、41043)被挤压，其顶端被顶在导柱(302)上，加载装置(400、410)被锁紧，能平衡旋转产生的离心力，使作用在柔轮(201)上的径向载荷不发生改变。
参考图3~图6，随动加载系统(II)中的摩擦轴承(4003、4103)是摩擦力矩可调的滚动轴承，具有外圈、内圈、滚动体和保持器；所达弹性加载齿轮简称加载齿轮(4002、4102)是一种有内孔的圆柱直齿轮；所述加载装置(400、410)中的加载机构可以是摩擦轴承(4003、4103)和加载齿轮(4002、4102)的结合件，两套相同的加载机构对应两套相同的结合件，每套结合件包含一套摩擦轴承和一个加载齿轮，摩擦轴承(4003、4103)的外径与加载齿轮(4002、4102)的内径过盈装配在一起，固定螺栓(4001、4101)穿过摩擦轴承(4003、4103)的内孔将结合件固定在滑动支撑块(4004、4104)上，两套结合件回转中心的连线与波发生器(202)的椭圆长轴重合并穿过柔性轴承(203)和柔轮(201)的中心，加载齿轮(4002、4102)的模数与柔轮(201)上齿的模数相同，摩擦轴承(4003、4103)转动时产生的摩擦力矩传递到加载齿轮(4002、4102)上，加载齿轮(4002、4102)与柔轮(201)啮合时，在柔轮(201)轮齿上产生啮合力，对柔轮(201)施加切向载荷，平衡外加的力矩负荷；通过向柔轮(201)的中心靠近以及加载齿轮(4002、4102)的局部弹性变形，向柔轮(201)施加区域径向载荷。
参考图10，所述随动加载系统(Ⅱ)中加载装置(400、410)的加载机构可以是摩擦轴承(4013-5、4113-5)和加载带(4012、4112)的结合件，两套相同的加载机构对应两套相同的结合件，每套结合件包含三套摩擦轴承(4013-5、4103-5)和一根加载带(4012、4112)，三套摩擦轴承均分别采用固定螺栓穿过其内孔的方式固定在等腰三角形支架(4011、4111)的三个顶点上，支架(4011、4111)顶点位于导柱孔中心线上，底边为水平线，加载带(4012、4112)安装在其回转中心支架(4011、4111)两个底角处的两套摩擦轴承的外圆面上，回转中心位于支架(4011、4111)顶角处摩擦轴承的外圆面与加载带(4012、4112)外表面接触，实现对加载带(4012、4112)的压紧，两套相同的结合件以圆形凸台(301)为中心对称安装，顶角位置处安装的两套摩擦轴承的回转中心的连线刚好与波发生器(202)的椭圆长轴重合并穿过柔性轴承(203)和柔轮(201)的中心，加载带(4012、4112)通过向柔轮(201)中心的靠近向柔轮(201)施加切向载荷和区域径向载荷。
参考图3，所述随动加载系统(Ⅱ)中的摩擦力矩可调滚动轴承，是滚动体与内圈滚道接触角小于90度的非标双半内圈带保持器轴承或不带保持器的满装滚动体轴承，包括双半内圈深沟球轴承、双半内圈三点接触球轴承、双半内圈四点接触球轴承、双半内圈双列角接触球轴承，双半内圈双列圆锥滚子轴承，双半内圈双列球面滚子轴承，双半内圈双列桶型滚子轴承。摩擦轴承通过螺栓固定在滑动支撑块上，通过轴承固定螺栓调节两半内圈之间的轴向间隙，改变滚动体与套圈滚道的接触载荷，从而实现对轴承旋转摩擦力矩的调节。
参考图4和图5，所述弹性加载齿轮(4002、4102)是随动加载系统(Ⅱ)中的一个零件，是一种圆柱直齿轮，特殊之处在于其使用的材料为弹性材料，优选用弹性材料例如橡胶、塑料和聚氨酯泡沫塑料。在向柔轮(201)施加径向力时，能发生适应性局部变形；加载齿轮(4002、4102)能承受径、切向联合载荷以及受载后变形小的特点；加载齿轮(4002、4102)与摩擦轴承(4003、4103)装配，被螺栓(4001、4101)固定在滑动支撑块(4004、4104)上；所述加载齿轮(4002、4102)与柔轮(201)在变形长轴两端啮合，形成共轭接触，施加径向载荷后，在啮合区域变形产生包角并对柔轮(201)施加区域载荷；所述加载齿轮(4002，4102)的外侧有齿，可以与柔轮(201)外侧的齿啮合，加载齿轮变形后的周长不变，其轮齿能够承受切向载荷，保证变形区域轮齿的齿距不变，使变形后的加载齿轮与柔轮在长轴两端能顺利啮合。
参考图9，所述散热系统(Ⅲ)主要由三部分组成，包括圆盘主体(304)，端盖(305)和电机甲(109)；过圆盘(304)中心按圆周排列有对称的空气压缩结构(303)，其中进风口为大口，沿圆盘主体的外圆圆周排列，出风口为小口，开在端盖(305)上，出风口正对摩擦轴承(4003、4103)的工作区域，随动加载器(30)高速旋转时会将空气从外圆的大口吸入内部，并通过出风口将空气高速喷出，高速流动的空气会将摩擦轴承(4003、4103)产生的热量带走，起到快速散热的作用。
参考图7和图8，滑动支撑块(4004、4104)在安装加载机构的端面开有螺纹孔，用以安装轴承固定螺栓(4001)；背面开有紧定螺钉安装孔，并在其中放入紧定螺钉(40043、41043)；紧定螺钉(40043、41043)的底部为扇形斜面，顶端为扇形凹面；在与加载机构安装端面相邻的上表面加工有阶梯型的圆孔，圆孔上半部分有螺纹，下半部分光滑，在底端有直径略小的定位通孔；所述锁紧螺栓(40041、41041)为带螺纹的圆锥形柱身的螺栓，上半部分为圆柱形且带有螺纹，下半部分为表面光滑的圆锥体柱身，圆锥柱身小圆顶端有与小圆直径相同的圆柱柱身，锁紧螺栓(40041、41041)安装后，底端圆柱柱身伸入定位孔，锁紧螺栓的圆锥斜面与紧定螺钉的扇形斜面配合，紧定螺钉的顶端顶在导柱上，整套加载装置被锁紧；锁紧螺栓(40041、41041)安装后，再安装防滑螺母(40042、41042)，防止锁紧螺栓(40041、41041)打滑。
实施例四：
参考图9，外加力矩负荷是由两电机甲乙(101、109)相对运转产生的，电机乙(101)驱动柔轮(201)转动，柔轮(201)与加载齿轮(4002、4102)啮合后，驱动摩擦轴承(4003、4103)转动，摩擦轴承(4003、4103)转动时会产生摩擦力矩，作用相当于负载，摩擦力矩与两电机相对转动提供的外加力矩负荷相平衡；负荷所做的功传递到摩擦轴承(4003、4103)并转换成摩擦热，因此摩擦轴承(4003、4103)工作过程会产生大量的热量，试验装置(400、410)设计有快速散热的结构，如图9所示，在随动加载器(30)上设计有沿周向排列中心对称的空气压缩结构(303)，其中大口为进风口，随动加载器的端盖上开有出风口，随动加载器(30)在高速旋转过程中将空气吸入内部，并通过风道出口将空气高速喷出，出口正对摩擦轴承(4003、4103)，高速流动的空气会将摩擦轴承转动产生的热量带走，起到快速散热的作用。
参考图7，当加载装置上的加载机构组合件是摩擦轴承和加载齿轮时，加载齿轮(4002、4102)在柔轮(201)的长轴两端施加载荷，加载齿轮(4002、4102)与柔轮(201)接触的区域产生变形，对柔轮(201)施加有包角的区域载荷；参考图11，当加载装置上的加载机构组合件是摩擦轴承和加载带时，采用多摩擦滚动轮带式张紧加载的方式，将加载带(4012)张紧在摩擦轴承(4013-5)的外圈，加载带(4112)张紧在摩擦轴承(4113-5)的外圈，加载带(4012、4112)在柔轮(201)长轴两端与柔轮(201)外圈接触并形成压力面，施加有包角的区域载荷，模拟柔轮承受区域载荷的工况。

Claims (12)

1.一种内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，包括驱动系统(І)、随动加载系统(Ⅱ)、散热系统(Ⅲ)、支撑系统(Ⅳ)以及数据采集和处理系统(Ⅴ)，其特征在于：所述随动加载系统(Ⅱ)通过螺栓连接的方式固定在驱动系统(І)上，散热系统(Ⅲ)本身是构成随动加载系统(Ⅱ)的一部分，所述驱动系统(І)连接随动加载系统(Ⅱ)及被试验零部件——柔轮(201)和柔性轴承(203)来分别进行驱动；所述随动加载系统(Ⅱ)利用其中的摩擦轴承(4003、4103)产生的摩擦力矩平衡外加的力矩负荷，通过其中的弹性加载齿轮(4002、4102)在柔轮(201)上施加切向载荷，将其所做的功转化为摩擦热并由散热系统(Ⅲ)产生的风冷耗散掉；所述散热系统(Ⅲ)是随动加载系统(Ⅱ)结构的一部分，满足试验过程中的通风散热问题；所述支撑系统(Ⅳ)是对驱动系统(І)、随动加载系统(Ⅱ)以及数据采集和处理系统的支撑，也包括对试验件的支撑；试验时，既能对柔性轴承(203)的性能进行试验，又能对柔轮(201)的性能进行试验，还能对柔性轴承和柔轮的一体集成件的性能进行试验。
2.根据权利要求1所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述驱动系统(І)分为对随动加载系统(Ⅱ)进行驱动的主驱动系统(І-1)和对柔轮(201)进行驱动的从驱动系统(І-2)，对加载系统(Ⅱ)进行驱动的主驱动系统(І-1)是一个电机甲(109)，通过键连接一个法兰(108)，随动加载器(30)与该法兰(108)通过螺栓连接；对柔轮(201)进行驱动的从驱动系统(І-2)是一个电机乙(101)，依次通过联轴器(103)、扭矩传感器(104)、联轴器(105)、柔轮连接杆(106)和支撑台(107)与柔轮(201)连接；电机乙(101)的输出轴与扭矩传感器(104)的输入轴通过联轴器(103)连接，扭矩传感器(104)的输出轴与连接杆(106)通过联轴器(105)连接；电机甲(109)驱动随动加载器(30)转动，随动加载器(30)上的两个加载装置(400、410)跟着一起转动，则加载装置(400、410)上的两个加载齿轮(4002、4102)在跟着随动加载器(30)公转的同时绕着柔轮(201)表面自转；电机乙(101)通过驱动扭矩传感器(104)和连接杆(106)来驱动柔轮(201)转动，柔轮(201)与柔性轴承的外圈之间紧配合，柔轮(201)转动时带动柔性轴承(203)的外圈转动；柔轮(201)的转速不受随动加载器(30)的影响，二者的转速与转向各自独立。
3.根据权利要求1或2所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述随动加载系统(Ⅱ)是由一个随动加载器(30)和两个加载装置(400、410)组成，加载装置(400、410)包括加载螺母(4006、4106)、加载弹簧(4005、4105)、滑动支撑块(4004、4104)、摩擦轴承(4003、4103)、弹性加载齿轮(4002、4102)、或加载带(4012、4112)、和螺栓(4001、4101)；所述随动加载系统(Ⅱ)跟随被试柔性轴承的内圈同步转动，能够在柔性轴承(203)的外圈长轴同步施加径、切向联合载荷；所述随动加载器(30)的主体是圆盘形，沿径向方向过随动加载器(30)的圆心，在其二分之一宽度处加工有导柱孔和方形槽，在导柱孔中插入导柱(302)，过圆盘中心有螺纹孔，装入螺栓可以将导柱(302)固定；沿随动加载器(30)的轴向，在随动加载器(30)面向被试柔性轴承(203)和柔轮(201)侧的端面中心，加工有用于安装波发生器(202)的圆形凸台(301)，将波发生器(202)用螺栓安装在圆形凸台(301)上；其中摩擦轴承(4003、4103)与加载齿轮(4002、4102)或加载带(4012、4112)组成施加载荷的组件，通过螺栓(4001、4101)固定在滑动支撑块(4004、4104)上，滑动支撑块(4004、4104)与加载螺母(4006、4106)和加载弹簧(4005、4105)共同装配在导柱(302)上，两套加载装置(400、410)在随动加载器(30)上以圆形凸台为中心对称分布；滑动支撑块(4004、4104)的一侧与加载弹簧(4005、4105)的底端接触，加载弹簧(4005、4105)的顶端与加载螺母(4006、4106)接触，加载螺母(4006、4106)拧在导柱(302)上，通过拧紧加载螺母(4006、4106)，压缩加载弹簧(4005、4105)，使滑动支撑块(4004、4104)在导柱(302)上移动，调节滑动支撑块(4004、4104)与圆形凸台(301)之间的距离，从而实现所加载荷类型和大小的调节；滑动支撑块(4004、4104)的内部有紧定螺钉(40043、41043)，与圆锥形的螺栓(40041、41041)配合组成锁紧机构，由滑动支撑块(4004、4104)中的锁紧机构将其自身锁紧在导柱(302)上。
4.根据权利要求3所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述随动加载系统(Ⅱ)中的摩擦轴承(4003、4103)是摩擦力矩可调的滚动轴承，具有外圈、内圈、滚动体和保持器；所述弹性加载齿轮(4002、4102)简称加载齿轮，是一种有内孔的圆柱直齿轮；所述加载装置(400、410)中的加载机构是摩擦轴承(4003、4103)和加载齿轮(4002、4102)的结合件，两套相同的加载机构对应两套相同的结合件，每套结合件包含一套摩擦轴承和一个加载齿轮，摩擦轴承(4003、4103)的外径与加载齿轮(4002、4102)的内径过盈装配在一起，固定螺栓(4001、4101)穿过摩擦轴承(4003、4103)的内孔将结合件固定在滑动支撑块(4004、4104)上，两套结合件回转中心的连线与波发生器(202)的椭圆长轴重合并穿过柔性轴承(203)和柔轮(201)的中心，加载齿轮(4002、4102)的模数与柔轮(201)上齿的模数相同，摩擦轴承(4003、4103)转动时产生的摩擦力矩传递到加载齿轮(4002、4102)上，加载齿轮(4002、4102)与柔轮(201)啮合时，在柔轮(201)轮齿上产生啮合力，对柔轮(201)施加切向载荷，平衡外加的力矩负荷；通过向柔轮(201)的中心靠近以及加载齿轮(4002、4102)的局部弹性变形，向柔轮(201)施加区域径向载荷。
5.根据权利要求3或4所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述随动加载系统(Ⅱ)中加载装置(400、410)的加载机构是摩擦轴承(4013-5、4113-5)和加载带(4012、4112)的结合件，两套相同的加载机构对应两套相同的结合件，每套结合件包含三套摩擦轴承(4013-5、4103-5)和一根加载带(4012、4112)，三套摩擦轴承均分别采用固定螺栓穿过其内孔的方式固定在等腰三角形支架(4011、4111)的三个顶点上，支架(4011、4111)顶点位于导柱孔中心线上，底边为水平线，加载带(4012、4112)安装在其回转中心支架(4011、4111)两个底角处的两套摩擦轴承的外圆面上，回转中心位于支架(4011、4111)顶角处摩擦轴承的外圆面与加载带(4012、4112)外表面接触，实现对加载带(4012、4112)的压紧，两套相同的结合件以圆形凸台(301)为中心对称安装，顶角位置处安装的两套摩擦轴承的回转中心的连线刚好与波发生器(202)的椭圆长轴重合并穿过柔性轴承(203)和柔轮(201)的中心，加载带(4012、4112)通过向柔轮(201)中心的靠近向柔轮(201)施加切向载荷和区域径向载荷。
6.根据权利要求3、4或5所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述随动加载系统(Ⅱ)中的摩擦轴承(4003、4103)为摩擦力矩可调的滚动轴承，是滚动体与内圈滚道接触角小于90度的非标双半内圈带保持器轴承或不带保持器的满装滚动体轴承，包括双半内圈深沟球轴承、双半内圈三点接触球轴承、双半内圈四点接触球轴承、双半内圈双列角接触球轴承，双半内圈双列圆锥滚子轴承，双半内圈双列球面滚子轴承，双半内圈双列桶型滚子轴承，摩擦轴承通过螺栓固定在滑动支撑块上，通过轴承固定螺栓调节两半内圈之间的轴向间隙，改变滚动体与套圈滚道的接触载荷，从而实现对轴承旋转摩擦力矩的调节。
7.根据权利要求3或4所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述弹性加载齿轮(4002、4102)是一种圆柱直齿轮，特殊之处在于其使用的材料为弹性材料，在向柔轮(201)施加径向力时，能产生适应性局部变形；加载齿轮(4002、4102)能承受径、切向联合载荷。
8.根据权利要求1和2所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述随动加载系统(Ⅱ)中的随动加载器(30)由两部分组成，一部分是圆盘主体(304)，另一部分是与圆盘直径相同的端盖(305)；过圆盘主体的中心，按圆周排列有对称的空气压缩结构(303)，其中进风口为大口，沿圆盘主体的外圆圆周排列，出风口为小口，开在端盖上，出风口正对摩擦轴承(4003、4103)的工作区域，随动加载器(30)在高速旋转过程中将空气从外圆的大口吸入内部，并通过出风口将空气高速喷出，高速流动的空气会将摩擦轴承(4003、4103)产生的热量带走，起到快速散热的作用。
9.根据权利要求3或4所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述随动加载系统(Ⅱ)中的滑动支撑块(4004、4104)在安装加载机构的端面开有螺纹孔，用以安装轴承固定螺栓(4001)；背面开有紧定螺钉安装孔，并在其中放入紧定螺钉(40043、41043)；紧定螺钉(40043、41043)的底部为扇形斜面，顶端为扇形凹面；在与加载机构安装端面相邻的上表面加工有阶梯型的圆孔，圆孔上半部分有螺纹，下半部分光滑，在底端有直径略小的定位通孔；所述锁紧螺栓(40041、41041)为带螺纹的圆锥形柱身的螺栓，上半部分为圆柱形且带有螺纹，下半部分为表面光滑的圆锥体柱身，圆锥柱身小圆顶端有与小圆直径相同的圆柱柱身，锁紧螺栓(40041、41041)安装后，底端圆柱柱身伸入定位孔，锁紧螺栓的圆锥斜面与紧定螺钉的扇形斜面配合，紧定螺钉的顶端顶在导柱上，整套加载装置被锁紧；锁紧螺栓(40041、41041)安装后，再安装防滑螺母(40042、41042)，防止锁紧螺栓(40041、41041)打滑。
10.根据权利要求1所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述支撑系统(Ⅳ)包括底板(110)、滑台(111)、滑动底板(102)和支撑台(107)，滑台(111)通过螺栓固定在底板(110)上，所述滑动底板(102)固定在滑台(111)的支撑板上，电机乙(101)、两个联轴器(103、105)、扭矩传感器(104)、柔轮连接杆(106)和支撑台(107)都通过螺栓固定在滑动底板(102)上，滑动底板(102)能沿着滑台(111)上的导轨直线移动。
11.根据权利要求1所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是，有一个柔轮挤压装置(60)被设置安装在滑动底板(102)上，柔轮挤压装置(60)的主体是一个“门”型框架(601)，在与柔轮(201)中心线高度平齐的位置开有螺纹孔，将一端固定有瓦片状卡爪(604、605)的螺杆(602、603)相对的安装在螺纹孔内，同时转动两根螺杆(602、603)使卡爪(604、605)移动，在径向方向两侧对称的挤压柔轮(201)，使柔轮(201)变形为与柔性轴承(203)相适应的椭圆形状，方便柔轮(201)与柔性轴承配合，柔轮(201)与柔性轴承(203)装配好后，柔轮挤压装置(60)即可拆卸下来。
12.根据权利要求2所述的内力耗散力矩平衡式谐波传动双柔性构件性能试验装置，其特征是：所述数据采集和处理系统(Ⅴ)包括振动传感器(502)、温度传感器(503)、噪声传感器(504)、转速传感器(505)和扭矩传感器(104)；其中振动传感器(502)测量柔轮(201)表面的振动信号，温度传感器(503)测量柔轮(201)表面的温度，噪声传感器(504)测量试验机运行时产生的噪声，转速传感器(505)测量电机甲(109)的转速，转速传感器(501)测量电机乙(101)的转速；所述电机乙(101)和电机甲(109)具有不同的输出转速和扭矩，两者之间的动力差通过扭矩传感器(104)进行测量。
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