工具技術(shù)齒輪動力學(xué)試驗機的設(shè)計寧俊杰,張臨濤,舒贊輝,石照耀北京工業(yè)大學(xué)摘要:齒輪動力學(xué)試驗機是針對單極圓柱齒輪而設(shè)計的實驗裝置其主要測試項目包括動態(tài)傳動誤差靜態(tài)傳動誤差、振動噪聲和傳動效率,能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪動態(tài)和靜態(tài)試驗以及模擬齒輪實際工況。該試驗機功能強、結(jié)構(gòu)剛性好、精度高,能夠?qū)X輪動力學(xué)性能進(jìn)行綜合評價。文中對試驗機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和測控系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)說明,并將三維模型導(dǎo)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;傳動誤差;振動噪聲;齒輪動力學(xué)中圖分類號:TG61;TH132.41文獻(xiàn)標(biāo)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?qū)崿F(xiàn)機械結(jié)構(gòu)1引言精度要求試驗機采用精密軸系,調(diào)整機構(gòu)也均采用齒輪傳動裝置作為常見的動力傳動系統(tǒng)被用在精密部件。各個工業(yè)領(lǐng)域中,目前對齒輪傳動裝置的要求也越來越高2,迫切需要改善齒輪的傳動性能來滿足2工作原理齒輪傳動裝置的輕量化、高速化和重載化的需齒輪動力學(xué)試驗機針對單級圓柱齒輪設(shè)計,該求試驗機能夠完成不同參數(shù)的單級圓柱齒輪傳動誤差齒輪的許多問題都是綜合性的,除了通過理論測量、振動噪聲測量和傳動效率測量。試驗機的機分析還需要通過實驗方式研究,例如齒輪壽命、齒輪械結(jié)構(gòu)精度高、剛性好,不僅能實現(xiàn)齒輪的靜態(tài)測失效形式等。隨著齒輪傳動裝置的不斷進(jìn)步齒輪量、準(zhǔn)動態(tài)和動態(tài)測量,而且能夠模擬齒輪的實際試驗裝置也得到了長足的發(fā)展,月前用于單級齒輪況。實驗裝置種類繁多,其中傳動誤差測量儀和整體誤傳動誤差是評價齒輪轉(zhuǎn)動性能的常用方法差測量儀精度較高屬于精密儀器振動噪聲試驗臺、該方法能夠高效地測量出齒輪的綜合誤差,并從中傳動效率實驗臺齒輪壽命試驗臺和汽車臺架試驗分離出齒距偏差等單項誤差。傳動誤差是指齒臺精度普通屬于一般實驗設(shè)備4",從機被結(jié)構(gòu)上輪傳動裝置的實際輸出位移同理論輸出位移的差可分為機械開放式試驗臺、機械封閉式試驗臺和電值,由編碼器測得主動齒輪實際轉(zhuǎn)角為b1,被動齒功率封閉式試驗臺,其中西德慕尼黑大學(xué)齒輪研輪的實際轉(zhuǎn)角為02,傳動比為i,則被動軸的理論輸究中心設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)FZG機械封閉式試驗臺成為機出轉(zhuǎn)角為i,傳動誤差6的表達(dá)式為械封閉式齒輪實驗裝置的代表。8=62-61/i齒輪動力學(xué)試驗機同齒輪壽命、傳動效率實驗齒輪裝置臺等相比機械精度較高能夠完成傳動誤差和振動噪中國煤化工:功率開放時式結(jié)構(gòu)和功CNMH式試驗裝置基金項目:國家科技重大專項(2013ZX04011-071)結(jié)構(gòu)簡單,功率預(yù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,還需要配試齒輪箱。該齒輪動力2016年第50卷No.3學(xué)試驗機的機械結(jié)構(gòu)采用功率開放式結(jié)構(gòu),功率從端融為一體共同調(diào)節(jié)。扭矩傳感器與主軸間采用剛電機開始經(jīng)過被試齒輪流向扭矩加載器性連接,齒輪嚙合使扭矩通過主軸直接傳遞到扭矩齒輪動力學(xué)試驗機的工作原理如圖1所示。試傳感器,不會因彈性變形而導(dǎo)致扭矩?fù)p失和扭矩傳驗機適用于平行軸齒輪的動力學(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器在安I為主動軸,軸Ⅱ為被動軸。電機采用直驅(qū)技術(shù)與裝時對主軸不同心帶來額外振動,扭矩傳感器與電軸系直接相連,試驗機工作時電機帶動軸Ⅰ和主動機和磁粉制動器間采用雙膜片彈性聯(lián)軸器連接。齒輪旋轉(zhuǎn),主動齒輪與被動齒輪嚙合帶動軸Ⅱ旋轉(zhuǎn),加載器放在軸Ⅱ末端為齒輪提供模擬負(fù)載。軸Ⅰ和軸Ⅱ上集成有多種傳感器包括角度編碼器、振動傳感器和扭矩傳感器,以采集各種齒輪測試的相應(yīng)數(shù)據(jù)?？刂破鲾?shù)據(jù)采集系統(tǒng)齒輪動力學(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(shù)頭4.X方向?qū)к夋i5.磁粉制動器6.直線光柵5.噪聲傳感器6.振動傳感器7.角度編碼器8.加載器7.Y方向手輪8.Y方向?qū)к夋i9.X方向手輪圖1齒輪動力學(xué)試驗機工作原理圖2齒輪動力學(xué)試驗機機械結(jié)構(gòu)該試驗機采用不同參數(shù)的齒輪進(jìn)行試驗或測該齒輪試驗機要求主、被動軸保持高度一致。量。試驗機設(shè)計有調(diào)整機構(gòu),由X方向的絲杠調(diào)節(jié)為了在裝配時方便調(diào)試,主動端箱體和被動端箱體齒寬,Y方向絲杠調(diào)節(jié)中心距,在進(jìn)行齒輪試驗時對下都設(shè)計有鑄造的墊層如果裝配時發(fā)現(xiàn)主、被動軸中心距要求較高,為了更加準(zhǔn)確地調(diào)整中心距,在Y高度相差超過預(yù)期范圍,可以對主動端箱體和被動方向安裝有長光柵實時反饋中心距。試驗機的運動端箱體下的墊層進(jìn)行磨削,將兩軸調(diào)整到同一高度。系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)通過工控機控制,角度編碼器主動端與負(fù)載端通過THK的高精密導(dǎo)軌連接,以保采集得到的信號經(jīng)細(xì)分器細(xì)分后進(jìn)入采集卡,扭矩證在進(jìn)行齒寬和中心距方向調(diào)節(jié)時設(shè)備的精度。主傳感器噪聲傳感器與角度編碼器同步采樣,采樣信動部分由X方向絲杠帶動調(diào)節(jié)齒寬方向,負(fù)載部分號由工控機發(fā)出。由Y方向絲杠帶動調(diào)節(jié)中心距方向,Y方向安裝有長光柵,中心距數(shù)值由長光柵實時反饋,X方向和Y3機械系統(tǒng)設(shè)計方向都設(shè)計有機械限位,以防止調(diào)節(jié)時失誤所帶來齒輪動力學(xué)試驗機設(shè)計指標(biāo)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(diào)3.1軸系設(shè)計節(jié)距離為360mm,齒寬方向調(diào)節(jié)距離為100mm,最齒輪試驗機主軸采用主軸單元的設(shè)計形式,在大設(shè)計轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時的圓跳動成裝配調(diào)試。這種設(shè)計方式極大減少了裝配調(diào)試時2μm。齒輪動力學(xué)試驗機由基座部分、主動端和負(fù)的難度,保證了試驗機維護(hù)的便捷性。載端三大部分組成,其機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。齒輪試驗機對軸系旋轉(zhuǎn)精度要求較高,通常高為一體共同調(diào)節(jié);負(fù)載部分同樣將磁粉制動器、扭矩機軸系時采用IBC的高精密角接觸球軸承,軸系設(shè)傳感器和主軸單元集成在負(fù)載端箱體上,使得負(fù)載計見圖3。為了增加軸系的支撐剛度,軸系采用四工具技術(shù)個角接觸球軸承,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,安裝時可以插入標(biāo)準(zhǔn)檢棒檢測軸系回轉(zhuǎn)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(shù)傳動誤差試驗時,設(shè)計的最大轉(zhuǎn)速為20/min,所試頭,雙讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)處理時可以消除安裝的偏驗的齒輪齒數(shù)在100以內(nèi)。根據(jù)齒輪嚙頻率公式心誤差,齒輪嚙合時的振動通過軸系傳遞到軸承=n可以得到齒輪傳動誤差試驗的最大頻率為再到箱體,但在傳遞過程中信號會有能量損耗,為了fm=33.3,這個頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于試驗機的一階固有頻充分感受齒輪嚙合時的振動,該試驗機在主軸前端率188Hz。當(dāng)進(jìn)行齒輪傳動誤差試驗時不會引起試還集成了振動傳感器。驗機機械結(jié)構(gòu)的共振,為測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jié)構(gòu)影響最大。圖4a是整機在一階固有頻率下的變形圖4b是主動端在一階固有頻率下的變形,圖4c是負(fù)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器的尾5.振動傳感器6.被試齒輪7.齒輪芯拙部,齒輪相對變形較小,說明試驗機結(jié)構(gòu)能夠?qū)X輪器讀數(shù)頭系箱體10.精密鎖緊螺母實驗提供良好的剛性。圖3軸系設(shè)計為了使試驗機能夠適應(yīng)不同參數(shù)齒輪的試驗4測控系統(tǒng)組成在設(shè)計齒輪夾具機械結(jié)構(gòu)將主軸和齒輪裝夾裝置分齒輪動力學(xué)試驗機的測控系統(tǒng)如圖5所示,主開齒輪芯軸與主軸之間采用標(biāo)準(zhǔn)短錐進(jìn)行連接,標(biāo)要由運動控制系統(tǒng)信號采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件準(zhǔn)短錐的設(shè)計可以保證良好的互換性和回轉(zhuǎn)精度,組成。運動控制系統(tǒng)包括電機控制和磁粉制動器控增加試驗齒輪的參數(shù)范圍。齒輪芯軸和齒輪間通過ANSYS漲套連接,漲套具有定心精度高、傳遞扭矩大、更換齒輪時操作方便等優(yōu)點。3.2機械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析模態(tài)分析分為解析式模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析兩種。解析式模態(tài)分析需要先了解結(jié)構(gòu)幾何形狀、邊界條件和材料特性,并把結(jié)構(gòu)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,這樣就可以通過理論分析來確定系統(tǒng)的(a)整機在一階固有頻率下的變形模態(tài)參數(shù)(固有頻率、阻尼系數(shù)、模態(tài)振形),這些模ANSYS態(tài)參數(shù)完全可以描繪系統(tǒng)的動力學(xué)特性51為分析試驗機結(jié)構(gòu)的剛性,分別對試驗機整體結(jié)構(gòu)、主動部分結(jié)構(gòu)和負(fù)載部分結(jié)構(gòu)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(dǎo)人到 ANsYS WorkbenchICNMHG中,使用 Modal模塊對三個裝配體進(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(b)主動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,張萬年,小模數(shù)齒輪單面嚙合測量儀的設(shè)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儀的研制[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(tǒng)的重構(gòu)[J].機械傳動,2007,31(1):1-4(c)負(fù)載端一階固有率下的變形圖4機械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[7]涂磊.齒輪傳動綜合試驗臺測試系統(tǒng)研究[D].重慶:重制,電機控制采用PIC,磁粉制動器控制采用廠家自慶大學(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(qū)動橋總成疲勞壽命試驗臺架的研制[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2009,11機進(jìn)行通訊,電機和磁粉制動器也可以通過軟件控制;光柵型號、扭矩傳感器信號和振動傳感器信號通[9]王成,魏子堯.齒輪傳動效率測定試驗裝置的研究進(jìn)展過信號采集卡進(jìn)入工控機中,通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)[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(shè)備[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988:1-17[11]SMITH J D. 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