一種正交軸齒輪試驗臺及高速齒輪傳動性能測試評價方法

本發明涉及齒輪傳動，特別涉及一種正交軸齒輪試驗臺及高速齒輪傳動性能測試評價方法。

背景技術：

1、齒輪傳動是機械領域中最常見的動力和運動傳遞裝置之一，具有傳動效率高、精度高、載荷能力強以及傳動比可調等優點，并且被廣泛應用于需要傳遞大扭矩的高轉速、重載機械設備中。對于正交軸齒輪傳動而言，特別是在高速運行下，可能會引發齒輪的振動、噪聲和磨損等問題，因此進行齒輪傳動在高轉速下的性能測試和評價是確保其可靠運行和提高傳動效率的關鍵，并且可以優化傳動系統的性能，確保正交軸齒輪傳動的可靠運行，并最大程度地提高其傳動效率。

2、通過檢索發現，目前公開的齒輪傳動性能測試試驗臺均不具備正交齒輪副在高轉速下的傳動性能測試與評價能力。例如：公開號cn117451349a公開了《一種可變中心距的分體式齒輪試驗臺及非線性振動測試方法》，該試驗臺適用于分析平行軸齒輪齒側間隙導致的嚙合沖擊現象以及平行軸齒輪箱的非線性動力學特性分析。公開號cn111562106a公開了《一種基于cfrp傳動軸的可控變載齒輪試驗臺》，該試驗臺適用于平行軸齒輪箱在重載高速條件下的試驗。公開號cn109520730a公開了《功率封閉型小夾角相交軸齒輪試驗臺》，該試驗臺可對轉速為500~3000r/min的小夾角相交軸齒輪進行接觸斑點、傳動誤差、傳動效率以及振動的測試，也可用于研究軸交角誤差、安裝距誤差對變厚齒輪的嚙合性能的影響。

3、綜上所述，目前暫未發現能夠進行高速狀態下(轉速≥8000r/min)的正交軸齒輪傳動性能測試評價的試驗臺。

技術實現思路

1、為了解決上述問題，本發明提供了一種正交軸齒輪試驗臺及高速齒輪傳動性能測試評價方法。

2、本發明的目的之一在于提供一種正交軸齒輪試驗臺，以實時分析正交軸齒輪副在高速嚙合過程中可能存在的齒輪軸陀螺效應、壓桿效應、輪齒脫嚙、輪齒沖擊、齒輪摩擦磨損、噪聲等問題，并且可驗證齒面形貌精度、齒輪齒廓、齒形誤差、齒側間隙、齒距偏差、齒輪修形等對正交軸齒輪傳動的影響，從而為高速狀態下的正交軸齒輪副的傳動設計和優化提供有效的試驗依據。

3、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

4、一種正交軸齒輪試驗臺，包括支撐調平部件、試驗臺箱體部件、驅動部件以及數據采集部件，所述試驗臺箱體部件固定于所述支撐調平部件的上端，所述驅動部件設置于所述試驗臺箱體部件內；

5、所述驅動部件包括支撐組件、主動軸驅動組件、從動軸驅動組件和轎廂組件；

6、所述支撐組件包括設備安裝板和支撐基座，所述設備安裝板固定于所述試驗臺箱體部件內，所述支撐基座固定于所述設備安裝板上；

7、所述主動軸驅動組件包括主動軸高速伺服電機、主動軸高速聯軸器、主動軸扭矩傳感器、主動軸高速過孔滑環、主動軸軸承杯、主動軸、齒輪鎖緊螺母和主動軸高速軸承，所述主動軸高速伺服電機和主動軸扭矩傳感器均固定于所述支撐基座的上端；所述主動軸高速伺服電機與所述主動軸扭矩傳感器之間以及所述主動軸扭矩傳感器與所述主動軸之間分別通過一個所述主動軸高速聯軸器同軸連接；所述主動軸高速過孔滑環與所述主動軸同軸連接，在所述主動軸未連接主動軸高速聯軸器的一端設置所述齒輪鎖緊螺母，所述主動軸高速軸承具有外圈和內圈，其中外圈與所述主動軸軸承杯過盈配合，內圈與所述主動軸過盈配合；

8、所述從動軸驅動組件包括從動軸伺服電機、從動軸聯軸器、從動軸扭矩傳感器、從動軸過孔滑環、擋油板、從動軸軸承杯、從動軸軸承、從動軸、橫向滑臺、橫向滑塊、橫向導軌、橫向滾珠絲杠模組、縱向滾珠絲杠模組、縱向滑臺、縱向滑塊和縱向導軌；所述從動軸伺服電機和從動軸扭矩傳感器均與所述橫向滑臺固接，所述從動軸伺服電機與所述從動軸扭矩傳感器之間以及所述從動軸扭矩傳感器與所述從動軸之間分別通過一個所述從動軸聯軸器同軸連接，所述從動軸過孔滑環與所述從動軸同軸連接；所述擋油板與所述橫向滑臺固接；所述從動軸軸承杯固定于所述擋油板的內側；所述從動軸軸承的外圈與所述從動軸軸承杯過盈配合，所述從動軸軸承的內圈與所述從動軸過盈配合；所述橫向導軌固定于所述縱向滑臺上，所述橫向滑塊活動安裝于所述橫向導軌上，所述橫向滑臺固定于所述橫向滑塊的上端，所述橫向滾珠絲杠模組設置于所述縱向滑臺上，所述橫向滾珠絲杠模組與所述橫向滑臺連接，以驅動所述橫向滑臺配合所述橫向滑塊在所述橫向導軌上水平移動，所述縱向滑臺固定于所述縱向滑塊的上端，所述縱向導軌固定于所述設備安裝板的上端，所述縱向滾珠絲杠模組固定于所述設備安裝板的上端，所述縱向滑塊活動安裝于所述縱向導軌上，所述縱向滾珠絲杠模組與所述縱向滑臺連接，以驅動所述縱向滑臺配合所述縱向滑塊在所述縱向導軌上水平移動；

9、所述的轎廂組件包括主動輪、從動輪、油箱、轎廂板和風琴罩，所述的主動輪和從動輪分別安裝于所述主動軸和所述從動軸上，所述主動輪與所述從動輪嚙合并形成齒輪副，所述油箱安裝于所述齒輪副的下側，并與所述設備安裝板固定連接；所述轎廂板固定安裝于所述設備安裝板上；所述風琴罩固連于所述擋油板和轎廂板上；

10、所述數據采集部件包括絕緣層、溫度傳感器、三向加速度傳感器、電輸出導線、電導線、電流表以及毫伏表，所述絕緣層設置于所述主動輪的輪齒上，所述溫度傳感器設置于所述主動輪和所述從動輪的前后端面上，所述三向加速度傳感器設置為兩個，分別布設于所述主動軸和所述從動軸的前端面處，所述電輸出導線的一端與所述主動輪連接，所述電輸出導線的另一端依次穿過所述主動軸高速過孔滑環、所述從動軸過孔滑環與所述從動輪連接，形成第一回路，所述第一回路上設置有所述毫伏表，所述電導線的另一端依次穿過所述主動軸高速過孔滑環、所述從動軸過孔滑環與所述從動輪連接，形成第二回路，所述第二回路上設置有所述電流表。

11、作為優選，所述數據采集部件還包括溫度傳感器導線和溫度檢測設備，所述溫度傳感器導線的一端與所述溫度傳感器連接，另一端穿過所述主動軸高速過孔滑環或從動軸過孔滑環連接所述溫度檢測設備，所述溫度傳感器設置為多個，多個溫度傳感器環形陣列布設于所述主動輪和所述從動輪的前后端面上。

12、作為優選，所述數據采集部件還包括兩個噴油嘴，所述兩個噴油嘴均固定于所述轎廂板上，兩個噴油嘴的出油口分別對應于所述齒輪副的嚙入端和嚙出端。

13、作為優選，所述支撐調平部件包括試驗臺底座、試驗臺支撐架和試驗臺支撐地腳，所述試驗臺底座與所述試驗臺支撐架固定連接，所述試驗臺支撐地腳與所述試驗臺支撐架的下端固定連接，用于調平所述試驗臺箱體部件。

14、作為優選，所述試驗臺箱體部件包括從動裝置檢修柜、轎廂滑動門組件、主動軸驅動電機檢修柜、電控柜、油箱柜、十字滑臺驅動電機檢修柜和設備存放柜，其中所述從動裝置檢修柜、主動軸驅動電機檢修柜、電控柜、油箱柜以及十字滑臺驅動電機檢修柜均與所述設備存放柜相連通，所述設備存放柜上設置有排風口，所述轎廂滑動門組件設置于所述設備存放柜未設置有柜門的一面；

15、所述轎廂滑動門組件包括滑動門、滑塊、導軌和固定架，所述的滑塊設置為多個且通過螺栓固定在所述滑動門的上下兩側，所述滑塊活動設置于所述導軌上，所述導軌固定于所述固定架上；所述固定架固定于所述設備存放柜的外側面上，所述滑動門用于開閉所述設備存放柜上設置的開口。

16、本發明的目的之二在于根據如上提供的正交軸齒輪試驗臺，來實現齒輪軸陀螺效應和壓桿效應的測量分析。

17、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

18、一種高速齒輪傳動性能測試評價方法，基于如上所述的正交軸齒輪試驗臺，所述方法包括：

19、根據所述三向加速度傳感器所采集到的齒輪軸在不同轉速下的三向加速度信號，通過如下公式將所述三向加速度信號轉化為位移信號：

20、；

21、式中， a( t)為加速度函數； f( t)為測量函數；為測量誤差； v( t)為速度函數；為一次積分誤差； ?為二次積分誤差； t為時間； s( t)為位移函數；

22、根據所述位移信號得到齒輪副在設定轉速下的陀螺效應和壓桿效應。

23、本發明的目的之三在于根據如上提供的正交軸齒輪試驗臺，來實現齒輪副攪油特性分析。

24、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

25、一種高速齒輪傳動性能測試評價方法，基于如上所述的正交軸齒輪試驗臺，所述方法包括：

26、令主動輪的轉速從0逐漸上升到第一轉速，利用噴油嘴對主動輪進行雙側噴油潤滑，通過油霧濃度檢測設備分析潤滑油的第一油霧濃度變化情況；

27、令從動輪的轉速從0逐漸上升到第二轉速，利用噴油嘴對主動輪進行雙側噴油潤滑，通過油霧濃度檢測設備分析潤滑油的第二油霧濃度變化情況，所述第二轉速小于所述第一轉速；

28、在齒輪副嚙合時，令主動輪的轉速從0逐漸上升到第一轉速，分別利用噴油嘴在齒輪嚙入端進行單側噴油潤滑、在齒輪嚙出端進行單側噴油潤滑以及同時在齒輪嚙入端和齒輪嚙出端進行雙側噴油潤滑，并分別采用油霧濃度檢測設備分析在齒輪嚙入端進行單側噴油潤滑、在齒輪嚙出端進行單側噴油潤滑以及同時在齒輪嚙入端和齒輪嚙出端進行雙側噴油潤滑的情況下的油霧濃度變化情況。

29、本發明的目的之四在于根據如上提供的正交軸齒輪試驗臺，來實現齒輪副接觸性質分析。

30、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

31、一種高速齒輪傳動性能測試評價方法，基于如上所述的正交軸齒輪試驗臺，所述方法包括：

32、在齒輪副中施加一個穩定的電流，通過如下公式計算金屬接觸電阻：

33、；

34、式中，為金屬接觸電阻；為毫伏表所測電壓值；為電流表所測電流值；

35、將計算出的金屬接觸電阻代入如下公式以確定接觸區域的等效半徑：

36、；

37、式中，為材料的電阻率；為膜面電阻率； n為接觸點個數； a p為接觸區域的等效半徑；

38、根據接觸區域的等效半徑確定齒輪副在嚙合時的接觸面積，根據所述接觸面積確定齒輪副的接觸性質。

39、本發明的目的之五在于根據如上提供的正交軸齒輪試驗臺，來實現齒輪副接觸溫度測量分析。

40、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

41、一種高速齒輪傳動性能測試評價方法，基于如上所述的正交軸齒輪試驗臺，所述方法包括：

42、通過如下公式計算接觸區域的溫度：

43、；

44、式中，為毫伏表測量得到的電壓值， t1為兩齒面接觸區域溫度， t2為主動輪引出點溫度， t3為從動輪引出點溫度， t4為室溫， sbd和 scd分別為導線的熱電動勢系數， sz和 sc分別為主動輪和從動輪的熱電動勢系數， t為溫度變量。

45、本發明至少具有以下有益效果：

46、本發明能夠應用于高速重載工況下齒輪傳動的相關試驗驗證，依據振動理論、正交試驗法、金屬接觸電阻性質和seebeck熱電效應原理，可驗證正交軸齒輪副在高轉速、大負載下的傳動性能。