齿轮动力学试验机的设计

工具技术齿轮动力学试验机的设计宁俊杰,张临涛,舒赞辉,石照耀北京工业大学摘要:齿轮动力学试验机是针对单极圆柱齿轮而设计的实验装置其主要测试项目包括动态传动误差静态传动误差、振动噪声和传动效率,能够实现齿轮动态和静态试验以及模拟齿轮实际工况。该试验机功能强、结构刚性好、精度高,能够对齿轮动力学性能进行综合评价。文中对试验机的机械结构设计和测控系统设计进行了详细说明,并将三维模型导入 ANSYS中对模态分析进行求解得出前三阶的模态频率和一阶模态下的变形。关键词:齿轮;传动误差;振动噪声;齿轮动力学中图分类号:TG61;TH132.41文献标志码: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声测量属于精密仪器范畴,为了能够实现机械结构1引言精度要求试验机采用精密轴系,调整机构也均采用齿轮传动装置作为常见的动力传动系统被用在精密部件。各个工业领域中,目前对齿轮传动装置的要求也越来越高2,迫切需要改善齿轮的传动性能来满足2工作原理齿轮传动装置的轻量化、高速化和重载化的需齿轮动力学试验机针对单级圆柱齿轮设计,该求试验机能够完成不同参数的单级圆柱齿轮传动误差齿轮的许多问题都是综合性的,除了通过理论测量、振动噪声测量和传动效率测量。试验机的机分析还需要通过实验方式研究,例如齿轮寿命、齿轮械结构精度高、刚性好,不仅能实现齿轮的静态测失效形式等。随着齿轮传动装置的不断进步齿轮量、准动态和动态测量,而且能够模拟齿轮的实际试验装置也得到了长足的发展,月前用于单级齿轮况。实验装置种类繁多,其中传动误差测量仪和整体误传动误差是评价齿轮转动性能的常用方法差测量仪精度较高属于精密仪器振动噪声试验台、该方法能够高效地测量出齿轮的综合误差,并从中传动效率实验台齿轮寿命试验台和汽车台架试验分离出齿距偏差等单项误差。传动误差是指齿台精度普通属于一般实验设备4",从机被结构上轮传动装置的实际输出位移同理论输出位移的差可分为机械开放式试验台、机械封闭式试验台和电值,由编码器测得主动齿轮实际转角为b1,被动齿功率封闭式试验台,其中西德慕尼黑大学齿轮研轮的实际转角为02,传动比为i,则被动轴的理论输究中心设计的标准FZG机械封闭式试验台成为机出转角为i,传动误差6的表达式为械封闭式齿轮实验装置的代表。8=62-61/i齿轮动力学试验机同齿轮寿命、传动效率实验齿轮装置台等相比机械精度较高能够完成传动误差和振动噪中国煤化工:功率开放时式结构和功CNMH式试验装置基金项目:国家科技重大专项(2013ZX04011-071)结构简单,功率预耗较大;切举封闭式试验装置功率收稿日期:2015年12月损耗小,结构复杂,还需要配试齿轮箱。该齿轮动力2016年第50卷No.3学试验机的机械结构采用功率开放式结构,功率从端融为一体共同调节。扭矩传感器与主轴间采用刚电机开始经过被试齿轮流向扭矩加载器性连接,齿轮啮合使扭矩通过主轴直接传递到扭矩齿轮动力学试验机的工作原理如图1所示。试传感器,不会因弹性变形而导致扭矩损失和扭矩传验机适用于平行轴齿轮的动力学性能测试,其中轴感器测量值失真。为了避免电机和磁粉制动器在安I为主动轴,轴Ⅱ为被动轴。电机采用直驱技术与装时对主轴不同心带来额外振动,扭矩传感器与电轴系直接相连,试验机工作时电机带动轴Ⅰ和主动机和磁粉制动器间采用双膜片弹性联轴器连接。齿轮旋转,主动齿轮与被动齿轮啮合带动轴Ⅱ旋转,加载器放在轴Ⅱ末端为齿轮提供模拟负载。轴Ⅰ和轴Ⅱ上集成有多种传感器包括角度编码器、振动传感器和扭矩传感器,以采集各种齿轮测试的相应数据。控制器数据采集系统齿轮动力学试验机软件1.主电机2.双膜片弹性联轴器3.扭矩传感器1.电机2.扭矩传感器3.主轴4角度编码器读数头4.X方向导轨锁5.磁粉制动器6.直线光栅5.噪声传感器6.振动传感器7.角度编码器8.加载器7.Y方向手轮8.Y方向导轨锁9.X方向手轮图1齿轮动力学试验机工作原理图2齿轮动力学试验机机械结构该试验机采用不同参数的齿轮进行试验或测该齿轮试验机要求主、被动轴保持高度一致。量。试验机设计有调整机构,由X方向的丝杠调节为了在装配时方便调试,主动端箱体和被动端箱体齿宽,Y方向丝杠调节中心距,在进行齿轮试验时对下都设计有铸造的垫层如果装配时发现主、被动轴中心距要求较高,为了更加准确地调整中心距,在Y高度相差超过预期范围,可以对主动端箱体和被动方向安装有长光栅实时反馈中心距。试验机的运动端箱体下的垫层进行磨削,将两轴调整到同一高度。系统和信号采集系统通过工控机控制,角度编码器主动端与负载端通过THK的高精密导轨连接,以保采集得到的信号经细分器细分后进入采集卡,扭矩证在进行齿宽和中心距方向调节时设备的精度。主传感器噪声传感器与角度编码器同步采样,采样信动部分由X方向丝杠带动调节齿宽方向,负载部分号由工控机发出。由Y方向丝杠带动调节中心距方向,Y方向安装有长光栅,中心距数值由长光栅实时反馈,X方向和Y3机械系统设计方向都设计有机械限位,以防止调节时失误所带来齿轮动力学试验机设计指标有:测量5级及以的试验机损伤下精度的圆柱直齿轮和圆柱斜齿轮,中心距方向调3.1轴系设计节距离为360mm,齿宽方向调节距离为100mm,最齿轮试验机主轴采用主轴单元的设计形式,在大设计转速为200ymin,最大加载扭矩为300Nm,主轴单元中集成了光、电多种传感器并在仪器外完最大允许滑差功率为5kW,主轴旋转时的圆跳动成装配调试。这种设计方式极大减少了装配调试时2μm。齿轮动力学试验机由基座部分、主动端和负的难度,保证了试验机维护的便捷性。载端三大部分组成,其机械结构如图2所示。齿轮试验机对轴系旋转精度要求较高,通常高为一体共同调节;负载部分同样将磁粉制动器、扭矩机轴系时采用IBC的高精密角接触球轴承,轴系设传感器和主轴单元集成在负载端箱体上,使得负载计见图3。为了增加轴系的支撑刚度,轴系采用四工具技术个角接触球轴承,轴承背对背安装,轴承末端用表1。高精密锁紧螺母并紧,主轴中心位置有莫氏5号锥从表中可以看出,整机的一阶固有频率为孔,安装时可以插入标准检棒检测轴系回转精度。188Hz,且一阶振形主要在Y方向上。在进行齿轮主轴前集成有角度编码器,角度编码器采用双读数传动误差试验时,设计的最大转速为20/min,所试头,双读数头结构在数据处理时可以消除安装的偏验的齿轮齿数在100以内。根据齿轮啮频率公式心误差,齿轮啮合时的振动通过轴系传递到轴承=n可以得到齿轮传动误差试验的最大频率为再到箱体,但在传递过程中信号会有能量损耗,为了fm=33.3,这个频率远远低于试验机的一阶固有频充分感受齿轮啮合时的振动,该试验机在主轴前端率188Hz。当进行齿轮传动误差试验时不会引起试还集成了振动传感器。验机机械结构的共振,为测量数据的准确性提供了良好的刚度支撑。表1前三阶固有频率项目名称阶固有频率二阶固有频率三阶固有频率(Hz)(Hz)整机l88216.22主动部分200.74287.01319.77在前三阶固有频率中一阶固有频率对机械结构影响最大。图4a是整机在一阶固有频率下的变形图4b是主动端在一阶固有频率下的变形,图4c是负载端在一阶固有频率下的变形。从图中可以看1.连接法兰2.精密轴承3.主轴出,齿轮试验机主要变形在电机和磁粉制动器的尾5.振动传感器6.被试齿轮7.齿轮芯拙部,齿轮相对变形较小,说明试验机结构能够对齿轮器读数头系箱体10.精密锁紧螺母实验提供良好的刚性。图3轴系设计为了使试验机能够适应不同参数齿轮的试验4测控系统组成在设计齿轮夹具机械结构将主轴和齿轮装夹装置分齿轮动力学试验机的测控系统如图5所示,主开齿轮芯轴与主轴之间采用标准短锥进行连接,标要由运动控制系统信号采集系统和数据处理软件准短锥的设计可以保证良好的互换性和回转精度,组成。运动控制系统包括电机控制和磁粉制动器控增加试验齿轮的参数范围。齿轮芯轴和齿轮间通过ANSYS涨套连接,涨套具有定心精度高、传递扭矩大、更换齿轮时操作方便等优点。3.2机械结构模态分析模态分析分为解析式模态分析和实验模态分析两种。解析式模态分析需要先了解结构几何形状、边界条件和材料特性,并把结构质量分析、刚度分布和阻尼分布分别用质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵表示出来,这样就可以通过理论分析来确定系统的(a)整机在一阶固有频率下的变形模态参数(固有频率、阻尼系数、模态振形),这些模ANSYS态参数完全可以描绘系统的动力学特性51为分析试验机结构的刚性,分别对试验机整体结构、主动部分结构和负载部分结构进行模态分析。在 Solid Works中完成这三部分的三维建模,将装配中国煤化工体保存为(.x_t)文件并导人到 ANsYS WorkbenchICNMHG中,使用 Modal模块对三个装配体进行网格划分以及固有频率和震形求解,得到的前三阶固有频率见(b)主动端一阶固有频率下的变形2016年第50卷N0.3ANSYSINCEJ and AS], 2011: 476-487[3]石照耀,费业泰,谢华锟齿轮测量技术100年—回顾与展望[J].中国工程科学,2003,5(9):13-17[4]石照耀,曲宏芬,张万年,小模数齿轮单面啮合测量仪的设计[J].北京工业大学学报,2011,37(4):481-486[5]石照耀,鹿晓宁,陈昌鹤.面齿轮单面啮合测量仪的研制[J].仪器仪表学报,2013,34(12):2715-2721.[6]石照耀,唐为军齿轮整体误差测量系统的重构[J].机械传动,2007,31(1):1-4(c)负载端一阶固有率下的变形图4机械结构模态分析[7]涂磊.齿轮传动综合试验台测试系统研究[D].重庆:重制,电机控制采用PIC,磁粉制动器控制采用厂家自庆大学机械工程学院,2011:1-8带的程控电源其中PLC和程控电源都可以和上位[8]朱财龙李旗号杨丽英等驱动桥总成疲劳寿命试验台架的研制[J].组合机床与自动化加工技术,2009,11机进行通讯,电机和磁粉制动器也可以通过软件控制;光栅型号、扭矩传感器信号和振动传感器信号通[9]王成,魏子尧.齿轮传动效率测定试验装置的研究进展过信号采集卡进入工控机中,通过软件进行数据[J].制造技术与机床,2013,11:45-50处理。[10]朱孝录齿轮的试验技术与设备[M].北京:机械工业出版社,1988:1-17[11]SMITH J D. 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Experimen汽车是伊朗仅之外的笛一大产业,占伊朗GDPtal and numerical study on a two- wheel main landing gear的10%。该备中国煤化工会近期访问德国noise.40 International Congress and Exposition on Noise巴伐利亚州CNMHGControl Engineering 2011, INTER-NOISE 2011, Septem-r 4, 2011-September 7, 2011, Osaka, Japan, 2011