CN114112381B - 一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置及方法，薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置包括：底座，间隔设有第一支撑限位机构和第二支撑限位机构；内支撑轴，被第二支撑限位机构支撑限位，内支撑轴用于与薄壁锥齿轮中心轴配合以实现扭矩传递；支座，与底座固定相连，用于对配合锥齿轮轴进行支撑限位，所述配合锥齿轮轴用于与薄壁锥齿轮本体啮合；加载杆，一端与内支撑轴连接，另一端挂载有配重件。本发明利用内支撑轴插入薄壁锥齿轮中心轴的中心，利用第一支撑限位机构对薄壁锥齿轮轴进行支撑限位，第二支撑限位机构对内支撑轴支撑限位，加载杆则对内支撑轴加载力矩，以模拟薄壁锥齿轮轴的真实安装状态，提高实验的准确性。

Description

一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置及方法

技术领域

本发明涉及齿轮模态测试领域，特别是涉及一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置及方法。

背景技术

目前，螺旋锥齿轮传动系统因其传动平稳、承载能力强、噪声小等优点广泛应用于航天航空、汽车、无人机等领域。由于高承载和轻量化的发展需求，螺旋锥齿轮轴往往是大直径的薄壁结构，其锥齿轮大端及小端面径向尺寸十分小，并且轴内部有用于传递载荷的内花键。为了测试螺旋锥齿轮系统振动特性、进行故障诊断和预测、动力学结构优化设计，需要对其系统进行装配状态下的模态测试分析，但模态测试结果的准确性很大程度上取决于边界条件的设定。装配模态测试通过工装夹具，能在最大程度上模拟实际装配状态下的约束边界条件，为实际结构的动力学修改提供准确指导。另外，大直径的薄壁锥齿轮轴通过内花键轴传递扭矩。传统的模态测试，在齿轮轴末端通过卡箍进行直接加载，但该方法无法对没有外花键的锥齿轮轴进行加载，且这种加载方式和实际的大直径薄壁锥齿轮轴的加载方法完全不同，会造成由于加载方式不同的测量误差，进而错误指导后续结构的优化设计，造成更为严重的事故。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，能够精确模拟薄壁锥齿轮轴的工况，以精确测试装配状态下的薄壁锥齿轮轴。

根据本发明的第一方面实施例的一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，包括：底座，间隔设有第一支撑限位机构和第二支撑限位机构，所述第一支撑限位机构用于对薄壁锥齿轮中心轴进行支撑限位；内支撑轴，被第二支撑限位机构支撑限位，所述内支撑轴用于插入薄壁锥齿轮中心轴的中心并与薄壁锥齿轮中心轴配合以实现扭矩传递；支座，与底座固定相连，所述支座设有第三支撑座和第四支撑座，配合锥齿轮轴设有齿轮中心轴，所述第三支撑座和所述第四支撑座用于对所述齿轮中心轴支撑限位，所述配合锥齿轮轴用于与所述薄壁锥齿轮本体啮合，所述第三支撑座背向所述第四支撑座的侧面固定安装有防转件，所述防转件用于限制所述齿轮中心轴旋转，以便传递载荷；加载杆，一端与内支撑轴连接，另一端挂载有配重件。

根据本发明实施例的一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，至少具有如下技术效果：利用内支撑轴插入薄壁锥齿轮中心轴的中心，利用第一支撑限位机构对薄壁锥齿轮中心轴进行支撑限位，第二支撑限位机构对内支撑轴支撑限位，加载杆则对内支撑轴加载力矩，以模拟薄壁锥齿轮中心轴的真实安装状态，提高实验的准确性。

根据本发明的一些实施例，所述内支撑轴插入端外周壁设有外花键，以与薄壁锥齿轮中心轴的内花键配合传递扭矩。

根据本发明的一些实施例，所述加载杆与内支撑轴对应的一端设有与内支撑轴外周壁适配的弧形槽，所述弧形槽内壁设有卡块，所述内支撑轴外周壁设有与卡块适配的卡槽。

根据本发明的一些实施例，所述加载杆远离内支撑轴的一端设有开口朝上的挂槽，所述配重件上端部分嵌入挂槽。

根据本发明的一些实施例，所述内支撑轴对应加载杆位置设有凸缘，所述弧形槽与凸缘适配，且所述卡槽设于凸缘周壁。

根据本发明的一些实施例，所述第一支撑限位机构包括第一支撑座和圆弧盖，所述第一支撑座上端设有供薄壁锥齿轮中心轴嵌入的第一圆弧槽，所述圆弧盖安装于第一支撑座上端，所述圆弧盖设有开口朝下的第二圆弧槽以配合第一圆弧槽对薄壁锥齿轮中心轴进行径向限位。

根据本发明的一些实施例，所述第一圆弧槽两侧设有第一连接块，所述第二圆弧槽两侧设有第二连接块，所述第一连接块和第二连接块通过紧固件连接固定。

根据本发明的一些实施例，所述第一连接块和第二连接块之间夹设有垫片。

根据本发明的一些实施例，所述配合锥齿轮轴包括齿轮中心轴和配合锥齿轮本体，所述配合锥齿轮本体用于与薄壁锥齿轮本体啮合，所述配合锥齿轮本体、齿轮中心轴、薄壁锥齿轮中心轴和薄壁锥齿轮本体均安装有加速度传感器。

本发明还提供一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试方法，包括如下步骤：S1，将薄壁锥齿轮中心轴活动安装于第一支撑限位机构，将配合锥齿轮轴固定安装于底座，将内支撑轴活动安装于第二支撑限位机构，且内支撑轴插入薄壁锥齿轮中心轴并与薄壁锥齿轮中心轴配合，将加载杆与内支撑轴连接并挂载上配重件，待载荷施加至薄壁锥齿轮和配合锥齿轮轴后，将薄壁锥齿轮中心轴和内支撑轴夹紧固定，去掉加载杆和配重件；S2，通过力锤依次敲击在配合锥齿轮轴和薄壁锥齿轮轴上的测点，每个测点敲击多次，获得力锤的激励信号和加速度信号；S3、根据力锤及加速度传感器的信号，进行模态参数识别，提取配合锥齿轮轴和薄壁锥齿轮轴在装配状态下的固有频率、阻尼及振型。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的安装状态示意图；

图2是本发明实施例的分解状态示意图；

图3是本发明实施例的另一角度安装状态示意图；

图4是防转件、配合锥齿轮轴、末端顶盖的分解状态结构示意图；

图5是防转件的结构示意图。

附图标记：

底座100、薄壁锥齿轮中心轴101、薄壁锥齿轮本体102、内花键103、第一支撑限位机构110、第一支撑座111、圆弧盖112、第二连接块113、第一连接块114、第二支撑限位机构120、第五支撑座121、压盖122、加速度传感器130；

内支撑轴200、外花键210、凸缘220、卡槽221；

配合锥齿轮轴300、齿轮中心轴310、嵌槽311、配合锥齿轮本体320；

加载杆400、弧形槽410、卡块411、挂槽420、配重件430；

支座500、第三支撑座510、末端顶盖511、第三连接块512、第四连接块513、第四支撑座520、首端顶盖521、定位块522、防转件530、卡块531、竖向块532、水平块533。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图5，本发明实施例的一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，包括底座100、内支撑轴200、支座500、加载杆400。薄壁锥齿轮轴包括薄壁锥齿轮本体102和薄壁锥齿轮中心轴101，锥齿设于薄壁锥齿轮本体102上。

底座100设有第一支撑限位机构110和第二支撑限位机构120，且第一支撑限位机构110和第二支撑限位机构120间隔设置，第一支撑限位机构110用于对薄壁锥齿轮中心轴101进行支撑限位；内支撑轴200被第二支撑限位机构120支撑限位，内支撑轴200用于插入薄壁锥齿轮中心轴的中心并与薄壁锥齿轮中心轴101配合以实现扭矩传递；支座500，与底座100固定相连，用于对配合锥齿轮轴300进行支撑限位，所述配合锥齿轮轴300用于与薄壁锥齿轮本体102啮合；加载杆400一端与内支撑轴200连接，另一端挂载有配重件430。

本发明利用内支撑轴200插入薄壁锥齿轮中心轴的中心，利用第一支撑限位机构110对薄壁锥齿轮中心轴进行支撑限位，第二支撑限位机构120对内支撑轴200支撑限位，加载杆400则对内支撑轴加载力矩，并传递给薄壁锥齿轮中心轴101，以模拟薄壁锥齿轮中心轴的真实安装状态，提高实验的准确性。

在本发明的一些实施例中，内支撑轴200插入端外周壁设有外花键210，以与薄壁锥齿轮中心轴101的内花键103配合传递扭矩。通过加载内支撑轴200实现对薄壁锥齿轮中心轴101的加载，且加载位置与真实装配一致，提高了模拟真实性和实验的准确性。

在本发明的一些实施例中，加载杆400与内支撑轴200对应的一端设有与内支撑轴200外周壁适配的弧形槽410，弧形槽410内壁设有卡块411，内支撑轴200外周壁设有与卡块411适配的卡槽221，通过弧形槽410内支撑轴200外周壁相贴，再利用卡块411与卡槽221的配合，利用杠杆原理，将配重件430的重力转换为对内支撑轴200的扭矩。

在本发明的一些实施例中，加载杆400远离内支撑轴200的一端设有开口朝上的挂槽420，配重件430上端部分嵌入挂槽420，配重件430顶部为方框，以方便加载杆400端部穿过。配重件430底部可挂砝码，通过挂载砝码的数量调节加载的力。挂槽420则对配重件430起到限位作用，使得其位置稳定，提供稳定的力。

在本发明的一些实施例中，内支撑轴200对应加载杆400位置设有凸缘220，弧形槽410与凸缘220适配，且卡槽221设于凸缘220周壁，凸缘220专用于加载杆400加载，提供足够的壁厚供卡槽221加工。

在本发明的一些实施例中，第一支撑限位机构110包括第一支撑座111和圆弧盖112，第一支撑座111上端设有供薄壁锥齿轮中心轴101嵌入的第一圆弧槽，圆弧盖112安装于第一支撑座111上端，圆弧盖112设有开口朝下的第二圆弧槽以配合第一圆弧槽对薄壁锥齿轮中心轴101进行径向限位。第二支撑限位机构120也采用类似的结构，第二支撑限位机构120包括第五支撑座121和连接于第五支撑座121上端的压盖122，第五支撑座121和压盖122通过螺栓连接并可通过旋拧螺栓调节夹紧内支撑轴的夹紧力。

在本发明的一些实施例中，第一圆弧槽两侧设有第一连接块114，第二圆弧槽两侧设有第二连接块113，第一连接块114和第二连接块113通过紧固件连接固定，具体的，紧固件为螺栓和螺母，且通过旋拧螺栓可调节螺栓的预紧力，以调节第一支撑座111和圆弧盖112对薄壁锥齿轮中心轴101的夹紧力，模拟薄壁锥齿轮中心轴101该位置与轴承的过盈配合所产生的作用力。第一连接块114和第二连接块113提供较好的紧固件安装位置，方便安装和加工，若薄壁锥齿轮中心轴101在该处没有安装轴承，第一支撑座111和圆弧盖112可仅对薄壁锥齿轮中心轴101进行支撑和径向限位，不提供夹紧力，可满足多种测试需求；当薄壁锥齿轮中心轴101需要有的旋转自由度时，可适当松开调节螺栓，使得夹紧力消失。

在本发明的进一步实施例中，第一连接块114和第二连接块113之间夹设有垫片，垫片采用橡胶材质制成，垫片作为柔性件放置在两者之间，防止预紧力过大损伤轴表面。

在本发明的进一步实施例中，所述配合锥齿轮轴300包括齿轮中心轴310和配合锥齿轮本体320，所述齿轮中心轴310同轴固设于配合锥齿轮本体320，所述配合锥齿轮本体320用于与薄壁锥齿轮本体102啮合，所述配合锥齿轮本体320、齿轮中心轴310、薄壁锥齿轮中心轴101和薄壁锥齿轮本体102均安装有加速度传感器130，配合锥齿轮本体320轮廓大于齿轮中心轴310，薄壁锥齿轮本体轮廓大于薄壁锥齿轮中心轴101。

在本发明的一些实施例中，支座500与底座100通过螺栓固定相连，支座500作为底座100的一个固定延伸部分。支座500设有第三支撑座510和第四支撑座520，配合锥齿轮轴300设有齿轮中心轴310，所述第三支撑座510和第四支撑座520用于对齿轮中心轴310支撑限位，第三支撑座510和第四支撑座520上端分别盖设有末端顶盖511和首端顶盖521，以对齿轮中心轴310的径向进行限位。另外，为了提高对位精度，第四支撑座520底部设有定位块522，定位块522与底座100侧边相贴，以起到定位作用，再配合螺栓实现支座500与底座100的固定连接，能够保证薄壁锥齿轮本体102和配合锥齿轮本体320的锥顶重合。另外，通过第三支撑座510和第四支撑座520底部两侧均可设置筋板，使得支撑座的支撑刚度与薄壁锥齿轮中心轴101和齿轮中心轴310的实际支撑结构的支撑刚度一致。

在本发明的进一步实施例中，第四支撑座520和第三支撑座510沿齿轮中心轴310朝外延伸的方向依次设置，即齿轮中心轴310从配合锥齿轮轴300一侧向外同轴延伸而成。第三支撑座510背向第四支撑座520的侧面固定安装有防转件530，防转件530用于限制齿轮中心轴310旋转，以便传递载荷。

在本发明的进一步实施例中，齿轮中心轴310外端设有嵌槽311，防转件530包括卡块531、竖向块532和水平块533，卡块531和竖向块532分别连接于水平块533的两侧，竖向块532与第三支撑座510的侧面相贴固定，竖向块532与第三支撑座510设有对应的孔位以通过紧固件连接固定。卡块531朝齿轮中心轴310延伸并卡入嵌槽311，用于限制齿轮中心轴310旋转。

在本发明的进一步实施例中，第三支撑座510上端设有与齿轮中心轴310适配的第三圆弧槽，第三圆弧槽上端两侧向外水平延伸有第三连接块512，末端顶盖511设有开口朝下的第四圆弧槽，第四圆弧槽下端两侧向外水平延伸有第四连接块513，第三连接块512和第四连接块513设有对应的孔位以通过螺栓连接固定。进一步的，第三连接块512和第四连接块513之间夹设有橡胶垫片，可通过调整橡胶垫片厚度和螺栓旋拧程度来调节螺栓的预紧力，以此调节末端顶盖511和第三支撑座510对齿轮中心轴310的夹紧力。

本发明还提供一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试方法，包括如下步骤：

S1，首先将薄壁锥齿轮中心轴101活动安装于第一支撑限位机构110，使得薄壁锥齿轮中心轴101能有旋转的自由度，将配合锥齿轮轴300固定安装于底座100，将内支撑轴200活动安装于第二支撑限位机构120，使得内支撑轴200具有旋转的自由度，且内支撑轴200插入薄壁锥齿轮中心轴101并与薄壁锥齿轮中心轴101配合，将加载杆400与内支撑轴200连接并挂载上配重件430，载荷施加至薄壁锥齿轮和配合锥齿轮轴300后，将薄壁锥齿轮中心轴101和内支撑轴200夹紧固定，去掉加载杆和配重件；即开始时，第五支撑座121和压盖122、第一支撑座111圆弧盖112并没有把薄壁锥齿轮中心轴101和内支撑轴200夹紧，带载荷加载完后，再拧紧对应的螺栓将薄壁锥齿轮中心轴101和内支撑轴200夹紧固定。

S2，通过力锤依次敲击在配合锥齿轮轴300、薄壁锥齿轮轴上的每个测点敲击多次，获得力锤的激励信号和加速度信号；加速度传感器及激励力锤与多通道数据采集仪相连，多通道数据采集仪与计算机相连，以此将采集的信号传递给计算机处理，另外每次敲击完成后获得一组数据，对数据进行检查，剔除质量较差的数据，并进行重复测试直到数据质量良好。具体的，对于齿轮轴来说，测点一般布置在轴段及齿轮端面上，即测点分布在薄壁锥齿轮本体102的端面、薄壁锥齿轮中心轴101的周壁、齿轮中心轴310的周壁、配合锥齿轮本体320的端面。

S3、根据力锤及加速度传感器的信号，进行模态参数识别，提取配合锥齿轮轴300和薄壁锥齿轮轴在装配状态下的固有频率、阻尼及振型。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于包括：

底座(100)，间隔设有第一支撑限位机构(110)和第二支撑限位机构(120)，所述第一支撑限位机构(110)包括第一支撑座(111)和圆弧盖(112)，第一支撑座(111)上端设有供薄壁锥齿轮中心轴(101)嵌入的第一圆弧槽，圆弧盖(112)安装于第一支撑座(111)上端，圆弧盖(112)设有开口朝下的第二圆弧槽以配合第一圆弧槽对薄壁锥齿轮中心轴(101)进行径向限位；

内支撑轴(200)，被第二支撑限位机构(120)支撑限位，所述内支撑轴(200)用于插入薄壁锥齿轮中心轴的中心并与薄壁锥齿轮中心轴(101)配合以实现扭矩传递；

支座(500)，与底座(100)固定相连，所述支座(500)设有第三支撑座(510)和第四支撑座(520)，配合锥齿轮轴(300)设有齿轮中心轴(310)，所述第三支撑座(510)和所述第四支撑座(520)用于对所述齿轮中心轴(310)支撑限位，所述配合锥齿轮轴(300)用于与所述薄壁锥齿轮本体(102)啮合，所述第三支撑座(510)背向所述第四支撑座(520)的侧面固定安装有防转件(530)，所述防转件(530)用于限制所述齿轮中心轴(310)旋转，以便传递载荷；

加载杆(400)，一端与内支撑轴(200)连接，另一端挂载有配重件(430)。

2.根据权利要求1所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述内支撑轴(200)插入端外周壁设有外花键(210)，以与薄壁锥齿轮中心轴(101)的内花键(103)配合传递扭矩。

3.根据权利要求1所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述加载杆(400)与内支撑轴(200)对应的一端设有与内支撑轴(200)外周壁适配的弧形槽(410)，所述弧形槽(410)内壁设有卡块(411)，所述内支撑轴(200)外周壁设有与卡块(411)适配的卡槽(221)。

4.根据权利要求3所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述加载杆(400)远离内支撑轴(200)的一端设有开口朝上的挂槽(420)，所述配重件(430)上端部分嵌入挂槽(420)。

5.根据权利要求3所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述内支撑轴(200)对应加载杆(400)位置设有凸缘(220)，所述弧形槽(410)与凸缘(220)适配，且所述卡槽(221)设于凸缘(220)周壁。

6.根据权利要求1所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述第一支撑限位机构(110)包括第一支撑座(111)和圆弧盖(112)，所述第一支撑座(111)上端设有供薄壁锥齿轮中心轴(101)嵌入的第一圆弧槽，所述圆弧盖(112)安装于第一支撑座(111)上端，所述圆弧盖(112)设有开口朝下的第二圆弧槽以配合第一圆弧槽对薄壁锥齿轮中心轴(101)进行径向限位。

7.根据权利要求6所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述第一圆弧槽两侧设有第一连接块(114)，所述第二圆弧槽两侧设有第二连接块(113)，所述第一连接块(114)和第二连接块(113)通过紧固件连接固定。

8.根据权利要求7所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述第一连接块(114)和第二连接块(113)之间夹设有垫片。

9.根据权利要求1所述的薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试装置，其特征在于：所述配合锥齿轮轴(300)包括齿轮中心轴(310)和配合锥齿轮本体(320)，所述配合锥齿轮本体(320)用于与薄壁锥齿轮本体(102)啮合，所述配合锥齿轮本体(320)、齿轮中心轴(310)、薄壁锥齿轮中心轴(101)和薄壁锥齿轮本体(102)均安装有加速度传感器(130)。

10.一种薄壁锥齿轮轴装配模态试验测试方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，将薄壁锥齿轮中心轴(101)活动安装于第一支撑限位机构(110)，将配合锥齿轮轴(300)固定安装于底座(100)，将内支撑轴(200)活动安装于第二支撑限位机构(120)，且内支撑轴(200)插入薄壁锥齿轮中心轴(101)并与薄壁锥齿轮中心轴(101)配合，将加载杆(400)与内支撑轴(200)连接并挂载上配重件(430)，待载荷施加至薄壁锥齿轮和配合锥齿轮轴(300)后，将薄壁锥齿轮中心轴(101)和内支撑轴夹紧固定，去掉加载杆和配重件；

S2，通过力锤依次敲击在配合锥齿轮轴(300)、薄壁锥齿轮轴上的测点，每个测点敲击多次，获得力锤的激励信号和加速度信号；

S3、根据力锤及加速度传感器的信号，进行模态参数识别，提取配合锥齿轮轴(300)和薄壁锥齿轮轴在装配状态下的固有频率、阻尼及振型。

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