齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機的設計

工具技術(shù)齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機的設計寧俊杰,張臨濤,舒贊輝,石照耀北京工業(yè)大學(xué)摘要:齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機是針對單極圓柱齒輪而設計的實(shí)驗裝置其主要測試項目包括動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差靜態(tài)傳動(dòng)誤差、振動(dòng)噪聲和傳動(dòng)效率,能夠實(shí)現齒輪動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗以及模擬齒輪實(shí)際工況。該試驗機功能強、結構剛性好、精度高,能夠對齒輪動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行綜合評價(jià)。文中對試驗機的機械結構設計和測控系統設計進(jìn)行了詳細說(shuō)明,并將三維模型導入 ANSYS中對模態(tài)分析進(jìn)行求解得出前三階的模態(tài)頻率和一階模態(tài)下的變形。關(guān)鍵詞:齒輪;傳動(dòng)誤差;振動(dòng)噪聲;齒輪動(dòng)力學(xué)中圖分類(lèi)號:TG61;TH132.41文獻標志碼:ADesign of Gear Dynamic TesterNing Junjie, Zhang Lintao, Shu Zanhui, Shi ZhaoyaoAbstract: Gear dynamics tester is an experiment device designed for unipolar cylindrical gear, the main test items include carrier transmission error, the static transmission error, vibration noise and transmission efficiency, it isenabling forgear dynamic and static test and simulating gear actual operating conditions. The device has powerful function, unyieldingd capable of dymechanical structure and monitoring and control system design carefully, and imported the 3-D model into ANSYS, soltof the test and fund the deform of the first modelKeywords: gear; transmission; error vibration; noise gear聲測量屬于精密儀器范疇,為了能夠實(shí)現機械結構1引言精度要求試驗機采用精密軸系,調整機構也均采用齒輪傳動(dòng)裝置作為常見(jiàn)的動(dòng)力傳動(dòng)系統被用在精密部件。各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中,目前對齒輪傳動(dòng)裝置的要求也越來(lái)越高2,迫切需要改善齒輪的傳動(dòng)性能來(lái)滿(mǎn)足2工作原理齒輪傳動(dòng)裝置的輕量化、高速化和重載化的需齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機針對單級圓柱齒輪設計,該求試驗機能夠完成不同參數的單級圓柱齒輪傳動(dòng)誤差齒輪的許多問(wèn)題都是綜合性的,除了通過(guò)理論測量、振動(dòng)噪聲測量和傳動(dòng)效率測量。試驗機的機分析還需要通過(guò)實(shí)驗方式研究,例如齒輪壽命、齒輪械結構精度高、剛性好,不僅能實(shí)現齒輪的靜態(tài)測失效形式等。隨著(zhù)齒輪傳動(dòng)裝置的不斷進(jìn)步齒輪量、準動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)測量,而且能夠模擬齒輪的實(shí)際試驗裝置也得到了長(cháng)足的發(fā)展,月前用于單級齒輪況。實(shí)驗裝置種類(lèi)繁多,其中傳動(dòng)誤差測量?jì)x和整體誤傳動(dòng)誤差是評價(jià)齒輪轉動(dòng)性能的常用方法差測量?jì)x精度較高屬于精密儀器振動(dòng)噪聲試驗臺、該方法能夠高效地測量出齒輪的綜合誤差,并從中傳動(dòng)效率實(shí)驗臺齒輪壽命試驗臺和汽車(chē)臺架試驗分離出齒距偏差等單項誤差。傳動(dòng)誤差是指齒臺精度普通屬于一般實(shí)驗設備4",從機被結構上輪傳動(dòng)裝置的實(shí)際輸出位移同理論輸出位移的差可分為機械開(kāi)放式試驗臺、機械封閉式試驗臺和電值,由編碼器測得主動(dòng)齒輪實(shí)際轉角為b1,被動(dòng)齒功率封閉式試驗臺,其中西德慕尼黑大學(xué)齒輪研輪的實(shí)際轉角為02,傳動(dòng)比為i,則被動(dòng)軸的理論輸究中心設計的標準FZG機械封閉式試驗臺成為機出轉角為i,傳動(dòng)誤差6的表達式為械封閉式齒輪實(shí)驗裝置的代表。8=62-61/i齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機同齒輪壽命、傳動(dòng)效率實(shí)驗齒輪裝置臺等相比機械精度較高能夠完成傳動(dòng)誤差和振動(dòng)噪中國煤化工:功率開(kāi)放時(shí)式結構和功CNMH式試驗裝置基金項目:國家科技重大專(zhuān)項(2013ZX04011-071)結構簡(jiǎn)單,功率預耗較大;切舉封閉式試驗裝置功率收稿日期:2015年12月?lián)p耗小,結構復雜,還需要配試齒輪箱。該齒輪動(dòng)力2016年第50卷No.3學(xué)試驗機的機械結構采用功率開(kāi)放式結構,功率從端融為一體共同調節。扭矩傳感器與主軸間采用剛電機開(kāi)始經(jīng)過(guò)被試齒輪流向扭矩加載器性連接,齒輪嚙合使扭矩通過(guò)主軸直接傳遞到扭矩齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機的工作原理如圖1所示。試傳感器,不會(huì )因彈性變形而導致扭矩損失和扭矩傳驗機適用于平行軸齒輪的動(dòng)力學(xué)性能測試,其中軸感器測量值失真。為了避免電機和磁粉制動(dòng)器在安I為主動(dòng)軸,軸Ⅱ為被動(dòng)軸。電機采用直驅技術(shù)與裝時(shí)對主軸不同心帶來(lái)額外振動(dòng),扭矩傳感器與電軸系直接相連,試驗機工作時(shí)電機帶動(dòng)軸Ⅰ和主動(dòng)機和磁粉制動(dòng)器間采用雙膜片彈性聯(lián)軸器連接。齒輪旋轉,主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪嚙合帶動(dòng)軸Ⅱ旋轉,加載器放在軸Ⅱ末端為齒輪提供模擬負載。軸Ⅰ和軸Ⅱ上集成有多種傳感器包括角度編碼器、振動(dòng)傳感器和扭矩傳感器,以采集各種齒輪測試的相應數據?？刂破鲾祿杉到y齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機軟件1.主電機2.雙膜片彈性聯(lián)軸器3.扭矩傳感器1.電機2.扭矩傳感器3.主軸4角度編碼器讀數頭4.X方向導軌鎖5.磁粉制動(dòng)器6.直線(xiàn)光柵5.噪聲傳感器6.振動(dòng)傳感器7.角度編碼器8.加載器7.Y方向手輪8.Y方向導軌鎖9.X方向手輪圖1齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機工作原理圖2齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機機械結構該試驗機采用不同參數的齒輪進(jìn)行試驗或測該齒輪試驗機要求主、被動(dòng)軸保持高度一致。量。試驗機設計有調整機構,由X方向的絲杠調節為了在裝配時(shí)方便調試,主動(dòng)端箱體和被動(dòng)端箱體齒寬,Y方向絲杠調節中心距,在進(jìn)行齒輪試驗時(shí)對下都設計有鑄造的墊層如果裝配時(shí)發(fā)現主、被動(dòng)軸中心距要求較高,為了更加準確地調整中心距,在Y高度相差超過(guò)預期范圍,可以對主動(dòng)端箱體和被動(dòng)方向安裝有長(cháng)光柵實(shí)時(shí)反饋中心距。試驗機的運動(dòng)端箱體下的墊層進(jìn)行磨削,將兩軸調整到同一高度。系統和信號采集系統通過(guò)工控機控制,角度編碼器主動(dòng)端與負載端通過(guò)THK的高精密導軌連接,以保采集得到的信號經(jīng)細分器細分后進(jìn)入采集卡,扭矩證在進(jìn)行齒寬和中心距方向調節時(shí)設備的精度。主傳感器噪聲傳感器與角度編碼器同步采樣,采樣信動(dòng)部分由X方向絲杠帶動(dòng)調節齒寬方向,負載部分號由工控機發(fā)出。由Y方向絲杠帶動(dòng)調節中心距方向,Y方向安裝有長(cháng)光柵,中心距數值由長(cháng)光柵實(shí)時(shí)反饋,X方向和Y3機械系統設計方向都設計有機械限位,以防止調節時(shí)失誤所帶來(lái)齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機設計指標有:測量5級及以的試驗機損傷下精度的圓柱直齒輪和圓柱斜齒輪,中心距方向調3.1軸系設計節距離為360mm,齒寬方向調節距離為100mm,最齒輪試驗機主軸采用主軸單元的設計形式,在大設計轉速為200ymin,最大加載扭矩為300Nm,主軸單元中集成了光、電多種傳感器并在儀器外完最大允許滑差功率為5kW,主軸旋轉時(shí)的圓跳動(dòng)成裝配調試。這種設計方式極大減少了裝配調試時(shí)2μm。齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機由基座部分、主動(dòng)端和負的難度,保證了試驗機維護的便捷性。載端三大部分組成,其機械結構如圖2所示。齒輪試驗機對軸系旋轉精度要求較高,通常高為一體共同調節;負載部分同樣將磁粉制動(dòng)器、扭矩機軸系時(shí)采用IBC的高精密角接觸球軸承,軸系設傳感器和主軸單元集成在負載端箱體上,使得負載計見(jiàn)圖3。為了增加軸系的支撐剛度,軸系采用四工具技術(shù)個(gè)角接觸球軸承,軸承背對背安裝,軸承末端用表1。高精密鎖緊螺母并緊,主軸中心位置有莫氏5號錐從表中可以看出,整機的一階固有頻率為孔,安裝時(shí)可以插入標準檢棒檢測軸系回轉精度。188Hz,且一階振形主要在Y方向上。在進(jìn)行齒輪主軸前集成有角度編碼器,角度編碼器采用雙讀數傳動(dòng)誤差試驗時(shí),設計的最大轉速為20/min,所試頭,雙讀數頭結構在數據處理時(shí)可以消除安裝的偏驗的齒輪齒數在100以?xún)?。根據齒輪嚙頻率公式心誤差,齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng)通過(guò)軸系傳遞到軸承=n可以得到齒輪傳動(dòng)誤差試驗的最大頻率為再到箱體,但在傳遞過(guò)程中信號會(huì )有能量損耗,為了fm=33.3,這個(gè)頻率遠遠低于試驗機的一階固有頻充分感受齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng),該試驗機在主軸前端率188Hz。當進(jìn)行齒輪傳動(dòng)誤差試驗時(shí)不會(huì )引起試還集成了振動(dòng)傳感器。驗機機械結構的共振,為測量數據的準確性提供了良好的剛度支撐。表1前三階固有頻率項目名稱(chēng)階固有頻率二階固有頻率三階固有頻率(Hz)(Hz)整機l88216.22主動(dòng)部分200.74287.01319.77在前三階固有頻率中一階固有頻率對機械結構影響最大。圖4a是整機在一階固有頻率下的變形圖4b是主動(dòng)端在一階固有頻率下的變形,圖4c是負載端在一階固有頻率下的變形。從圖中可以看1.連接法蘭2.精密軸承3.主軸出,齒輪試驗機主要變形在電機和磁粉制動(dòng)器的尾5.振動(dòng)傳感器6.被試齒輪7.齒輪芯拙部,齒輪相對變形較小,說(shuō)明試驗機結構能夠對齒輪器讀數頭系箱體10.精密鎖緊螺母實(shí)驗提供良好的剛性。圖3軸系設計為了使試驗機能夠適應不同參數齒輪的試驗4測控系統組成在設計齒輪夾具機械結構將主軸和齒輪裝夾裝置分齒輪動(dòng)力學(xué)試驗機的測控系統如圖5所示,主開(kāi)齒輪芯軸與主軸之間采用標準短錐進(jìn)行連接,標要由運動(dòng)控制系統信號采集系統和數據處理軟件準短錐的設計可以保證良好的互換性和回轉精度,組成。運動(dòng)控制系統包括電機控制和磁粉制動(dòng)器控增加試驗齒輪的參數范圍。齒輪芯軸和齒輪間通過(guò)ANSYS漲套連接,漲套具有定心精度高、傳遞扭矩大、更換齒輪時(shí)操作方便等優(yōu)點(diǎn)。3.2機械結構模態(tài)分析模態(tài)分析分為解析式模態(tài)分析和實(shí)驗模態(tài)分析兩種。解析式模態(tài)分析需要先了解結構幾何形狀、邊界條件和材料特性,并把結構質(zhì)量分析、剛度分布和阻尼分布分別用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣表示出來(lái),這樣就可以通過(guò)理論分析來(lái)確定系統的(a)整機在一階固有頻率下的變形模態(tài)參數(固有頻率、阻尼系數、模態(tài)振形),這些模ANSYS態(tài)參數完全可以描繪系統的動(dòng)力學(xué)特性51為分析試驗機結構的剛性,分別對試驗機整體結構、主動(dòng)部分結構和負載部分結構進(jìn)行模態(tài)分析。在 Solid Works中完成這三部分的三維建模,將裝配中國煤化工體保存為(.x_t)文件并導人到 ANsYS WorkbenchICNMHG中,使用 Modal模塊對三個(gè)裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及固有頻率和震形求解,得到的前三階固有頻率見(jiàn)(b)主動(dòng)端一階固有頻率下的變形2016年第50卷N0.3ANSYSINCEJ and AS], 2011: 476-487[3]石照耀,費業(yè)泰,謝華錕齒輪測量技術(shù)100年—回顧與展望[J].中國工程科學(xué),2003,5(9):13-17[4]石照耀,曲宏芬,張萬(wàn)年,小模數齒輪單面嚙合測量?jì)x的設計[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,37(4):481-486[5]石照耀,鹿曉寧,陳昌鶴.面齒輪單面嚙合測量?jì)x的研制[J].儀器儀表學(xué)報,2013,34(12):2715-2721.[6]石照耀,唐為軍齒輪整體誤差測量系統的重構[J].機械傳動(dòng),2007,31(1):1-4(c)負載端一階固有率下的變形圖4機械結構模態(tài)分析[7]涂磊.齒輪傳動(dòng)綜合試驗臺測試系統研究[D].重慶:重制,電機控制采用PIC,磁粉制動(dòng)器控制采用廠(chǎng)家自慶大學(xué)機械工程學(xué)院,2011:1-8帶的程控電源其中PLC和程控電源都可以和上位[8]朱財龍李旗號楊麗英等驅動(dòng)橋總成疲勞壽命試驗臺架的研制[J].組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù),2009,11機進(jìn)行通訊,電機和磁粉制動(dòng)器也可以通過(guò)軟件控制;光柵型號、扭矩傳感器信號和振動(dòng)傳感器信號通[9]王成,魏子堯.齒輪傳動(dòng)效率測定試驗裝置的研究進(jìn)展過(guò)信號采集卡進(jìn)入工控機中,通過(guò)軟件進(jìn)行數據[J].制造技術(shù)與機床,2013,11:45-50處理。[10]朱孝錄齒輪的試驗技術(shù)與設備[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988:1-17[11]SMITH J D. 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