CN111828591B - 一种新型智能齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型智能齿轮，包括固定盘和多个周向均布的齿轮模块，每一所述齿轮模块均与固定盘固定连接，使各齿轮模块的外缘拼接形成一个完整的轮缘，在相邻齿轮模块的接缝处布置有调节体，所述调节体采用可变刚度柔性材料，还包括：传感器模块，所述传感器模块用于直接感受测量齿轮的啮合状态参数并发送到智能控制系统；智能控制系统，所述智能控制系统对传感器模块发送来的参数进行处理，并根据处理得出的优化指令控制调节体的可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换。从而提供了一种新型智能齿轮，集齿轮啮合性能实时监测与齿轮啮合性能动态调整为一体，实现齿轮本身从啮合性能监测到啮合性能调整的闭环。

Description

一种新型智能齿轮

技术领域

本发明属于齿轮技术领域,具体地讲,特别涉及一种新型智能齿轮。

背景技术

目前,齿轮作为机械传动装置中的基础零件,被广泛应用于各种装备。随着技术的发展，各种装备对齿轮的传动精度、可靠性、寿命以及减振、降噪等要求越来越高。对齿轮进行啮合性能检测，一方面可以对齿轮的质量作出客观正确的评价，另一方面可以利用获取的啮合性能参数进行齿轮优化设计。

传统的齿轮啮合性能检测，一般是通过测试平台进行安装前的检测。随着传感器技术的进步，越来越多的研究团队提出对使用中的齿轮进行工况参数实时监测，但这些方案在实时研究方面均止步于齿轮监测；就齿轮本身而言，这些研究是开环的，未能根据监测结果对齿轮本身进行实时调整，以形成闭环。使得齿轮在实际使用中出现的振动大、应力形变工况不佳、温度高等问题，无法通过齿轮本身得到实时调整和解决。

专利文献CN103438183A公开了一种智能齿轮，通过在轮齿与两齿间底部设置轮齿槽和齿轮槽，在轮齿槽和齿轮槽内填充弹性体，并在弹性体内设置监测装置，一方面利用监测装置实时监测齿轮的工作状态，获取转矩、转速、应力、应变、加速度和温度等反应齿轮工况的实时参数；另一方面利用轮齿槽、齿轮槽和弹性体使轮齿更具弹性和自适应变形协调能力，从而提供一种高精度、高可靠的智能齿轮。该技术方案中提出的弹性体材料虽然可以对齿轮的性能进行动态调节，但仅仅是利用弹性体的自适应变形协调能力，弹性体的刚度和柔性无法根据监测结果进行实时调控，并没有真正意义上实现齿轮本身从实时监测到性能调整的闭环。并且，该智能齿轮的轮齿槽和齿轮槽加工麻烦，加工精度要求高、制造成本高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单的新型智能齿轮，集齿轮啮合性能实时监测与齿轮啮合性能动态调整为一体，实现齿轮本身从啮合性能监测到啮合性能调整的闭环。

本发明的技术方案如下：一种新型智能齿轮，包括固定盘和多个周向均布的齿轮模块，每一所述齿轮模块均与固定盘固定连接，使各齿轮模块的外缘拼接形成一个完整的轮缘，在相邻齿轮模块的接缝处布置有调节体，所述调节体采用可变刚度柔性材料，还包括：

传感器模块，所述传感器模块用于直接感受测量齿轮的啮合状态参数并发送到智能控制系统；

智能控制系统，所述智能控制系统对传感器模块发送来的参数进行处理，并根据处理得出的优化指令控制调节体的可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换。

本发明通过设置固定盘和多个齿轮模块，并在相邻齿轮模块接缝处布置调节体，调节体采用可变刚度柔性材料，并设置传感器模块实时测量齿轮的啮合状态参数，设置智能控制系统进行数据处理和控制可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换，从而提供了一种新型智能齿轮，集齿轮啮合性能实时监测与齿轮啮合性能动态调整为一体，实现齿轮本身从啮合性能监测到啮合性能调整的闭环。基于这种闭环循环地进行监测-调整，使齿轮更加智能，可以切实有效地确保齿轮的啮合性能处于最优状态，进而有利于保证齿轮的传动精度、提高齿轮的使用寿命。并且基于使用中可以进行实时监控调整以优化齿轮的啮合性能，可以显著降低对固定盘和齿轮模块本身的加工精度要求，从而降低了齿轮的加工难度和加工成本。

所述齿轮模块的数量为偶数个。齿轮的平衡性更好，各项性能更优。

所述传感器模块包括加速度计、压力传感器、应力传感器、角度传感器、位置传感器、振动检测传感器和温度传感器。采用加速度计可以在齿轮啮合过程中发生冲击与突变时，实时监测到加速度的突变，便于智能控制系统执行相应的自我保护操作，比如关闭齿轮内 抗震性能差的电子器件、避免其受损，比如调整可变刚度柔性材料，对齿轮进行分区吸震。采用压力传感器与应力传感器可以检测齿轮啮合对之间的应力值与形变量，根据齿轮的具体性能与实际应力形变值，对可变刚度柔性材料进行精确控制，使齿轮啮合对间的应力与形变持续处于较优工况。采用角度传感器和位置传感器用于检测高准确度齿轮动态角度与位置，其中角度传感器在输出角位置的同时，在其模拟信号被采样时刻和数据传输结束时刻发出标示信号，从而准确标定每一个角位置产生的时间点与位置值的对应关系，随着齿轮的持续运行，标示的位置会出现偏差，该偏差在一个周期内会形成齿轮的实时滞回参数，通过与齿轮理论滞回曲线对比，以便于反馈控制可变刚度柔性材料，以消除间隙、调整啮合对应力、吸收振动、提高传动精度等。所述振动检测传感器采集振动信号，以便于控制可变刚度柔性材料进行刚柔切换，吸收振动。所述温度传感器用于检测齿轮啮合齿对之间的摩擦升温，以便于根据齿对之间的摩擦温度精确控制润滑油油量，进而控制齿轮啮合温升与润滑效果。综上，本发明的传感器模块包括有上述多种传感器，可以多维度监测齿轮啮合状态参数，便于智能控制系统及时采取对应的控制操作，进一步有利于确保齿轮传动精度、提高齿轮寿命。

所述传感器模块包括A传感器组和B传感器组，其中A传感器组包括角度传感器、压力传感器、应力传感器和温度传感器，所述B传感器组包括加速度计、压力传感器、应力传感器和位置传感器，所述A传感器组和B传感器组的数量均为齿轮模块接缝数量的二分之一，并且A传感器组和B传感器组在各接缝间隔布置；所述振动检测传感器安装在固定盘轴孔的键槽顶部。这样将传感器模块分组间隔布置在齿轮模块的接缝处，每一接缝处都有压力传感器和应力传感器，便于对齿轮应力和形变进行多点位监测，使应力和形变监测更加全面准确；而角度传感器和温度传感器处于同一组，加速度计和位置传感器处于同一组，则使传感器的布置更加合理。

在每一所述齿轮模块的径向侧面设有半圆形的凹槽，相邻所述齿轮模块的凹槽组成一圆形安装孔，所述调节体位于圆形安装孔内。调节体位于齿轮模块接缝处的圆形安装孔内，使调节体与齿轮模块之间的作用面平滑且尽量大，一方面避免调节体布置给齿轮模块带来应力集中，另一方面有利于调节体进行刚柔和形变转换时高效地对齿轮啮合性能进行调节。

所述固定盘呈具有轴孔的圆形块，并且固定盘的其中一端面凸起形成环形的轴套部，所述齿轮模块呈扇形，并且每一齿轮模块的同一端面均凹陷形成扇形凹陷，多个齿轮模块的所述扇形凹陷组成一供固定盘嵌入的圆形凹陷，并且每一所述齿轮模块的内缘均通过固定盘轴套部的周侧面定位；在每一所述齿轮模块上均开设有第一安装孔，在所述固定盘上开有与各第一安装孔一一对应的第二安装孔，所述齿轮模块和固定盘通过贯穿第一安装孔和对应第二安装孔的螺栓固定连接。这样一来，不仅固定盘和齿轮模块各自的结构简单，生产加工容易；而且固定盘与各齿轮模块的装配操作方便，装配成一体后整体的结构紧凑、占用空间小，有利于智能齿轮的小型化。

在所述固定盘与齿轮模块的扇形接触面之间垫装有橡胶合金层，在所述固定盘的轴套部与齿轮模块的内 缘之间垫装有橡胶合金套。利用橡胶合金层和橡胶合金套，可以对固定盘与齿轮模块之间的窜动和冲击进行缓冲。

作为优选，所述智能控制系统包括：

数据采集模块，用于采集传感器模块中各传感器的数据；

通信模块，用于与服务器之间进行通信，包括将数据采集模块采集的数据传递到服务器，并从服务器获取优化指令；

服务器，用于对数据进行存储、分析和显示，并且将分析计算得出的优化指令反馈到通信模块；

控制器，用于根据通信模块获取的优化指令，控制可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换；

电源模块，用于提供电源。

在所述固定盘朝向齿轮模块的端面上开有四个安装槽，所述数据采集模块、通信模块、控制器和电源模块分别布置在四个安装槽内。这样将数据采集模块、通信模块、控制器和电源模块各自安装在固定盘与齿轮模块之间形成的四个独立腔室内，一方面有效地避免了这些部件集成在一起造成所需安装空间大的问题；另一方面使这些部件的安装稳定可靠、安装操作简单；再一方面可以利用固定盘和齿轮模块形成屏蔽壳，不仅可以有效避免外界电磁干扰、还可以避免这些部件相互之间发生干扰。

作为优选，所述齿轮模块的数量为四个。

有益效果：本发明通过设置固定盘和多个齿轮模块，并在相邻齿轮模块接缝处布置可变刚度柔性材料制成的调节体，并设置传感器模块和智能控制系统, 从而提供了一种新型智能齿轮，集齿轮啮合性能实时监测与齿轮啮合性能动态调整为一体，实现齿轮本身从啮合性能监测到啮合性能调整的闭环。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1中齿轮模块的结构示意图。

图4为图1中固定盘的结构示意图。

图5为本发明一实施例的系统功能示意图。

附图标记：齿轮模块1、凹槽1a、第一安装孔1b、定位槽1c、扇形凹陷 1d、固定盘2、轴套部211、定位筋212、安装槽2a、弧形布线槽2b、直线布线槽2c、第二安装孔2d、调节体3、螺栓4、传感器组模块5、橡胶合金层6、橡胶合金套7、传动轴8、转子911、定子912、端盖913、振动检测传感器10。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种新型智能齿轮，包括固定盘 2和多个周向均布的齿轮模块1，每一所述齿轮模块1均与固定盘2固定连接，使各齿轮模块1的外缘拼接形成一个完整的轮缘。在相邻齿轮模块1的接缝处布置有调节体3，所述调节体3采用可变刚度柔性材料。在每一所述齿轮模块 1的径向侧面设有半圆形的凹槽1a，相邻所述齿轮模块1的凹槽1a组成一圆形安装孔，所述调节体3位于圆形安装孔内。为了便于更加精确地控制齿轮啮合性能，所述圆形安装孔靠近齿轮模块1接缝的外端(也即靠近轮齿的一端) 布置。

所述可变刚度柔性材料属于现有技术，这种材料在外部电场和/或磁场作用下，刚度、柔性和形态发生变化。具体可以采用现有的电流变材料或者磁流变材料或者电磁流变材料，本领域技术人员综合考量各方面因素，选择合适的材料即可。为了使齿轮整体的结构更加简单、生产更加容易，并为了便于对可变刚度柔性材料进行控制，本实施例优选可变刚度柔性材料为一种现有的电流变材料。关于电流变材料、磁流变材料、电磁流变材料的工作原理和性能，可以参考链接 http://www.360doc.com/content/14/0925/23/1204156_412375902.shtml，在此不做赘述。

如图1、图2、图3和图4所示，所述固定盘2呈具有轴孔的圆形块，并且固定盘2的其中一端面凸起形成环形的轴套部211。所述齿轮模块1呈扇形，并且每一齿轮模块1的同一端面均凹陷形成扇形凹陷1d，多个齿轮模块1的所述扇形凹陷1d组成一供固定盘2嵌入的圆形凹陷。所述固定盘2位于该圆形凹陷内，并且每一所述齿轮模块1的内缘均通过固定盘2轴套部211的周侧面定位。为了避免使用中齿轮模块1与固定盘2之间发生相对转动，所述轴套部211的周侧面凸起形成与齿轮模块1一一对应的定位筋212，在所述齿轮模块1的内缘设有与对应定位筋212相吻合的定位槽1c。需要说明的是，所述定位筋212、定位槽1c设计对齿轮模块1的内 缘在固定盘2上进行了定位限制，但是并没有限制齿轮模块1外缘的摆动。

如图1、图3和图4所示，在每一所述齿轮模块1上均开设有第一安装孔 1b，在所述固定盘2上开有与各第一安装孔1b一一对应的第二安装孔2d，所述齿轮模块1和固定盘2通过贯穿第一安装孔1b和对应第二安装孔2d的螺栓 4固定连接。为了使各齿轮模块1之间的受力更加均衡，所述第一安装孔1b 和第二安装孔2d均呈与齿轮模块1外缘相适应的圆弧形条状，使得实际使用中齿轮模块1的外缘可以发生自适应的摆动，使相邻齿轮模块1之间接缝外端的宽度可变。需要说明的是，这与定位筋212、定位槽1c的设计并不相冲突。

如图2所示，在所述固定盘2与齿轮模块1的扇形接触面之间垫装有橡胶合金层6，在所述固定盘2的轴套部211与齿轮模块1的内 缘之间垫装有橡胶合金套7。更进一步地，所述橡胶合金层6和橡胶合金套7可以粘接固定在固定盘2或者齿轮模块1上。所述橡胶合金层6和橡胶合金套7均采用现有的橡胶合金材料，由本领域技术人员综合考量各方面因素，选用合适的材料即可，在此不做赘述。

如图1和图3所示，所述齿轮模块1的数量不做限定，但是偶数个齿轮模块1的平衡性更好，也更加利于传感器模块中各传感器的均匀布置。综合考量加工成本、装配操作、电子元器件布置等多方面因素，本实施例优选齿轮模块 1的数量为四个。

如图5所示，本实施例还包括传感器模块，所述传感器模块用于直接感受测量齿轮的啮合状态参数并发送到智能控制系统。所述传感器模块中传感器的种类和数量不做限定，可以是加速度计、压力传感器、应力传感器、角度传感器、位置传感器、振动检测传感器、温度传感器、噪声传感器等等，本领域技术人员根据需要监测的齿轮啮合性能相关的参数设置对应的传感器即可。为了实现多维度全方面监测、以利于对齿轮性能进行及时、精确、高效的调整，本实施例优选所述传感器模块包括加速度计、压力传感器、应力传感器、角度传感器、位置传感器、振动检测传感器和温度传感器。

在齿轮模块1采用偶数个数量的前提下，本实施例中所述传感器模块包括 A传感器组和B传感器组，其中A传感器组包括角度传感器、压力传感器、应力传感器和温度传感器，所述B传感器组包括加速度计、压力传感器、应力传感器和位置传感器。所述A传感器组和B传感器组的数量均为齿轮模块1接缝数量的二分之一，并且A传感器组和B传感器组在各接缝间隔布置。这里的间隔布置应理解为：当A传感器组布置在其中一条接缝内时，该条接缝相邻的两条接缝内则均布置B传感器组；如果只有两条接缝，则一条布置A传感器组、另一条布置B传感器组。

如图1和图2所示，本实施例中有四条呈十字形分布的齿轮模块1接缝，则位于同一直线的其中两条接缝布置A传感器组，位于另一直线上的两条接缝布置B传感器组。为了更加精确地获取齿轮的啮合性能，所述A传感器组和B 传感器组均靠近齿轮模块1接缝的外端布置，并且位于调节体3所在圆形安装孔的外侧。并且为了方便安装，每一传感器组均事先制备成传感器组模块5，以统一粘贴固定在齿轮模块1接缝中。所述振动检测传感器10则安装在固定盘2轴孔的键槽顶部，以及时采集齿轮的振动数据，反馈调整控制齿轮啮合对之间的接触力与回差，降低齿轮振动。

如图5所示，本实施例还包括智能控制系统，所述智能控制系统对传感器模块发送来的参数进行处理，并根据处理得出的优化指令控制调节体3的可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换。

本实施例优选所述智能控制系统包括：

一数据采集模块，用于采集传感器模块中各传感器的数据。

一通信模块，用于齿轮与服务器之间进行通信，包括将数据采集模块采集的数据传递到服务器，并从服务器获取优化指令。所述通信模块为低功耗的无线通信模块，通信方式包括WIFI、蓝牙、GSM等协议。

一服务器，用于对数据进行存储、分析和显示，并且将分析计算得出的优化指令反馈到通信模块。所述服务器包括云端和PC端，其中云端进行数据存储，PC端对数据进行分析和显示。当然，本领域技术人员可以理解，服务器端还应设有与前述通信模块相匹配的外部通信模块，用于信号传输。

一控制器，用于根据通信模块获取的优化指令，控制可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换。并且，本实施例中，传感器模块包括有温度传感器，所述控制器还内置有润滑油控制模块，用于控制润滑油油量。所述控制器对可变刚度柔性材料刚柔和形变的控制，利用前述可变刚度柔性材料的电流变或磁流变或电磁流变特性实现，具体地包括控制器控制可变刚度柔性材料的电场和/或磁场,以使可变刚度柔性材料发生刚柔和形变变化。如前所述，本实施例已优选可变刚度柔性材料为一种现有的电流变材料，因此本实施例中，所述控制器通过电信号控制可变刚度柔性材料进行刚柔形变变化，一方面吸收齿轮啮合过程中的振动和冲击，另一方面调节各齿轮模块1间的接缝宽度也即各齿轮模块 1间的间隙，从而控制齿轮啮合齿之间的啮合力，消除齿轮因磨损等造成的齿轮间隙与误差，提高齿轮啮合精度与性能。控制器中的润滑油控制模块，与现有传统系统中的润滑油控制模块相同，在不做赘述。

一电源模块，用于为传感器模块、数据采集模块、通信模块和控制器提供电源。所述电源模块的电源构成不做限定，可以是一蓄电池，也可以是一充电电池，还可以是一利用齿轮所处传动系统中任一转动件转动进行发电的发电机，还可以是上述三种方式的组合或者其中任意两种的组合。本实施例优选电源模块包括一发电机和一充电电池，所述发电机作为主要电源，如图2所示，发电机包括一端盖913、一定子912和一固套在传动轴8上的转子911。所述充电电池作为备用电源，发电机为充电电池充电，充电电池还具有无线充电功能。

如图2和图4所示，在所述固定盘2朝向齿轮模块1的端面上开有四个安装槽2a，所述数据采集模块、通信模块、控制器和电源模块分别布置在四个安装槽2a内。为了便于布线，在所述固定盘2朝向齿轮模块1的端面上开有四条弧形布线槽2b，所述弧形布线槽2b连接在相邻的安装槽2a之间。

如图2和图4所示，在所述固定盘2朝向齿轮模块1的端面上还开有与齿轮模块1接缝一一对应的直线布线槽2c，所述直线布线槽2c沿固定盘2的半径方向布置，并且直线布线槽2c的一端贯穿固定盘2的周侧面，另一端与弧形布线槽2b或者安装槽2a连通。本实施例中，由于齿轮模块1的数量为四个，所述直线布线槽2c的数量也是四个，并且直线布线槽2c的内端与安装槽2a 连通。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种新型智能齿轮，包括固定盘和多个周向均布的齿轮模块，每一所述齿轮模块均与固定盘固定连接，使各齿轮模块的外缘拼接形成一个完整的轮缘，在相邻齿轮模块的接缝处布置有调节体，所述调节体采用可变刚度柔性材料，还包括：

传感器模块，所述传感器模块用于直接感受测量齿轮的啮合状态参数并发送到智能控制系统；

智能控制系统，所述智能控制系统对传感器模块发送来的参数进行处理，并根据处理得出的优化指令控制调节体的可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换。

2.根据权利要求1所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：所述齿轮模块的数量为偶数个。

3.根据权利要求2所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：所述传感器模块包括加速度计、压力传感器、应力传感器、角度传感器、位置传感器、振动检测传感器和温度传感器。

4.根据权利要求3所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：所述传感器模块包括A传感器组和B传感器组，其中A传感器组包括角度传感器、压力传感器、应力传感器和温度传感器，所述B传感器组包括加速度计、压力传感器、应力传感器和位置传感器，所述A传感器组和B传感器组的数量均为齿轮模块接缝数量的二分之一，并且A传感器组和B传感器组在各接缝间隔布置；所述振动检测传感器安装在固定盘轴孔的键槽顶部。

5.根据权利要求1所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：在每一所述齿轮模块的径向侧面设有半圆形的凹槽，相邻所述齿轮模块的凹槽组成一圆形安装孔，所述调节体位于圆形安装孔内。

6.根据权利要求1所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：所述固定盘呈具有轴孔的圆形块，并且固定盘的其中一端面凸起形成环形的轴套部，所述齿轮模块呈扇形，并且每一齿轮模块的同一端面均凹陷形成扇形凹陷，多个齿轮模块的所述扇形凹陷组成一供固定盘嵌入的圆形凹陷，并且每一所述齿轮模块的内缘均通过固定盘轴套部的周侧面定位；在每一所述齿轮模块上均开设有第一安装孔，在所述固定盘上开有与各第一安装孔一一对应的第二安装孔，所述齿轮模块和固定盘通过贯穿第一安装孔和对应第二安装孔的螺栓固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：在所述固定盘与齿轮模块的扇形接触面之间垫装有橡胶合金层，在所述固定盘的轴套部与齿轮模块的内 缘之间垫装有橡胶合金套。

8.根据权利要求6或7所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：所述智能控制系统包括：

数据采集模块，用于采集传感器模块中各传感器的数据；

通信模块，用于与服务器之间进行通信，包括将数据采集模块采集的数据传递到服务器，并从服务器获取优化指令；

服务器，用于对数据进行存储、分析和显示，并且将分析计算得出的优化指令反馈到通信模块；

控制器，用于根据通信模块获取的优化指令，控制可变刚度柔性材料进行刚柔和形变转换；

电源模块，用于提供电源。

9.根据权利要求8所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：在所述固定盘朝向齿轮模块的端面上开有四个安装槽，所述数据采集模块、通信模块、控制器和电源模块分别布置在四个安装槽内。

10.根据权利要求9所述的一种新型智能齿轮，其特征在于：所述齿轮模块的数量为四个。

Images