工具技術(shù)齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)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(yàn)機(jī)是針對(duì)單極圓柱齒輪而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置其主要測(cè)試項(xiàng)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?qū)崿F(xiàn)齒輪動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)以及模擬齒輪實(shí)際工況。該試驗(yàn)機(jī)功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛性好、精度高,能夠?qū)X輪動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。文中對(duì)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,并將三維模型導(dǎo)入 ANSYS中對(duì)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(hào):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(cè)量屬于精密儀器范疇,為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)1引言精度要求試驗(yàn)機(jī)采用精密軸系,調(diào)整機(jī)構(gòu)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(tǒng)被用在精密部件。各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中,目前對(duì)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(yàn)機(jī)針對(duì)單級(jí)圓柱齒輪設(shè)計(jì),該求試驗(yàn)機(jī)能夠完成不同參數(shù)的單級(jí)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(cè)量、振動(dòng)噪聲測(cè)量和傳動(dòng)效率測(cè)量。試驗(yàn)機(jī)的機(jī)分析還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)齒輪的靜態(tài)測(cè)失效形式等。隨著齒輪傳動(dòng)裝置的不斷進(jìn)步齒輪量、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量,而且能夠模擬齒輪的實(shí)際試驗(yàn)裝置也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,月前用于單級(jí)齒輪況。實(shí)驗(yàn)裝置種類(lèi)繁多,其中傳動(dòng)誤差測(cè)量?jī)x和整體誤傳動(dòng)誤差是評(píng)價(jià)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)性能的常用方法差測(cè)量?jī)x精度較高屬于精密儀器振動(dòng)噪聲試驗(yàn)臺(tái)、該方法能夠高效地測(cè)量出齒輪的綜合誤差,并從中傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)齒輪壽命試驗(yàn)臺(tái)和汽車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)分離出齒距偏差等單項(xiàng)誤差。傳動(dòng)誤差是指齒臺(tái)精度普通屬于一般實(shí)驗(yàn)設(shè)備4",從機(jī)被結(jié)構(gòu)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(jī)械開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)和電值,由編碼器測(cè)得主動(dòng)齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)角為b1,被動(dòng)齒功率封閉式試驗(yàn)臺(tái),其中西德慕尼黑大學(xué)齒輪研輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角為02,傳動(dòng)比為i,則被動(dòng)軸的理論輸究中心設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)FZG機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)成為機(jī)出轉(zhuǎn)角為i,傳動(dòng)誤差6的表達(dá)式為械封閉式齒輪實(shí)驗(yàn)裝置的代表。8=62-61/i齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)同齒輪壽命、傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)齒輪裝置臺(tái)等相比機(jī)械精度較高能夠完成傳動(dòng)誤差和振動(dòng)噪中國(guó)煤化工:功率開(kāi)放時(shí)式結(jié)構(gòu)和功CNMH式試驗(yàn)裝置基金項(xiàng)目:國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2013ZX04011-071)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功率預(yù)耗較大;切舉封閉式試驗(yàn)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(dòng)力2016年第50卷No.3學(xué)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用功率開(kāi)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(jī)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(yàn)機(jī)的工作原理如圖1所示。試傳感器,不會(huì)因彈性變形而導(dǎo)致扭矩?fù)p失和扭矩傳驗(yàn)機(jī)適用于平行軸齒輪的動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試,其中軸感器測(cè)量值失真。為了避免電機(jī)和磁粉制動(dòng)器在安I為主動(dòng)軸,軸Ⅱ?yàn)楸粍?dòng)軸。電機(jī)采用直驅(qū)技術(shù)與裝時(shí)對(duì)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(yàn)機(jī)工作時(shí)電機(jī)帶動(dòng)軸Ⅰ和主動(dòng)機(jī)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(zhuǎn),主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪嚙合帶動(dòng)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(dòng)傳感器和扭矩傳感器,以采集各種齒輪測(cè)試的相應(yīng)數(shù)據(jù)。控制器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)軟件1.主電機(jī)2.雙膜片彈性聯(lián)軸器3.扭矩傳感器1.電機(jī)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(dòng)器6.直線光柵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?qū)к夋i9.X方向手輪圖1齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)工作原理圖2齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)該試驗(yàn)機(jī)采用不同參數(shù)的齒輪進(jìn)行試驗(yàn)或測(cè)該齒輪試驗(yàn)機(jī)要求主、被動(dòng)軸保持高度一致。量。試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)有調(diào)整機(jī)構(gòu),由X方向的絲杠調(diào)節(jié)為了在裝配時(shí)方便調(diào)試,主動(dòng)端箱體和被動(dòng)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(yàn)時(shí)對(duì)下都設(shè)計(jì)有鑄造的墊層如果裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)主、被動(dòng)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(guò)預(yù)期范圍,可以對(duì)主動(dòng)端箱體和被動(dòng)方向安裝有長(zhǎng)光柵實(shí)時(shí)反饋中心距。試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)工控機(jī)控制,角度編碼器主動(dòng)端與負(fù)載端通過(guò)THK的高精密導(dǎo)軌連接,以保采集得到的信號(hào)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(shí)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(dòng)部分由X方向絲杠帶動(dòng)調(diào)節(jié)齒寬方向,負(fù)載部分號(hào)由工控機(jī)發(fā)出。由Y方向絲杠帶動(dòng)調(diào)節(jié)中心距方向,Y方向安裝有長(zhǎng)光柵,中心距數(shù)值由長(zhǎng)光柵實(shí)時(shí)反饋,X方向和Y3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向都設(shè)計(jì)有機(jī)械限位,以防止調(diào)節(jié)時(shí)失誤所帶來(lái)齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)有:測(cè)量5級(jí)及以的試驗(yàn)機(jī)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(jì)節(jié)距離為360mm,齒寬方向調(diào)節(jié)距離為100mm,最齒輪試驗(yàn)機(jī)主軸采用主軸單元的設(shè)計(jì)形式,在大設(shè)計(jì)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(shí)的圓跳動(dòng)成裝配調(diào)試。這種設(shè)計(jì)方式極大減少了裝配調(diào)試時(shí)2μm。齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)由基座部分、主動(dòng)端和負(fù)的難度,保證了試驗(yàn)機(jī)維護(hù)的便捷性。載端三大部分組成,其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。齒輪試驗(yàn)機(jī)對(duì)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(dòng)器、扭矩機(jī)軸系時(shí)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(jì)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(duì)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(hào)錐從表中可以看出,整機(jī)的一階固有頻率為孔,安裝時(shí)可以插入標(biāo)準(zhǔn)檢棒檢測(cè)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(dòng)誤差試驗(yàn)時(shí),設(shè)計(jì)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(shí)可以消除安裝的偏驗(yàn)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(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(yàn)的最大頻率為再到箱體,但在傳遞過(guò)程中信號(hào)會(huì)有能量損耗,為了fm=33.3,這個(gè)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于試驗(yàn)機(jī)的一階固有頻充分感受齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng),該試驗(yàn)機(jī)在主軸前端率188Hz。當(dāng)進(jìn)行齒輪傳動(dòng)誤差試驗(yàn)時(shí)不會(huì)引起試還集成了振動(dòng)傳感器。驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振,為測(cè)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(xiàng)目名稱階固有頻率二階固有頻率三階固有頻率(Hz)(Hz)整機(jī)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)影響最大。圖4a是整機(jī)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(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(yàn)機(jī)主要變形在電機(jī)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(duì)變形較小,說(shuō)明試驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)提供良好的剛性。圖3軸系設(shè)計(jì)為了使試驗(yàn)機(jī)能夠適應(yīng)不同參數(shù)齒輪的試驗(yàn)4測(cè)控系統(tǒng)組成在設(shè)計(jì)齒輪夾具機(jī)械結(jié)構(gòu)將主軸和齒輪裝夾裝置分齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)如圖5所示,主開(kāi)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件準(zhǔn)短錐的設(shè)計(jì)可以保證良好的互換性和回轉(zhuǎn)精度,組成。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括電機(jī)控制和磁粉制動(dòng)器控增加試驗(yàn)齒輪的參數(shù)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(jī)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(shí)驗(yàn)?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(lái),這樣就可以通過(guò)理論分析來(lái)確定系統(tǒng)的(a)整機(jī)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(dòng)力學(xué)特性51為分析試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛性,分別對(duì)試驗(yàn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)、主動(dòng)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(guó)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(duì)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(fèi)業(yè)泰,謝華錕齒輪測(cè)量技術(shù)100年—回顧與展望[J].中國(guó)工程科學(xué),2003,5(9):13-17[4]石照耀,曲宏芬,張萬(wàn)年,小模數(shù)齒輪單面嚙合測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,37(4):481-486[5]石照耀,鹿曉寧,陳昌鶴.面齒輪單面嚙合測(cè)量?jī)x的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(12):2715-2721.[6]石照耀,唐為軍齒輪整體誤差測(cè)量系統(tǒng)的重構(gòu)[J].機(jī)械傳動(dòng),2007,31(1):1-4(c)負(fù)載端一階固有率下的變形圖4機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[7]涂磊.齒輪傳動(dòng)綜合試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)研究[D].重慶:重制,電機(jī)控制采用PIC,磁粉制動(dòng)器控制采用廠家自慶大學(xué)機(jī)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(cái)龍李旗號(hào)楊麗英等驅(qū)動(dòng)橋總成疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)架的研制[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2009,11機(jī)進(jìn)行通訊,電機(jī)和磁粉制動(dòng)器也可以通過(guò)軟件控制;光柵型號(hào)、扭矩傳感器信號(hào)和振動(dòng)傳感器信號(hào)通[9]王成,魏子堯.齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的研究進(jìn)展過(guò)信號(hào)采集卡進(jìn)入工控機(jī)中,通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2013,11:45-50處理。[10]朱孝錄齒輪的試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988:1-17[11]SMITH J D. The uses and limitations of transmissionerror[12]TAMMINANA V K. A study of the relationship betweenthedynamic factors and the dynamic transmission error of spur[動(dòng)圖[單顯D[[單顯表日[數(shù)喜表gear pairs [J]. Joumal of Mechanical Design, 2007, 129數(shù)據(jù)采集卡(1):75-84PLC程控電[13]張旭.數(shù)字式齒輪單面嚙合測(cè)量?jī)x的研制[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)精密測(cè)控技術(shù)與儀器實(shí)驗(yàn),2008:33-34輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)軟」1.電機(jī)2.扭矩傳感器3.振動(dòng)傳感器4.角度編碼器讀數(shù)頭[14]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,20015.噪聲傳感器6.角度編碼器7.長(zhǎng)光柵8.磁粉制動(dòng)器480-485圖5齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)[15]白化同,郭繼忠.模態(tài)分析理論與實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001:3-15結(jié)語(yǔ)第一作者:寧俊杰,碩士研究生,北京工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè),100124北京市齒輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)基于單嚙儀的原理同時(shí)融入First AtNing Junjie, Postgraduate, Instrument Science了有載測(cè)試、振動(dòng)噪聲測(cè)試和傳動(dòng)效率測(cè)試的功能, and Technology, Beijing University of Technology, Beijing適用于汽車(chē)齒輪配對(duì)效果檢測(cè)。該齒輪試驗(yàn)機(jī)能夠10024, China測(cè)量不同參數(shù)的單級(jí)圓柱齒輪,且齒輪安裝快速方便,調(diào)整快捷精確高。該試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)剛性好、數(shù)字化程度高還可外接其他測(cè)試設(shè)備,能夠?qū)X輪動(dòng)力學(xué)伊朗與德國(guó)簽署有關(guān)汽車(chē)零部件性能做出綜合的評(píng)價(jià)。生產(chǎn)合作諒解備忘錄參考文獻(xiàn)近日,伊朗汽車(chē)零部件生產(chǎn)廠家協(xié)會(huì)( IAPMA)董事會(huì)成員納加非曼納什( Mohammad Reza Najafimanesh)表示,該[1]丁康,李巍華朱小勇齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)協(xié)會(huì)與德國(guó)巴伐利亞產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)簽署了一份有關(guān)汽車(chē)零部件[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2005:20-25生產(chǎn)合作的諒解備忘錄。[2]K Yamamoto, M Murayama, Y Yokokawa, et al. Experimen汽車(chē)是伊朗僅之外的笛一大產(chǎn)業(yè),占伊朗GDPtal and numerical study on a two- wheel main landing gear的10%。該備中國(guó)煤化工會(huì)近期訪問(wèn)德國(guó)noise.40 International Congress and Exposition on Noise巴伐利亞州CNMHGControl Engineering 2011, INTER-NOISE 2011, Septem-r 4, 2011-September 7, 2011, Osaka, Japan, 2011