CN110426529A - 一种齿轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种齿轮，属于智能设备领域，该齿轮包括齿轮和转速检测装置，所述齿轮端面上设有凹槽，转速检测装置镶嵌于凹槽中。所述转速检测装置包括正方体外壳、第一物理信号采集模块、第二物理信号采集模块、第三物理信号采集模块、钢针、蓝牙模块和钢珠；所述第一物理信号采集模块通过钢针固定于正方体外壳上表面内侧，第二物理信号采集模块、第三物理信号采集模块通过钢针固定于平行于齿轮法向量的正方体外壳内侧面；所述钢珠嵌于正方体外壳内，正方体外壳外表面开有小孔，蓝牙模块固定于小孔内。所述钢珠嵌于正方体外壳内。该齿轮结构简单且适用于对稳定性要求高，瞬态响应能力好，适用于不可直接检测的工况齿轮的转速监测。
Description
技术领域
本发明属于智能设备领域，具体地涉及一种齿轮。
背景技术
齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，齿轮在传动中的应用很早就出现了。它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。现有的转速检测装置通常需要转动较长时间才能相应检测得到其转速，检测效率较低，且转速检测的准确性较低。
比如脉冲光源测速装置来检测光电式转速表的方式可以将频率信号源做到准确度达到10-6甚至更高，但是，脉冲光源光强过大，有可能造成检测人员无法及时发现转速表接收信号的能力或转速表本身光源存在的问题；其次，脉冲光源信号的跳变过于理想，不能代表定向反射纸真实的反射信号，与光电式转速表实际测量时的工作装态差异较大。脉冲光源用于光电式转速表检测尚存在如上弊病，所以不能应用于其它类型转速表的检测。
随着技术的发展和应用需求的进一步提高，对转速传感器精度及准确性的要求越来越高，原本采用检测的方式已经无法满足高精度转速传感器的生产需求，因而需要有一检测精度高、检测效率高以及误操作率低的转速传感器检测装置。
发明内容
本发明针对目前交流异步电机常用的齿轮速度传感器反应速度慢，工作不稳定以及光电式传感器的弊端，提出了一种齿轮，包括齿轮和转速检测装置，所述齿轮端面上设有凹槽，转速检测装置镶嵌于凹槽中。所述转速检测装置包括正方体外壳、第一物理信号采集模块、第二物理信号采集模块、第三物理信号采集模块、钢针、蓝牙模块和钢珠；所述第一物理信号采集模块通过钢针固定于正方体外壳上表面内侧，第二物理信号采集模块、第三物理信号采集模块通过钢针固定于平行于齿轮法向量的正方体外壳内侧面；所述钢珠嵌于正方体外壳内，正方体外壳外表面开有小孔，蓝牙模块固定于小孔内。
所述物理信号采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微结构为正四棱台微阵列，所述正四棱台的上底面边长和下底面边长的比值k与阵列高度h满足：
其中，为第一变量，具体为 为第二变量，具体为 为第三变量，具体为cij、eij和kij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数；a2为正四棱台底面边长；F表示为压力，t为时间，R为电压表内阻，V为压电层的输出电压。
进一步地，所述正四棱台微阵列优选为金字塔形微阵列。
进一步地，所述正四棱台微阵列高度优选为h＝40μm。
进一步地，所述压电层通过以下方法制备：
(1)将1g BTO纳米颗粒浸泡于10mLH2O2，在90℃条件下浸泡6h使BTO纳米颗粒表面改性，得到h-BTO粉末，取出烘干。
(2)取步骤(1)制备得到的h-BTO粉末0.025g，溶解于10mL的DMF中，同时取0.225gP(VDF-TrFE)粉末溶解于另一份10mL的DMF中，随后将两份DMF溶液混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合溶液旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm*1cm恒温干燥至固化成膜，再在120℃下退火处理2h随后降温，冷却到室温后，将复合薄膜从硅模板上剥离。
(4)在步骤(3)得到的复合薄膜的两个表面分别镀上100nm厚度的金电极，分别连接一根引线，并在具有微阵列表面的金电极上滴涂10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液，并干燥，在石墨烯表面连接一根引线，制备得到具有正四棱台微阵列的压电薄膜。
进一步地，所述压阻层通过以下方法制备：
(1)将PDMS与固化剂按照质量比10:1混合均匀，真空除气泡；
(2)将除去气泡的PDMS旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm*1cm恒温干燥至固化成膜，并从硅模板上剥离；
(3)将10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液滴涂至具有微阵列的PDMS表面，并烘干，并在石墨烯表面引出一根引线，得到具有正四棱台微阵列的压阻层。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明的齿轮采用的物理信号采集模块为双模式传感器，用于检测齿轮转速及转速的瞬时变化所引起的电位信号的变化。并且可以根据传感信号进一步推算齿轮传动状态，进而进行运动分析及故障分析。该物理信号采集模块具有非常高的灵敏性和稳定性，既能够进行快速而准确的动态信号的检测；又可根据稳态电流值进行静态力的检测，精确计算受力状态及形变状态。采用钢珠进行物理量的转化，球形可以保证各个方向的一致性，从而减小系统误差。通过双模式传感器，综合分析，保证数据多样性。蓝牙传输，避免杂线缠绕的情况。通过实时监测齿轮工作状况来分析齿轮是否正常工作，本发明能够从传动的根源分析齿轮工况，可以最直观、最准确的反映出齿轮工作状况。基于上述特点，该齿轮结构简单且适用于对稳定性要求高，瞬态响应能力好，适用于不可直接检测的工况齿轮的转速监测。
附图说明
图1为本发明齿轮的结构示意图；
图2为转速检测装置结构示意图；
图3为压电/压阻双模式传感器的结构示意图；
图4为受力过程及加载速率检测表
图5压强实际加载过程与测试结果数据；
图6为本发明工作时信号传递流程框图；
图7为齿轮在变速箱工作的示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，为本发明的齿轮结构示意图，包括齿轮转速检测装置，所述齿轮端面上设有凹槽，转速检测装置镶嵌于凹槽中。所述转速检测装置包括正方体外壳1、第一物理信号采集模块4、第二物理信号采集模块2、第三物理信号采集模块6、钢针3、蓝牙模块5和钢珠7；所述第一物理信号采集模块4通过钢针3固定于正方体外壳1上表面内侧，第二物理信号采集模块2、第三物理信号采集模块6通过钢针3固定于平行于齿轮法向量的正方体外壳1内侧面；所述钢珠7嵌于正方体外壳1内，正方体外壳1外表面开有小孔，蓝牙模块5固定于小孔内。
所述第一、第二、第三物理信号采集模块均为压电/压阻双模式柔性传感器，如图3为压电/压阻双模式传感器的结构示意图，所述传感器包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层是由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微阵列结构为正四棱台微阵列，根据压电效应的本构方程：
其中cij、eij和kij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数，σij为应力，εij为应变，D为电位移，E为电场强度。
当压电薄膜受到法向力作用时，σ11和σ22都等于0，上式(2)和(3)联立，表示为：
消去ε11，ε22和ε33得：
其中：D3为法相电位移，
又根据电场和电势之间的关系：
进一步得到压电薄膜的法相电位移为：
V为压电薄膜的输出电压，l为P(VDF-TrFE)膜的厚度。
根据麦克斯韦方程和欧姆定律，电流I的大小与电位移D3、电压V和电阻R有关，根据它们之间的关系：
其中，t为时间，A为压电薄膜受力面积。将电流I和电位移D3的消除后得到：
又
根据初始条件V(t＝0)＝0，输出电压V为：
式中：
为了进一步提高压电薄膜的压电效应，在平面薄膜表面引入正四棱台微阵列结构，相对于平面薄膜结构，如图1所示，四棱台结构在垂直方向上的截面积是不同的，压电薄膜受到的法向应力σ33在垂直方向上是相等的，而四棱台在垂直截面上的应力σ33是不同的。
设四棱台上表面的边长为a1，底部边长为高度为h。则四棱台的平均应力可表示为：
式中，定义几何参数k＝a2/a1。当k＝1时，正四棱台的上顶面的面积等于下底面的面积，可以看作为平面薄膜的一个微单元。从式(17)中可以看出当四棱台的高度h和底部边长a2不变时，上顶面边长a1越小，平均应力σ'33越大。为了得到正四棱台上下端面之间的输出电压值，将平均应力σ'33带入
从而得出：
从公式(1)中可以看到压电传感器的输出电压与正四棱台微结构与几何参数k和高度h成正比。所以为了提高压电传感层的传感性能，应该尽可能减小微结构上顶面的面积与增大微结构的高度。因此，当正四棱台为金字塔结构时，压电层传感性能达到最优。当金字塔微结构的底边变长为60μm时，目前的微结构加工技术可制备的最大高度为40μm。
所述物理信号采集模块是通过以下方法制得：
制备压电层：
(1)将1gBTO纳米颗粒添加到H2O2(35％，10mL)溶液中，超声1h，使BTO纳米颗粒充分分散在H2O2溶液中，然后在100℃下保持8h，最后离心并置于70℃的烘箱中干燥。
(2)取(1)中制备的h-BTO纳米颗粒25mg超声分散在10mlN，N-二甲基甲酰胺(DMF)中1h。
(3)将225mgPVDF-TrFE粉末溶解在10mlDMF中，然后将两份溶液混合，机械搅拌4h。
(4)将h-BTO/P(VDF-TrFE)溶液旋涂在硅模板上，硅模板尺寸为1cm*1cm，设定工作转速为1000r/min。整个过程分为三个阶段，其中第一阶段为启动阶段，使吸盘稳定加速到工作转速。当转速到达时，缓慢向硅模版上滴加溶液，保持转速30s，使溶液在硅模板上均匀覆盖。第三阶段降速归零，涂覆过程结束。
(5)取出覆盖着溶液的硅模板，放入真空干燥箱在恒温80℃干燥1h左右，固化成膜后，再在120℃下退火处理2h，以提高压电薄膜的结晶度。冷却到室温后，将薄膜从硅模板上剥离，这样在压电薄膜的一面上制备了金字塔微结构阵列。
(6)采用电子束蒸发技术在薄膜上、下表面制备金电极，用银胶在上、下电极两端各连接两条铜导线。将rGO旋涂到压电层的金字塔微结构上作为压阻层的上电极。
制备压阻层：
(1)首先把带有微结构的硅模板表面进行疏水处理，硅模板尺寸为1cm*1cm
，将PDMS与固化剂按照10:1的质量分数比混合均匀，并抽真空除去气泡。
(2)接着将PDMS旋涂(1000rpm/min)到疏水处理后的表面，加热固化，待PDMS固化成膜后，在去离子水中将PDMS从硅模板表面剥离，得到具有金字塔微结构的PDMS表面。
(3)常温干燥后对具有金字塔微结构的PDMS表面进行等离子处理，增强PDMS的亲水性，使溶液中的石墨烯片能在微结构表面均匀分布。
(4)在带有金字塔微结构的PDMS表面旋涂rGO溶液(0.75mg/mL)，加热干燥后再反复10次旋涂rGO溶液(500rpm/min)。最后用银胶在rGO层上连接铜导线。
(5)最后进行封装。封装材料使用的是购于美国公司达康宁的PDMS，PDMS和固化剂的比例为10:1，在器件的封装过程中，先将PDMS旋涂在玻璃培养皿中，放置烘箱中，烘箱温度为80℃，放置5min，待到PDMS处于半固化状态，从烘箱去除，然后将压电层贴附在半固化的PDMS薄膜上；用同样的方法将压阻层贴附在另一片半固化的PDMS薄膜上。
当齿轮开始转动时，由于初始的惯性作用，钢珠撞击到第一物理信号采集模块，当齿轮的转动方向不同时，钢球撞击不同侧的物理信号采集模块(第二或第三物理信号采集模块)，通过检测物理信号采集模块的压电层的脉冲信号的正负判断出齿轮的转动方向。当齿轮开始加速时，由于离心力的作用钢球将挤压位于钢球第一物理信号采集模块，第一物理信号采集模块受到的压力随加速度增加而增大，压阻层输出的电流值也会增加。齿轮匀速转动时，所有物理信号采集模块受力保持不变，排除干扰后，压阻信号保持稳定。齿轮加速时，钢珠加速，第三物理信号采集模块受力增大，压阻信号增大。齿轮减速时，钢珠经过一定延迟后也减速，第三物理信号采集模块受力减小，压阻信号减小，经过短时延迟，第二物理信号采集模块受力增大，压阻信号增大。钢珠将机械运动时转速信号转换为压力，作用于物理信号采集模块。
说明：若齿轮工作平面为水平面，则钢球重力无影响。若钢球工作在其他平面，可通过积分计算其位置后确定重力方向(钢球位置与正方体外壳相对固定)，从而进行重力干扰排除，实现优化。
根据牛顿第二定律和离心力公式，将受力信号转化为加速度和转速信号。该齿轮中的物理信号采集模块使压电传感机理与压阻传感机理相互协作，完成单一模式传感器无法实现的功能，既能够检测出静态力变化，又能反馈高频信号刺激，在检测物体的受力或者变形过程中，得到更多的信息。
在压强加载过程中，双模式传感器同时输出压电信号和压阻信号，图4为压电信号和压阻信号的波形图。根据压电信号和压阻信号可以推断出压强加载过程中的压强大小、压强方向和压强加载和卸载速率等信息。
首先，根据压电信号的正、负和电流值的变化可以判断出压强的方向，当压电脉冲为正值，电流信号升高时，说明传感器的上方受到压强的作用。接着根据压电峰值的大小可以检测出压强的加载速率，当压电脉冲的峰值为0.22V时，根据传感器输出电压与加载速率之间的关系Vout＝(r-0.1)×0.23，计算出压强的加载速率r＝1.05kPa/s。此时压强实际的加载速率为1kPa/s，测试数据与实际数据的误差仅为5％。同时，从压阻信号中可以检测出压强的大小，当压阻信号ΔI/I0＝29.6时，根据压阻层相对电流变化与压强大小的关系式：ΔI/I0＝(P-0.015)×14.5，通过计算得到压强的大小为2.06kPa，此时实际压强的大小为2kPa，传感器误差仅为3％。可见压阻层能精确的检测出压强的大小。此外当电压信号为负值，电流值下降时，说明压强处于卸载过程；而电压信号为负值，电流值升高时，说明压强处于反向加载过程。
因此，结合双模式传感器压电信号和压阻信号可以重现物体的受力过程，如图5所示，虚线为通过压电信号和压阻信号得到的测试结果，实线为压强实际加载过程。可以看到，根据测试结果绘制的压强加载过程与实际加载过程非常接近，说明本发明的物理信号采集模块具有良好的传感精度，能完整的重现物体的受力过程。
如图6所示，为本发明工作时信号传递流程框图，(1)齿轮在传动过程中，带动钢珠运动，触碰到物理信号采集模块，使之产生微小形变，由于物理信号采集模块力电转化特性，将受力信号转化成电信号，电信号通过蓝牙模块传输至计算机；(2)计算机接收的信号经过信号处理得出加速度数据，通过对时间的积分可得到齿轮的实时转速。
如图7所示为将本发明的齿轮用于减速箱中，在减速箱工作过程中，该齿轮可很好的检测变速箱内部不可见齿轮的运动状态，根据齿轮加速度数据，可判断其啮合情况及传动效果。如图7,齿轮b可以测出输入端齿轮转速n1，齿轮c可以测出输入端齿轮转速n2。输入端最右侧小齿轮(齿数z1)与输出端大齿轮(齿数z2)啮合时，实现最大降速。理想情况下，传动比为齿数比，即但是当齿轮磨损严重或损坏时，i会略有变化。此外，该齿轮测得的小范围波动的i可根据齿轮基本参数，计算出齿轮啮合的侧隙大小，以改进生产工艺，或调整机器工作状态来提高生产效率。
Claims (5)
1.一种齿轮，其特征在于，包括齿轮和转速检测装置，所述齿轮端面上设有凹槽，转速检测装置镶嵌于凹槽中。所述转速检测装置包括正方体外壳、第一物理信号采集模块、第二物理信号采集模块、第三物理信号采集模块、钢针、蓝牙模块和钢珠；所述第一物理信号采集模块通过钢针固定于正方体外壳上表面内侧，第二物理信号采集模块、第三物理信号采集模块通过钢针固定于平行于齿轮法向量的正方体外壳内侧面；所述钢珠嵌于正方体外壳内，正方体外壳外表面开有小孔，蓝牙模块固定于小孔内。
所述物理信号采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微结构为正四棱台微阵列，所述正四棱台的上底面边长和下底面边长的比值k与阵列高度h满足：
其中，为第一变量，具体为
为第二变量，具体为 为第三变量，具体为cij、eij和kij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数；a2为正四棱台底面边长；F表示为压力，t为时间，R为电压表内阻，V为压电层的输出电压。
2.根据权利要求1所述齿轮，其特征在于，所述正四棱台微阵列优选为金字塔形微阵列。
3.根据权利要求1所述齿轮，其特征在于，所述正四棱台微阵列高度优选为h＝40μm。
4.根据权利要求1所述齿轮，其特征在于，所述压电层通过以下方法制备：
(1)将1g BTO纳米颗粒浸泡于10mLH2O2，在90℃条件下浸泡6h使BTO纳米颗粒表面改性，得到h-BTO粉末，取出烘干。
(2)取步骤(1)制备得到的h-BTO粉末0.025g，溶解于10mL的DMF中，同时取0.225gP(VDF-TrFE)粉末溶解于另一份10mL的DMF中，随后将两份DMF溶液混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合溶液旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm*1cm恒温干燥至固化成膜，再在120℃下退火处理2h随后降温，冷却到室温后，将复合薄膜从硅模板上剥离。
(4)在步骤(3)得到的复合薄膜的两个表面分别镀上100nm厚度的金电极，分别连接一根引线，并在具有微阵列表面的金电极上滴涂10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液，并干燥，在石墨烯表面连接一根引线，制备得到具有正四棱台微阵列的压电薄膜。
5.根据权利要求1所述齿轮，其特征在于，所述压阻层通过以下方法制备：
(1)将PDMS与固化剂按照质量比10:1混合均匀，真空除气泡；
(2)将除去气泡的PDMS旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm*1cm恒温干燥至固化成膜，并从硅模板上剥离；
(3)将10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液滴涂至具有微阵列的PDMS表面，并烘干，并在石墨烯表面引出一根引线，得到具有正四棱台微阵列的压阻层。
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