一种用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱及其试验方法与流程

1.本发明涉及的是一种试验装置，具体地说是齿轮箱试验装置及方法。


背景技术：

2.与传统的平行轴齿轮传动相比，人字星型齿轮传动系统具有结构紧凑、传动比大、效率高、承载能力强等优点，被广泛应用于汽车、船舶、航空、冶金等领域。但齿轮箱零部件的加工过程中不可避免地会引入了各种误差，这些误差作用到人字星型齿轮箱的复杂的结构上，会加剧系统的振动噪声，引起各行星轮载荷的分配不均，严重的还会导致部分构件的过载和破坏，影响整个机械系统的安全性和可靠性。因此，测试不同加工误差下星型齿轮箱的响应特征及工作表现，对星型齿轮箱性能的评估和提高具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供可实现对齿距误差、齿廓误差、螺旋线误差、齿轮质量不平衡及行星架的销轴倾斜误差、位置误差等误差激励下系统性能的测试，同时在多个关键部位装配扭矩、加速度、应变片等传感器进行实时测量，以实现对星型齿轮箱内外运行状态的监测，通过分别换装不同加工误差的试验件，测试获得星型齿轮箱在各加工误差下的性能特征的一种用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱及其试验方法。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.本发明一种用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱，其特征是：包括齿轮箱本体、箱体振动测试模块、齿根应力测试模块、齿面接触测试模块，所述箱体振动测试模块包括加速度传感器，齿轮箱本体的输入端、输出端的轴承位置安装加速度传感器，齿轮箱本体里的行星架与齿轮箱本体连接的凸缘位置安装加速度传感器，齿轮箱本体的基座位置安装加速度传感器；所述齿根应力测试模块包括应变片、遥测，齿轮箱本体里的齿轮的齿根位置安装应变片，应变片通过导线连接遥测；所述齿面接触测试模块包括齿轮箱本体里的太阳轮和行星轮，太阳轮和行星轮的齿面上刷涂红丹粉及兰油。
6.本发明一种用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱还可以包括：
7.1、所述应变片均匀的沿齿宽和齿轮一周分布，且人字齿轮两侧的应变片对称。
8.本发明一种用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱试验方法，其特征是：
9.(1)将齿轮箱本体的输入轴、输出轴、与行星架固连的凸缘及基座打磨平整，粘贴加速度传感器，并连接动态信号采集仪；
10.(2)在各行星轮沿齿宽及周向的齿根部位粘贴应变片，且人字齿轮两侧的应变片对称粘贴，通过轴心引出导线与遥测连接，并将遥测固定在轴端与轴一起旋转；在各个齿轮的齿面上刷涂红丹粉及兰油；
11.(3)单独启动三相异步电机并设定转速，直至输入转速达到设定转速；启动磁粉制
动器，通过斜坡加载逐渐提升直至末端负载达到预期扭矩；降低粉制动器的负载后关闭电机；
12.(4)先后换装相应误差的齿轮，开机测试并记录试验数据，针对这两种误差，在对箱体振动做频谱分析后，频谱图中在啮合频率的两侧会存在距离为转频的边频带，进而观测各齿面接触印痕面积，对于齿轮质量不平衡，会使轮齿印痕面积表现为平缓的变化；而对于齿距误差，则会存在轮齿印痕面积过大或过小的变化；
13.(5)先后换装相应误差的齿轮，开机测试并记录试验数据，含有这两种齿面误差会使得箱体振动的频谱图中啮合频率对应的幅值大于误差相对较小时的幅值，进而观测齿面接触印痕的分布，对于齿面误差较小，精度较高的齿轮，其齿面接触印痕为集中的分布于齿面的中间，对于齿面误差较大的齿轮，其接触印痕会愈发偏离中心且集中在齿面局部；
14.(6)先后换装相应误差的齿轮，开机测试并记录试验数据，这两种误差反映在各分路的受载情况上，提取并汇总各个人字齿轮左右两侧的齿根应力，比较人字齿轮左右两侧应力的差距来反映行星架销轴倾斜误差的大小；销轴位置误差由各级传动环节中载荷的分布特性来反映，则采用均载系数进行表征：
[0015][0016]
式中，n为行星轮的个数。
[0017]
本发明的优势在于：星型齿轮传动系统作为一个复杂机械弹性系统，受到各种内外部激励的共同作用，会表现出非常复杂的非线性耦合振动特性，单一的测量难以反映主要误差激励的来源，故设计了可以同时测量多种加工误差对系统性能影响的试验星型齿轮，并阐述了其工作方法。
[0018]
相比于以往单纯测量箱体振动的试验齿轮箱，本发明同时展开三方面的综合测量，除了箱体振动外，还有对齿轮的齿根应力和齿面的接触状态的测量，可以进一步的分析系统的均载特性及齿面的偏载特性，由此可以评估更多种类加工误差对系统的影响。
[0019]
结合箱体振动、齿根应力和齿面接触三方面的测量结果，综合分析系统的振动特性、均载特性以及各齿轮的啮合特性，可以多误差耦合作用时更加准确地分析出对星型齿轮箱性能影响最为主要的加工误差。
[0020]
通过本试验齿轮箱，可以探究不同加工误差对星型齿轮箱性能的影响机制，对星型齿轮传动系统的理论研究和工程应用具有重要意义，并对星型齿轮箱工作性能的评估和提高提供帮助。
附图说明
[0021]
图1为本发明的结构示意图；
[0022]
图2为星型齿轮箱的结构示意图；
[0023]
图3为箱体振动测试模块示意图；
[0024]
图4为齿根应力测试模块示意图；
[0025]
图5为齿面接触印痕的分析图。
[0026]
图中，1—试验箱单元；2—驱动单元；3—负载单元；4—测试单元；11—齿轮箱体；12—输入轴；13a—太阳轮；13b—行星轮；14—行星架；15—销轴；16—太阳轮；17—输出轴；41a—加速度传感器；41b—动态信号采集系统；42a—应变片；42b—遥测，43—上位机。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0028]
结合图1-5，本发明提供的用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱，包括箱体振动测试模块、齿根应力测试模块、齿面印痕测试模块组成。
[0029]
本发明用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱，包括三相异步电机，粉制动器，试验箱单元，输入端扭矩传感器，输出端扭矩传感器，法兰联轴器和平台基座。三相异步电机通过法兰联轴器与输入端扭矩传感器连接；输入端扭矩传感器通过法兰联轴器与试验箱单元的输入轴连接；试验箱单元的输出轴通过法兰联轴器连接与输出端扭矩传感器连接；输出端扭矩传感器通过法兰联轴器与磁粉制动器连接；三相异步电机、试验箱单元和磁粉制动器通过地脚螺栓与平台基座连接。
[0030]
本发明用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱，箱体振动测试模块41：由加速度传感器41a，动态信号采集系统41b和上位机43组成。在箱体的输入端和输出端的轴承位置、行星架与箱体固连的箱体凸缘位置，以及齿轮箱体31的机座位置分别布置加速度传感器，通过动态信号采集系统41b实时接收振动信号后显示在上位机43上，并由上位机43中对振动信号做后处理分析。
[0031]
本发明用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱，齿根应力测试模块42：由应变片42a、遥测42b和上位机43组成。在各个人字齿轮的齿根位置布置应变片42a，应变片42a具体的分布形式如图4所示，将各应变片42a均匀的沿齿宽和齿轮一周分布，人字齿轮左右侧的每个轮齿上各粘贴一个应变片42a，且人字齿轮两侧的应变片43a对称粘贴，粘贴好的应变片42a与导线连接，并将导线通过中空的齿轮轴引出齿轮箱体31，然后与遥测42b连接，试验运行结束后将遥测42b的数据导入上位机43进行分析。
[0032]
本发明用于测试加工误差对性能影响的试验星型齿轮箱，齿面接触测试模块33：由太阳轮33a和若干行星轮33b组成。在太阳轮33a和各个行星轮33b的齿面上刷涂红丹粉及兰油，试验运行结束后观察各齿轮齿面的接触印痕特征如图5，分析相应的接触精度及齿轮加工精度。
[0033]
本发明用于试验加工误差对星型齿轮箱性能影响的测试方法，具体实施步骤如下：
[0034]
步骤一：布置箱体的测试元件。将齿轮箱箱体的输入轴、输出轴、与行星架固连的凸缘及基座等位置打磨平整，并粘贴加速度传感器，具体的加速度传感器粘贴位置如图3，各加速度传感器连接至动态信号采集仪；
[0035]
步骤二：布置齿轮的测试元件。在各行星轮沿齿宽及周向的齿根部位粘贴应变片，且人字齿轮两侧的应变片对称粘贴，具体的应变片粘贴位置如图4，通过轴心引出导线与遥测连接，并将遥测固定在轴端与轴一起旋转；其次在各个齿轮的齿面上刷涂红丹粉及兰油，完成好后安装好齿轮箱的箱体。
[0036]
步骤三：测试试验的启停和运行：首先单独启动三相异步电机，通过变频器设定好
转速，粉制动器此时无负载，观测输入端扭矩传感器测得的转速，直至输入转速达到设定转速并且系统稳定运行；启动粉制动器，通过斜坡加载逐渐提升粉制动器的负载，观测输出端扭矩传感器测得的负载，直至末端负载达到预期扭矩并且系统稳定运行；最后逐渐降低粉制动器的负载至0，再关闭三相异步电机。
[0037]
步骤四：换装误差试验件—齿距误差、齿轮质量不平衡：先后换装含有齿距误差和齿轮质量不平衡的太阳轮33a或行星轮33b，开机测试，通过上位机43实测各个加速度传感器的输出信号，遥测42b提取应力数据。由于这两种误差均与齿轮的转动频率相关，在对箱体振动信号做频谱分析后，频谱图中在啮合频率的两侧会存在距离为转频的边频带，在此基础上进一步观测各齿面接触印痕面积的变化，根据两种误差对齿轮啮合时不同的激励特征，对于齿轮质量不平衡，会使轮齿印痕面积表现为平缓的变化；而对于齿距误差，则会存在少数轮齿印痕面积过大或过小的变化。
[0038]
步骤五：换装误差试验件—齿廓误差、螺旋线误差：先后换装含有齿廓误差和螺旋线误差的太阳轮33a或行星轮33b，开机测试，通过上位机43实测各个加速度传感器的输出信号，遥测42b提取应力数据。由于这两种误差属于齿轮轮齿上产生的齿面误差，在对箱体振动信号做频谱分析后，含有这两种齿面误差会使得频谱图中的啮合频率对应的幅值大于误差相对较小时的幅值，进一步的观测齿轮表面接触印痕的分布位置，对于齿面加工误差较小，精度较高的齿轮，其齿面接触印痕一般表现为图5中的状态，接触印痕较为集中的分布于齿面的中间位置，而对于齿廓误差和螺旋线误差较大的齿轮，其接触印痕会愈发的偏离中心且集中在齿面局部。
[0039]
步骤六：换装误差试验件—销轴倾斜误差、位置误差：先后换装含有销轴倾斜误差和位置误差的太阳轮33a或行星轮33b，开机测试，通过上位机43实测各个加速度传感器的输出信号，遥测42b提取应力数据。这两种误差主要是对行星轮及系统载荷分流产生影响，故主要反映在各分路的受载情况上。提取并汇总各个人字齿轮左右两侧的齿根应力，通过比较人字齿轮左右两侧应力的差距来反映行星架销轴倾斜误差的大小；而销轴位置误差主要由各级传动环节中载荷的分布特性来反映，并采用均载系数进行表征，其定义为某时刻下各行星轮应力与平均应力的比值：
[0040][0041]
式中，n为行星轮的个数。若某一路啮合副的均载系数越小，则表明存在较大的正位置误差，即中心距大于其他啮合副，而当其均载系数越大时，则表明存在较大的负位置误差，即中心距小于其他啮合副。