CN110140039A - 齿部测试台 - Google Patents

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CN110140039A
CN110140039A CN201780070542.8A CN201780070542A CN110140039A CN 110140039 A CN110140039 A CN 110140039A CN 201780070542 A CN201780070542 A CN 201780070542A CN 110140039 A CN110140039 A CN 110140039A
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德克·莱曼
约阿希姆·胡格
斯文·亨策
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Cincotec Testing And Engineering Co Ltd
ZF Wind Power Antwerpen NV
Zf Frederick Harfin Co Ltd
ZF Friedrichshafen AG
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Cincotec Testing And Engineering Co Ltd
ZF Wind Power Antwerpen NV
Zf Frederick Harfin Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/027—Test-benches with force-applying means, e.g. loading of drive shafts along several directions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/021—Gearings

Abstract

本发明涉及一种齿部测试台(201、1201)，其具有样品容纳部(209、1211)和第一负载生成器(213、1203、1205)；其中，第一负载生成器(213、1203、1205)具有至少一个头部(215、1207)。样品容纳部(209、1211)构造成容纳从齿轮(101)的齿部分离出的齿样品(203)的至少一个部分(205)；其中，齿样品(203)包括齿轮(101)的齿；并且其中，头部(215、1207)贴靠在齿的齿侧(207)上并且将负载施加到齿侧(207)上。

Description

齿部测试台
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的齿部测试台、根据权利要求23的前序部分的齿样品和根据权利要求24的方法。
背景技术
为测试齿轮的齿部的负载能力，从现有技术中已知所谓的FZG(齿轮和传动机构研究)测试台和脉动测试台。在FZG测试台的情况中，两个齿轮的齿部嵌接且相互卡紧。齿轮通常是较大的齿轮的缩比模型。这导致的风险是所获知的结果无法1：1地变换到较大的齿轮上。此外，在FZG测试台的情况中，卡紧和因此模拟的负载通常是静态的。因此，动态负载的测试是不可能的。
在脉动测试台的情况中，齿轮的齿部的两个齿在两个冲模之间被卡紧。通过冲模可以施加动态负载。由于齿轮内的变形，导致不能精确地限定冲模在齿上的靠置面。此外，模拟各个齿的在渐开线齿接期间出现的滚转运动是不可能的。通常，以常规的脉动测试台也仅能有限地进行斜齿型齿轮的测试。通过冲模引入到齿轮中的力的方向与齿轮的转动轴线正交地延伸。
发明内容
本发明的任务是测试齿轮的齿部的负载特性，克服从现有技术中已知的解决方案的固有缺点。特别地，应当改进测试结果的可靠性。
此任务通过根据权利要求1的齿部测试台、根据权利要求23的齿样品和根据权利要求24的方法解决。优选的改进方案包括在从属权利要求中。
齿部测试台意味着用于测试齿轮的齿部的设施。
根据本发明的齿部测试台包括样品容纳部(即，用于容纳样品或样件的机构)和第一负载生成器(即，用于施加负载，特别是机械负载的机构)。第一负载生成器具有用于将负载传递到样品上的至少一个头部。
样品是齿样品。齿样品包括从齿轮或从齿轮的齿部分离出的齿，优选地包括恰好一个这样的齿。特别地，齿可通过标准DIN 8580的第三主组的方法从齿轮分离出。
齿轮优选地是内制齿或外制齿的圆柱齿轮。齿轮的齿部可以例如实施为直齿部，但也可以实施为斜齿部。
样品容纳部根据本发明构造成容纳所描述的样品，即，适合于紧固所描述的样品。通过能够将负载施加到齿的齿侧上来实现紧固。
第一负载生成器的贴靠在齿的齿侧上的头部用于施加负载。通过头部在齿侧上的相应的靠置面，将负载引入到齿侧内。
负载是在靠置面内表现为压力的力。力可以随时间是恒定的和/或变化的。
本发明无需制造缩小的模型就能实现直接检测实际齿轮的齿部。因为仅检测单个齿，所以不要求将齿轮整个夹紧到测试台内。
特别是在诸如风力发电齿轮箱那样的大型齿轮箱的情况中，这是具有优点的。相应于实际的加载情况，也可以模拟随时间变化的负载。
如果两个齿轮的齿部相互咬合，则各个分别处于嵌接的齿相对彼此滚动或滑动。为了模拟此情况，包括齿的齿样品和头部优选能相对彼此运动。在优选的改进方案中，相应地设置有至少一个促动器，以使第一负载生成器的头部和齿样品相对彼此运动。
促动器被理解为如下的能量转换器，其将例如电能的第一能量形式转换为在此为动能的第二能量形式。
在另一个优选改进方案中，咬合的齿部的重复的齿嵌接通过头部和齿样品相对彼此的振荡运动来模仿。振荡运动的特征在于运动方向的多次重复的反向。术语振荡运动与振动同义。根据改进方案，因此促动器激励头部和齿样品，使它们相对于彼此振动。
相互咬合的齿部的齿嵌接沿着各自的处于嵌接的齿的接触面来进行。本发明的相应的优选改进方案设置的是，头部和齿样品的相对彼此的运动沿着两侧的接触面或平行于两侧的接触面地进行。此运动的方向与该接触面的面法线正交。
在另外的优选的改进方案中，通过头部对齿侧的加载至少部分地在上述面法线的方向上进行。因此，根据改进方案，相应的力的不等于零的方向矢量在此方向上作用。
为了施加前述负载，在一个优选的改进方案中，第一负载生成器的头部抵靠齿侧地卡紧。为此，在另一优选的改进方案中设置有弹簧元件，该弹簧元件抵靠头部地卡紧。详细而言，弹簧元件卡紧在头部和固定的机构之间。固定的机构是第一负载生成器的部件，该部件例如可以紧固在上述的位置固定的结构内。
第一负载生成器的头部和齿样品的可相对运动性能够通过能运动的头部和/或能运动的齿样品实现。因此，在优选的改进方案中，头部是能运动的而齿样品是位置固定地或不动地紧固在样品容纳部内，即不存在相对运动的可能性。这意味着样品容纳部也是位置固定地或不动地被紧固。前述促动器在此作用在第一负载生成器的头部上。优选地，头部的运动沿着或平行于头部与齿侧的接触面地进行。
在替代的优选改进方案中，头部和负载生成器的可相对运动性通过能运动的(优选地能平移运动的)齿样品来实现。在此情况中，前述促动器作用到齿样品上。
为了在齿样品运动期间将头部持久地贴靠在齿侧上从而通过头部持久地维持对齿侧的加载，在另一优选的改进方案中，头部也是能运动的，优选地是能平移运动的。这实现了使头部跟随齿侧的运动。特别地，头部的运动方向与头部和齿侧之间的接触面的面法线反向平行。由此，实现了关于如下情况的前提条件，即，在头部的可运动性的方向上以经由头部施加到齿上的力对齿的齿侧进行加载。
齿样品和头部的运动相对于位置固定的结构进行，例如相对于齿部测试台的壳体进行。优选地，齿样品和/或头部例如以位置固定的结构来紧固，使得仅能够在所提到方向上运动。
齿样品优选对称地夹紧在齿部测试台内。这意味着，齿相对于其平面对称的平面和齿样品的运动方向相互平行地取向。相对于从中分离出齿样品的齿轮，齿样品的运动的可运动性的方向优选地径向延伸，即，与齿轮的转动轴线或者说中心轴线正交地延伸。这相应于齿样品的中心轴线。
在另一优选的改进方案中，头部是旋转对称的。特别地，头部可以构造为柱状的滚轮。在此，在头部和齿的齿侧之间出现线形的接触。相应地，头部将线负载施加到齿的齿侧上。
特别地优选的是头部的以能转动的方式支承的改进方案。这实现了头部能在齿的齿侧上的滚转运动。头部的滚转运动相应于在渐开线齿部情况中出现的滚动的齿嵌接。
以能转动的方式支承的头部的转动轴线能相对于齿侧的至少一个齿侧线交错。这就表明，转动轴线与齿侧线彼此间偏斜地延伸。转动轴线相对于齿侧线的交错优选地促使转动轴线从平行于齿侧线的走向开始围绕头部与齿的齿侧的碰触面的面法线扭转。由此，由于齿样品在第一方向上的运动和/或头部在第二方向上的运动，头部不仅在齿的齿侧上滚转而且还经历与滚转方向正交的滑动运动。以此，通过所谓的“特定滑动”能够模拟对齿侧的加载。
为了模拟多轴线的加载状态，在一个优选的改进方案中，第一负载生成器具有至少两个上面所描述的类型的头部，这些头部贴靠在齿的相同的齿侧上并且分别将负载施加到齿侧上。两个头部在空间上相互分开且齿的齿侧碰触在空间上相互分开的碰触面。由头部施加到齿的齿侧上的负载因此在空间上相互分开。
两个头部的使用可以实现有针对性地以其中一个头部引起齿的弯曲应力，而另一个(靠近齿根的)头部通过压应力引起弱化齿的齿侧的表面。基于此，可以确定齿的相对于挤压和弯曲的疲劳强度。两个因素皆称为失效原因。
至少两个头部均能在与各自的头部和齿的齿侧的接触面的面法线反向平行地延伸的方向上运动。优选地，其中每个头部还抵靠齿侧地卡紧。为此可以设置有弹簧元件，这些弹簧元件分别卡紧在头部和固定的结构之间。替代地，头部能分别借助促动器来加载或置于振荡运动中。优选地，此外头部旋转对称地构造或构造为滚轮且以能转动的方式支承。为了模拟特定滑动，两个头部的转动轴线可以分别相对于齿的齿侧的至少一个齿侧线交错。
作为第二头部的替代，齿部测试台可以具有第二负载生成器。第二负载生成器与第一负载生成器一起对齿进行加载并引起弯矩。
在一个优选的改进方案中，弯矩是脉动的，即弯矩可以被描述为周期的或非周期的、衰减或不衰减的、线性或非线性的振动函数。
在另一优选的改进方案中，弯矩或弯矩的向量与齿侧的面法线正交地定向。面法线优选延伸穿过头部与齿侧的接触面。
在一个优选的改进方案中，弯矩也可以相对于前述齿轮轴向延伸。
在另一优选的改进方案中，脉动的弯矩发生过零。过零与符号变换同义。在过零时，弯矩改变其方向。
齿样品根据本发明包括齿轮的齿，优选恰好一个齿，且包括用于紧固在以上所述的齿部测试台的样品容纳部内的柄。柄可以例如至少部分长方体形或柱体形地设计。齿样品已从齿轮中分离出。这意味着齿样品之前是齿轮的组成部分。
根据本发明的用于测试齿轮的齿部的方法包括如下方法步骤：
-从齿轮分离出齿；和
-通过上面所描述的类型的齿部测试台对齿进行测试。
可以例如通过锯开或碎开来实现分离出齿。锯开在标准DIN 8589中限定。标准DIN8588限定了碎开。
测试的方法步骤包括将齿夹紧到齿部测试台内的子步骤和通过齿部测试台对齿进行加载的子步骤。将齿夹紧到齿部测试台内，在齿部测试台内将齿紧固在样品容纳部中。对齿的加载被设计成通过齿部测试台的一个头部或多个头部将负载施加到齿的齿侧上。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中图示。一致的附图标号在此指示了相同的或功能相同的特征。在各图中：
图1示出了从现有技术中已知的脉动测试台；
图2示出了具有负载生成器的齿部测试台；
图3示出了被夹紧的齿样品的部分视图；
图4示出了借由负载生成器测试齿样品；
图5示出了特定滑动；
图6a和图6b示出了特定滑动时的力；
图7示出了检测周期；
图8示出了双头式的齿部测试台；
图9示出了双头式的齿部测试台中的特定滑动；
图10示出了具有外齿部的齿轮；
图11示出了具有内齿部的齿轮；
图12示出了具有两个负载生成器的齿部测试台。
具体实施方式
在图1中示出的齿轮101夹紧在常规的用于模拟动态加载情况的脉动测试台的两个冲模103之间。冲模103嵌入到齿轮101的齿部内并施加负载。
常规的脉动测试台具有一系列缺点，在图2中示出的齿部测试台201可以避免这些缺点。在齿部测试台201内将待测试的齿样品203夹紧。齿样品203的特征在于，其不是为测试目的制造的模型，而是取自可供使用的齿轮。
齿样品203包括柄205和两个齿侧207。齿样品203以柄205夹紧在样品容纳部209内。样品容纳部209引导齿样品203沿着竖直方向运动。
柄205具有向上打开的盲孔，该盲孔具有内螺纹211。通过内螺纹211可以将齿样品203连接到图2中未示出的促动器内，该促动器使齿样品203上下运动。
齿部测试台201具有负载生成器213，用以模拟作用到齿侧207上的负载。负载生成器213的以能转动的方式支承的滚轮215与齿侧207接触。通过弹簧213将滚轮215预紧。弹簧213的力F沿水平方向作用到滚轮215上且将滚轮215压向齿侧207。
壳体219将齿部测试台的部件封装。在壳体219内固定有负载生成器213。此外，壳体219形成样品容纳部209。油槽221处于壳体219的内部中，齿样品203的齿侧207和负载生成器213的滚轮215沉入到该油槽内。通过油槽221可以模拟在实际的齿轮箱内存在油润滑。
齿样品203的仰视图在图3中示出。在此可见，齿样品203是斜齿部的截段。为了测试目的作用到齿样品203的齿侧207上的力F必须相应地倾斜地取向。这通过如在图4中示出的那样的负载生成器213的相应的倾斜取向来实现。
根据图4，主轴线401与齿样品203的齿侧207正交地延伸，滚轮215能沿该主轴线401移动且能在该主轴线的方向上施加相应的力。齿侧207又与齿部测试台201的主轴线403反向平行地延伸。主轴线403平行于从中分离出齿样品203的齿轮101的转动轴线取向。特别地，因此负载生成器213的主轴线401与齿部测试台203的主轴线403彼此间不正交。
在图5中示出的透视图的方向相应于由负载生成器213施加的力F的方向。从此透视图中可见，负载生成器213的滚轮215的转动轴线501相对于嵌接线503交错。嵌接线503表示滚轮215对齿样品203的齿侧207加载的区域。特别地，沿着嵌接线50存在滚轮215和齿侧207之间的接触。由于交错，滚轮215的转动轴线501和嵌接线503反向平行。这促成滚轮215的所谓的“特定滑动”。滚轮215在此在齿侧207的表面上不仅滚动运动而且也滑动运动。由此，可以精确地模拟实际存在的负载关系。
合成的力关系在图6a和图6b中示出。由负载生成器213施加到齿侧207上的力F的第一分量作为垂直于齿侧207的法向力Fn作用于该齿侧中。力F的第二分量垂直于Fn。
图7示出了通过滚轮215施加到齿样品203的齿侧207上的力F的随时间变化的曲线。此外，示出了在息止状态中通过弹簧217施加的测试负载701。通过齿样品203的上下运动，力F描述为在测试负载701周围波动的周期曲线。
图8示出了具有两个滚轮215的齿部测试台201的变体。两个滚轮215贴靠在齿样品203的齿侧207上并通过弹簧217对这两个滚轮加载。以此方式可以实现对于实际存在的负载关系的逼真的模拟。
如在图9中示出的那样，类似于图5，在双滚轮实施方案中，滚轮215也相对于它们的嵌接线交错，以便模拟特定滑动。
从中分离出齿样品203的齿轮101可以是内制齿或外制齿的齿轮101。
图10示出了外制齿的齿轮101。沿第一切割面1001和第二切割面1003从齿轮101分离出齿样品203。第一切割面1001和第二切割面1003相互平行地延伸。
图11类似地示出了内制齿的齿轮101。沿第一切割面1001和第二切割面1003从齿轮101分离出齿样品203。在此，第一切割面1001和第二切割面1003也相互平行地延伸。
在图12中示出的齿部测试台1201除了具有第一负载生成器1203外还具有第二负载生成器1205。第一负载生成器1203通过滚轮1207将负载施加到齿样品203的齿侧207上。此负载通过弹簧1209施加。
齿样品203位置固定地紧固在也位置固定的样品容纳部1211内。作为样品容纳部1211的替代，第一负载生成器1203在此是能运动的。因此，第一负载生成器1203正交于通过滚轮1207施加到齿样品203的齿侧207上的力地摆动。滚轮1207因此在齿侧207上滚转。在此，由弹簧1209施加的力持久地作用到滚轮1207上。
第一负载生成器1203通过在图12中未示出的促动器摆动，该促动器通过第一连杆1213与第一负载生成器1203连接。
第二负载生成器1205作用在齿样品203的头部上且施加脉动的拉力。为此，第二负载生成器1205能直线运动地悬置。第二负载生成器1205通过第二连杆1215与在图12中未示出的另外的促动器连接。
由第二负载生成器1205施加的拉力在齿样品203中表现为脉动的弯矩。弯矩的矢量正交于图12的图平面地定向。此弯矩相应于齿样品203的结构负载。与通过滚轮1207施加的、在表面上作用的负载一起地，因此可以逼真地模拟在实际的齿嵌接中作用的加载情况。
附图标记列表
101 齿轮
103 冲模
201 齿部测试台
203 齿样品
205 柄
207 齿侧
209 样品容纳部
211 内螺纹
213 负载生成器
215 滚轮
217 弹簧
219 壳体
221 油槽
401 负载生成器的主轴线
701 测试负载
1001 第一切割面
1003 第二切割面
1201 齿部测试台
1203 第一负载生成器
1205 第二负载生成器
1207 滚轮
1209 弹簧
1211 样品容纳部
1213 第一连杆
1215 第二连杆

Claims (24)

1.一种齿部测试台(201、1201)，其具有样品容纳部(209、1211)和第一负载生成器(213、1203、1205)；其中，
所述第一负载生成器(213、1203、1205)具有至少一个头部(215、1207)；其特征在于，
所述样品容纳部(209、1211)构造成容纳从齿轮(101)的齿部分离出的齿样品(203)的至少一个部分(205)；其中，
所述齿样品(203)包括所述齿轮(101)的齿；并且其中，
所述头部(215、1207)贴靠在所述齿的齿侧(207)上并且将负载施加到所述齿侧(207)上。
2.根据权利要求1所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于具有至少一个促动器；其中
所述促动器构造为使得所述头部(215、1207)和所述齿样品(203)相对彼此运动。
3.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述促动器促成所述头部(215、1207)和所述齿样品(203)相对彼此的振荡运动。
4.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)和所述齿样品(203)相对彼此的运动沿着所述头部(215、1207)与所述齿侧(207)的接触面进行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)至少部分地在所述头部(215、1207)与所述齿侧(207)的接触面的面法线的方向上加载所述齿侧(207)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)抵靠所述齿侧(207)地卡紧。
7.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述第一负载生成器(213、1203)具有至少一个弹簧元件(217、1209)；其中，
所述弹簧元件(217、1209)抵靠所述头部(215、1207)地卡紧。
8.根据前述权利要求中任一项所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述齿样品(203)是位置固定地紧固的；其中，
所述头部(1207)是能运动的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的齿部测试台(201)；其特征在于，
所述齿样品(203)是能平移运动的。
10.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(201)；其特征在于，
所述头部(215)是能运动的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)是旋转对称的。
12.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)构造成柱状的滚轮。
13.根据前述权利要求中任一项所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)以能转动的方式支承。
14.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(201、1201)；其特征在于，
所述头部(215、1207)的转动轴线相对于齿侧的至少一个齿侧线交错。
15.根据权利要求9或根据权利要求10至14中任一项且引用权利要求9的情况下所述的齿部测试台(201)；其特征在于，
所述第一负载生成器(213)具有至少两个头部(215)；其中，
所述头部(215)贴靠在所述齿侧(207)上并且分别将负载施加到所述齿侧(207)上。
16.根据权利要求8或根据权利要求10至14中任一项且引用权利要求8的情况下所述的齿部测试台(1201)；其特征在于
具有第二负载生成器(1205)；其中，
所述第二负载生成器(1205)以弯矩对齿进行加载。
17.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述弯矩是脉动的。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述弯矩与所述齿侧(207)的面法线正交地定向。
19.根据前一项权利要求所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述面法线延伸穿过所述头部(1207)与所述齿侧(207)的接触面。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述弯矩相对于所述齿轮轴向延伸。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述第二负载生成器(1205)将力导入到所述齿的齿顶中。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的齿部测试台(1201)；其特征在于，
所述弯矩发生至少一次过零。
23.一种齿样品(203)；其特征在于，
所述齿样品(203)包括齿轮(101)的齿；其中
所述齿样品(203)已从所述齿轮(101)分离出；其中
所述齿样品(203)具有所述齿轮(101)的齿和用于容纳在根据前述权利要求中任一项所述的齿部测试台(201、1201)中的柄(205)。
24.一种用于测试齿轮的齿部的方法，所述方法具有如下步骤：
-从齿轮(101)分离出根据前一项权利要求所述的齿样品(203)；
-通过根据权利要求1至22中任一项所述的齿部测试台来对齿进行测试。
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