一种齿轮传动系统内外部激励同步分离的装置及方法

摘要

一种齿轮传动系统内外部激励同步分离的装置，包括驱动电机、输入轴、输出轴、传动齿轮箱组件、扭矩测试组件、电薄膜传感器、导电滑环和可编程磁力制动器；所述传动齿轮箱组件包括一级传动齿轮副、二级传动齿轮副、中间传动轴、支撑轴承和箱体；所述扭矩测试组件分别安装在驱动电机和二级传动齿轮箱组件之间，以及二级传动齿轮箱组件和可编程磁力制动器之间；所述压电薄膜传感器安装在传动齿轮副从动轮连接平键的承压面侧；所述导电滑环安装在中间传动轴中间位置，与刷臂连接。本发明所需传感器数量少，可精确获取齿轮传动系统内部激励和外部激励，解决了内部激励难以通过直接测试获得的问题。

说明书

技术领域

本发明属于机械传动领域，尤其涉及一种齿轮传动系统内外部激励同步分离的装置，还涉及一种一种齿轮传动系统内外部激励同步分离的方法。

背景技术

齿轮传动系统的动态激励包括内部激励和外部激励两类。齿轮传动系统内部激励包括时变刚度激励、传递误差激励和啮合冲击激励，由于其复杂性和特殊性，是齿轮传动系统动力学研究的重点。齿轮传动系统外部激励主要包括原动机驱动力矩和负载扭矩等，在不同外部激励影响下，内部激励特性的变化规律是齿轮传动系统动力学研究的另一重要方向。

系统输入激励的确定，是进行系统动力学分析的先决条件，也是正确计算系统振动和噪声的关键问题之一。研究齿轮传动系统运转过程中内外部动态激励，确定动态激励的类型和性质，是研究齿轮传动系统振动和噪声的首要问题。

目前，齿轮传动系统的内外激励主要通过数值法和有限元法合成。李润芳等研究了齿轮内部激励的合成方法，用齿轮三维接触有限元方法合成时变啮合刚度，用齿轮三维冲击-动力接触有限元混合法合成啮合冲击激励，用简谐函数数值方法合成传递误差激励(李润方,陶泽光,林腾蛟,唐倩.齿轮啮合内部动态激励数值模拟[J].机械传动,2001,25(2):1-3.)。陈会涛等对随机内外部激励对齿轮传动系统动态特性开展了深入研究(陈会涛,吴晓铃,秦大同,杨军.随机内外激励对齿轮传动系统动态特性的影响分析[J].中国机械工程,2013,24(4):533-537.)，陆波等用子结构法对某大型大功率船用齿轮箱的非线性动态特性和噪声进行了分析(陆波,朱才朝,宋朝省,王海霞.大功率船用齿轮箱祸合非线性动态特性分析及噪声预估[J].振动与冲击,2009,32(4):76-80)，两个团队均通过数值方法合成齿轮传动系统的内部激励和外部激励。

李应刚等用数值方法研究了外部激励作用下齿轮传动系统的非线性动力学特性，重点研究了外部激励作用下时变啮合刚度和齿侧间隙等内部激励对齿轮副动力学特性的影响(李应刚,陈天宁,王小鹏,于坤鹏,周汉,张哲.外部动态激励作用下齿轮传动系统非线性动力学特性[J].西安交通大学学报,2014,48(1):101-105.)。常乐浩用有限元方法系统性地研究了不同内部激励对系统动态响应的影响规律，同时研究了负载扭矩对动态激励和系统响应的影响(常乐浩.平行轴齿轮传动系统动力学通用建模方法与动态激励影响规律研究[D].博士学位论文,西安:西北工业大学,2014.)。

针对齿轮传动系统激励及其动力学特性实验研究。典型的实验装置和验证方法为李玩幽教授等发明的一种载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法，该发明提供了外部载荷对对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法(李玩幽,于妹雯,李晓茜,郭听,韩霄.载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法[P].中国专利：104006966,2014.08.27)。张靖搭建了车用变速箱测试试验台，对各档齿轮的传递误差和动态特性进行了实验研究，并验证了从传递误差激励入手减小振动噪声的有效性(张靖.不同因素激励下齿轮传动动力学仿真及实验研究[D].博士学位论文,重庆:重庆大学,2012.)。

综上所述，针对齿轮传动系统内外部激励方面的研究主要存在以下两个问题：一是理论方面的研究主要集中在内部激励的合成和外部激励的合成，且均停留在仿真层面上；二是实验方面的研究均是直接分析不同激励下的齿轮传动系统的振动响应特性，没有涉及齿轮传动系统内外部激励同步分离方面的研究，也没有涉及齿轮传动系统外部激励对内部激励影响方面的实验研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确获取齿轮传动系统中内、外部激励的齿轮传动系统内外部激励同步分离的装置。本发明的目的还在于提供一种利用该实验装置进行齿轮传动系统内外部激励同步分离的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种齿轮传动系统内外部激励同步分离的装置，包括驱动电机、输入轴、输出轴、二级传动齿轮箱组件、第一扭矩测试组件、第二扭矩测试组件、第一压电薄膜传感器、第二压电薄膜传感器、导电滑环和可编程磁力制动器。

所述二级传动齿轮箱组件包括一级传动齿轮副、二级传动齿轮副、中间传动轴、支撑轴承和箱体。一级传动齿轮副的主动轮安装在输入轴上，一级传动齿轮副的从动轮通过平键安装在中间传动轴的输入侧，二级传动齿轮副的主动轮通过平键安装在中间传动轴的输出侧，二级传动齿轮副的从动轮安装在输出轴上。

所述第一扭矩测试组件安装在驱动电机和二级传动齿轮箱组件之间，所述第二扭矩测试组件安装在二级传动齿轮箱组件和可编程磁力制动器之间，每个扭矩测试组件包括一个扭矩传感器和扭矩传感器两侧的两个联轴器。

所述第一压电薄膜传感器安装在一级传动齿轮副从动轮连接平键的承压面侧，所述第二压电薄膜传感器安装在二级传动齿轮副主动轮连接平键的承压面侧。所述导电滑环安装在中间传动轴中间位置，与刷臂连接。

一种利用上述实验装置进行齿轮传动系统内外部激励同步分离的方法，包括如下步骤：

步骤一：启动驱动电机至设定转速工况，用可编程磁力制动器加载负载扭矩。

步骤二：待转速稳定后，第一扭矩测试组件采集二级传动齿轮箱组件的输入端外部激励T₁(t)，第二扭矩测试组件采集二级传动齿轮箱组件的输出端外部激励T₂(t)，第一压电薄膜传感器采集自身压电薄膜有效面积上的压力F₁(t)，第二压电薄膜传感器采集自身压电薄膜有效面积上的压力F₂(t)。

步骤三：利用快速傅里叶变换计算外部激励对应频率分量的幅值和相位，重组二级传动齿轮箱组件的输入端外部激励T₁(t)、二级传动齿轮箱组件的输出端外部激励T₂(t)。外部激励T₁(t)、T₂(t)重组时所用的计算式如下：

式中，T₀为静扭矩；分别为二级传动齿轮箱组件输入端外部激励第i个频率成分的幅值、频率和相位；分别为二级传动齿轮箱组件输出端外部激励第j个频率成分的幅值、频率和相位。

步骤四：计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮和二级传动齿轮副主动轮之间的等效外部激励T_s(t)，等效外部激励T_s(t)的计算公式如下：

式中，w_n0为二级齿轮传动系统的扭转固有频率；I₁、I₂分别为一级和二级传动齿轮副的当量转动惯量；K_ms为一级和二级传动齿轮副之间的中间传动轴的扭转刚度。

步骤五：计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮处的总作用扭矩T_g1(t)、二级传动齿轮副主动轮处的总作用扭矩T_p2(t)，总作用力矩T_g1(t)、T_p2(t)的计算公式如下：

式中，D为中间传动轴的直径；H为平键承压区域的宽度；L为平键承压区域的长度；h为压电薄膜有效区域的宽度；l为压电薄膜有效区域的长度。

步骤六：计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮所受到的内部激励T_mg1(t)和二级传动齿轮副主动轮所受到的内部激励T_mp2(t)，内部激励T_mg1(t)、T_mp2(t)的具体计算公式如下：

步骤七：调整可编程磁力制动器的负载扭矩，重复步骤一至步骤六，记录负载扭矩和计算得到的内部激励T_mg1(t)、T_mp2(t)，以及外部激励T₁(t)和T₂(t)；计算内部激励T_mg1(t)、T_mp2(t)的标准差和峰峰值。

进一步地，所述步骤四中二级齿轮传动系统的扭转固有频率w_n0的计算公式如下：

进一步地，所述步骤四中一级传动齿轮副的当量转动惯量I₁和二级传动齿轮副的当量转动惯量I₂的计算公式如下：

式中，I_p1、I_g1分别为一级传动齿轮副主从动轮的转动惯量；I_p2、I_g2分别为二级传动齿轮副主从动轮的转动惯量；N₁、N₂分别为一级和二级传动齿轮副的速比。

本发明的优势在于：

1、同步采集二级齿轮传动系统的外部激励和传动齿轮副处的总作用力矩，根据实时采集的这两个测试量，同步分离齿轮传动系统的内外部激励，解决了齿轮传动系统内部激励难以通过直接测试获得的问题。

2、在齿轮连接键承压面布置电压薄膜传感器采集原本不易测量的齿轮啮合力扭转分量，而且整个齿轮仅需布置一个传感器即可测到该齿轮各个轮齿所受的实时总作用力矩，最大程度上减少了所需传感器数。

3、二级齿轮传动系统输出端外部激励可控可变，便于在不同输出端外部激励条件下，研究外部激励对齿轮传动系统内部激励的影响规律，实验装置具有多功能性。

附图说明

图1为本发明所述装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述装置的详细结构示意图；

图3为中间传动轴上两个齿轮处的总作用力矩测试系统示意图；

图4为压电薄膜传感器粘贴位置及结构示意图；

图5为本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，一种齿轮传动系统内外部激励同步分离实验装置包括驱动电机1、第一扭矩测试组件2、输入轴3、二级传动齿轮箱组件4、输出轴5、第二扭矩测试组件6、可编程磁力制动器7、公共基础8、第一压电薄膜传感器24、第二压电薄膜传感器25、导电滑环26、导电滑环刷臂27和压电传感器的放电电阻28。

结合图2，所述二级传动齿轮箱组件4包括一级传动齿轮副的主动轮13、一级传动齿轮副的从动轮15、二级传动齿轮副的主动轮16、二级传动齿轮副的从动轮19、中间传动轴17、支撑轴承14和箱体12。一级传动齿轮副的主动轮13通过平键安装在输入轴3上，一级传动齿轮副的从动轮15通过平键23安装在中间传动轴17的输入侧，二级传动齿轮副的主动轮16通过平键26安装在中间传动轴17的输出侧，二级传动齿轮副的从动轮19通过平键安装在输出轴5上。

结合图1～2，所述第一扭矩测试组件2安装在驱动电机1和二级传动齿轮箱组件4之间，所述第二扭矩测试组件6安装在二级传动齿轮箱组件4和可编程磁力制动器7之间。所述第一扭矩测试组件2由第一联轴器9、第一扭矩传感器10和第二联轴器11组成，所述第二扭矩测试组件6由第三联轴器20、第二扭矩传感器21和第四联轴器22组成。

结合图3～4，所述第一压电薄膜传感器24和第二压电薄膜传感器25均为PVDF压电薄膜传感器。所述第一压电薄膜传感器24安装在一级传动齿轮副从动轮15的连接平键23的承压面侧，第二压电薄膜传感器25安装在二级传动齿轮副主动轮19的连接平键26的承压面侧。所述导电滑环18安装在中间传动轴17的中间位置，与刷臂27连接，导电滑环18通过刷臂27将旋转信号转化为静止信号，传递给放电电阻28，而后再传给数据处理器。

结合图5，一种利用上述实验装置进行齿轮传动系统内外部激励同步分离的分析方法，包括如下步骤：

步骤一：按图1～2所示意的形式，搭建齿轮传动系统内外部激励同步分离实验装置。根据图1～4所示意的形式，安装二级齿轮传动系统的内外部激励测试系统。启动驱动电机至设定转速工况，用可编程磁力制动器加载负载扭矩，稳定运行实验装置。

步骤二：在实验装置稳定运行条件下，利用第一扭矩传感器10采集二级传动齿轮箱组件的输入端外部激励T₁(t)，利用第二扭矩传感器21采集二级传动齿轮箱组件的输出端外部激励T₂(t)，利用第一压电薄膜传感器24采集自身压电薄膜有效面积上的压力F₁(t)，利用第二压电薄膜传感器25采集自身压电薄膜有效面积上的压力F₂(t)。压力F₁(t)、F₂(t)根据PVDF压电传感器配套的放电电阻的两端电压，经时间积分得到。

步骤三：将步骤二中采集获得的二级传动齿轮箱组件输入端外部激励T₁(t)和二级传动齿轮箱组件输出端外部激励T₂(t)，进行快速傅里叶变换求外部激励每个频率分量的幅值和相位，然后重组二级传动齿轮箱组件的输入端外部激励T₁(t)、二级传动齿轮箱组件的输出端外部激励T₂(t)。外部激励T₁(t)、T₂(t)重组时所用的计算式如下：

式中，T₀为静扭矩；分别为二级传动齿轮箱组件输入端外部激励第i个频率成分的幅值、频率和相位；分别为二级传动齿轮箱组件输出端外部激励第j个频率成分的幅值、频率和相位。

步骤四：计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮和二级传动齿轮副主动轮之间的等效外部激励T_s(t)，具体过程为：

(1)在三维建模软件中建立一级传动齿轮副和二级传动齿轮副主从动轮的三维实体模型，获得一级传动主动轮的转动惯量I_p1、一级传动从动轮的转动惯量I_g1、二级传动主动轮的转动惯量I_p2、二级传动从动轮的转动惯量I_g2。然后计算一级传动齿轮副和二级传动齿轮副的当量转动惯量I₁和I₂，当量转动惯量I₁、I₂的具体计算公式如下：

式中，I_p1、I_g1分别为一级传动齿轮副主从动轮的转动惯量；I_p2、I_g2分别为二级传动齿轮副主从动轮的转动惯量；N₁、N₂分别为一级和二级传动齿轮副的速比。

(2)根据材料力学知识计算一级和二级传动齿轮副之间的中间传动轴的扭转刚度K_ms，然后计算该二级齿轮传动系统的扭转固有频率w_n0，扭转固有频率w_n0的具体计算公式如下：

(3)根据步骤三中按频率分量形式重组的二级传动齿轮箱组件输入端外部激励T₁(t)和二级传动齿轮箱组件输出端外部激励T₂(t)，计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮和二级传动齿轮副主动轮之间的等效外部激励T_s(t)，等效外部激励T_s(t)的计算公式如下：

步骤五：计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮处的总作用扭矩T_g1(t)和二级传动齿轮副主动轮处的总作用扭矩T_p2(t)，具体过程为：

(1)根据齿轮连接平键承压面积与PVDF压电薄膜传感器有效面积的比值关系，计算一级传动齿轮副的从动轮连接平键的承压区域总压力F_k1(t)、二级传动齿轮副的主动轮连接平键的承压区域总压力F_k2(t)。承压区域总压力F_k1(t)、F_k2(t)的具体计算公式如下：

式中，H为平键承压区域的宽度；L为平键承压区域的长度；h为压电薄膜有效区域的宽度；l为压电薄膜有效区域的长度。

(2)将一级传动齿轮副的从动轮连接平键的承压区域总压力F_k1(t)，转化为一级传动齿轮副从动轮处的总作用扭矩T_g1(t)；将二级传动齿轮副的主动轮连接平键的承压区域总压力F_k2(t)，转化为二级传动齿轮副主动轮处的总作用扭矩T_p2(t)。总作用扭矩T_g1(t)、T_p2(t)的具体计算公式如下：

式中，D为中间传动轴的直径。

步骤六：计算中间传动轴上一级传动齿轮副从动轮所受到的内部激励T_mg1(t)和二级传动齿轮副主动轮所受到的内部激励T_mp2(t)，内部激励T_mg1(t)、T_mp2(t)的具体计算公式如下：

步骤七：调整可编程磁力制动器的负载扭矩，重复步骤一至步骤六，记录负载扭矩和计算得到的内部激励T_mg1(t)、T_mp2(t)，以及外部激励T₁(t)和T₂(t)；计算内部激励T_mg1(t)、T_mp2(t)的标准差和峰峰值，以及频域幅值和相位，并对比分析上述四项指标的变化规律。