用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法和测试装置

摘要

本发明公开了一种用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法和用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置。所述用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置包括：主动轴和主动轮，主动轮套装在主动轴上；从动轴和从动轮，从动轮套装在从动轴上，主动轮通过皮带与从动轮相连，其中主动轴、主动轮、从动轴、从动轮和皮带构成两轮带传动系统；用于测量两轮带传动系统的稳态阻力矩的力矩测量组件；和用于向皮带提供预定的预张力可控组件。所述测试装置具有结构简单、制造成本低等优点，通过利用所述方法和测试装置，可以方便地、容易地测算出多轮带传动系统的阻力矩。

说明书

技术领域

本发明涉及用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法，还涉及用于获得多轮带传 动系统的稳态阻力矩的测试装置。

背景技术

带传动系统的稳态阻力矩是工程上常见的阻力矩。对稳态阻力矩的估算，对于带传动 系统的优化设计具有重要参考作用。而直接测量多轮带传动系统的稳态阻力矩存在成本高、 难度大、测试台架不通用的问题。因此，目前国内外没有任何广泛应用的方法和设备。

从现在的技术来看，力矩测量的技术不少，但没有专门针对多轮带传动系统进行稳态 阻力矩测量或计算的技术。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一 种用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置。

本发明还提出一种用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法。

根据本发明第一方面实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置包 括：主动轴和主动轮，所述主动轮套装在所述主动轴上；从动轴和从动轮，所述从动轮套 装在所述从动轴上，所述主动轮通过皮带与所述从动轮相连，其中所述主动轴、所述主动 轮、所述从动轴、所述从动轮和所述皮带构成两轮带传动系统；用于测量所述两轮带传动 系统的稳态阻力矩的力矩测量组件；和用于向所述皮带提供预定的预张力的预张力可控组 件。

根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置具有结构简 单、制造成本低等优点，通过利用根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻 力矩的测试装置，可以方便地、容易地测算出多轮带传动系统的稳态阻力矩。

另外，根据本发明上述实施例的多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置还可以具有 如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置进 一步包括第一轴承，所述第一轴承套装在所述主动轴上，所述主动轮套装在所述第一轴承 上；所述力矩测量组件包括：应变梁，所述应变梁沿所述主动轴的径向穿过所述主动轴， 所述应变梁的端部与所述主动轮相连；应变片，所述应变片设在所述应变梁上；和信号采 集仪，所述信号采集仪与所述应变片相连以便采集所述应变片的测量信号。

根据本发明的一个实施例，所述用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置进 一步包括滑环，所述滑环的旋转部套装在所述主动轴上，所述旋转部的接头通过第一导线 与所述应变片相连，所述滑环的静止部的接头通过第二导线与所述信号采集仪相连。

根据本发明的一个实施例，所述预张力可控组件包括：支架，所述支架的上表面上设 有第一导轨和第二导轨；第一滑块和第二滑块，所述第一滑块可滑动地设在所述第一导轨 上，所述第二滑块可滑动地设在所述第二导轨上，其中所述从动轴设在所述第一滑块和所 述第二滑块上；V形的传力件，所述传力件的两个自由端均与所述从动轴相连，所述传力 件位于所述从动轮的水平中间面上，所述传力件的顶点位于所述从动轮的水平中间面和竖 直中间面上；和施力组件，所述施力组件与所述传力件的顶点相连。

根据本发明的一个实施例，所述施力组件包括：转盘；转轴，所述转轴设在所述转盘 上，所述转轴的旋转轴线与所述转盘的旋转轴线重合；砝码，所述砝码挂置在所述转盘上； 和钢丝绳，所述钢丝绳的一端缠绕在所述转轴上，所述钢丝绳的另一端与所述传力件的顶 点相连。

根据本发明的一个实施例，所述传力件相对所述从动轮对称。

根据本发明第二方面实施例的利用根据本发明第一方面所述的用于获得多轮带传动系 统的稳态阻力矩的测试装置实施的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法包括以下 步骤：

使所述测试装置的主动轮的直径等于多轮带传动系统的主动轮的直径，在不同的预张 力Fi、带速vj和所述测试装置的从动轮的半径下测量所述两轮带传动系统的稳态阻力矩；

将所述两轮带传动系统的稳态阻力矩分解为单个带轮的传动阻力，然后将单个带轮的 传动阻力拟合为关于带张力F、带速v以及带轮的半径r或直径d或曲率C的表达式，在 拟合单个带轮的传动阻力前进行参量归一化处理；

根据所述表达式计算出多轮带传动系统的全部从动轮的稳态阻力矩，然后根据多轮带 传动系统的全部从动轮的稳态阻力矩计算出多轮带传动系统的稳态阻力矩。

通过利用根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法，可以方 便地、容易地计算出多轮带传动系统的稳态阻力矩。

根据本发明的一个实施例，多轮带传动系统的主动轮的半径为r1，多轮带传动系统 的多个从动轮的最大半径为r2且最小半径为r3，使所述测试装置的从动轮的半径分别为 r1、r2和r3，在不同的预张力Fi和带速vj下测量所述两轮带传动系统的稳态阻力矩T1， T2和T3，其中预张力Fi的设定范围涵盖多轮带传动系统的预张力的变化范围，带速vj的 设定范围涵盖多轮带传动系统的带速的变化范围，所述两轮带传动系统的带型与所述多轮 带传动系统的带型相同，所述测试装置的跨距在多轮带传动系统的跨距范围内。

根据本发明的一个实施例，按下式将所述两轮带传动系统的稳态阻力矩分解为单个带 轮的传动阻力Fr

$\left(\begin{array}{c}{F}_{r1}=T_1/r_1/2\\ F_{r2}=T_2/r_1-F_{r1}\\ F_{r3}=T_3/r_1-F_{r1}\end{array}\right).$

根据本发明的一个实施例，所述表达式为：

F_r＝f(F,v,r)或F_r＝f(F,v,d)或F_r＝f(F,v,C)

其中所述表达式的函数形式采用线性型或二次型，选取拟合误差最小的函数作为表达式， 拟合方法优选最小二乘法。

根据本发明的一个实施例，当多轮带传动系统的从动轮带有负载力矩TL时， TL＝(Ft-Fs)*r，所述表达式为Fr＝f(Fa,v,d)，Fa＝(Ft+Fs)/2，其中Ft为多轮带传动系统 的从动轮的紧边张力，Fs为多轮带传动系统的从动轮的松边张力。

根据本发明的一个实施例，多轮带传动系统的主动轮的半径为r₁，多轮带传动系统的 n个从动轮的半径分别为r₂，r₃，…r_n+1，多轮带传动系统的稳态阻力矩为：

T_s＝(F_r1+F_r2+…+F_rn+1)·r₁。

附图说明

图1是根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置的结构 示意图；

图2是根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置的结构 示意图；

图3是根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置的局部 结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图 描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试 装置10。如图1-图3所示，根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的 测试装置10包括主动轴1011、主动轮1012、用于测量两轮带传动系统的稳态阻力矩的力 矩测量组件、从动轴1021、从动轮1022和用于向皮带105提供预定的预张力的预张力可 控组件。

主动轮1012套装在主动轴1011上，从动轮1022套装在从动轴1021上，主动轮1012 通过皮带105与从动轮1022相连。其中，主动轴1011、主动轮1012、从动轴1021、从动 轮1022和皮带105构成所述两轮带传动系统。

下面参考图1-图3描述利用根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力 矩的测试装置10实施的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法。根据本发明实施例 的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法包括以下步骤：

使测试装置10的主动轮1012的直径等于多轮带传动系统的主动轮的直径，在不同的 预张力Fi、带速vj和测试装置10的从动轮1022的半径下测量两轮带传动系统的稳态阻 力矩；

将两轮带传动系统的稳态阻力矩分解为单个带轮的传动阻力，然后将单个带轮的传动 阻力拟合为关于带张力F、带速v以及带轮的半径r或直径d或曲率C的表达式，在拟合 单个带轮的传动阻力前进行参量归一化处理。例如，带张力F_i的变化区间为[F_min,F_max]，归 一化后的变量用F_ni表示，归一化变换如下：

$F_{\mathrm{ni}}=\frac{2F_i-(F_{\max }+F_{\min })}{F_{\max }-F_{\min }}.$

根据所述表达式计算出多轮带传动系统的全部从动轮的稳态阻力矩，然后根据多轮带 传动系统的全部从动轮的稳态阻力矩计算出多轮带传动系统的稳态阻力矩。

具体而言，本发明的目的就是利用两轮带传动系统的稳态阻力矩的测试代替多轮带传 动系统的稳态阻力矩的测试。也就是说，根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的 稳态阻力矩的测试装置10可以是两轮带传动系统。

测试装置10的主动轮1012的直径与多轮带传动系统的主动轮的直径相等。测试装置 10的从动轮1022的直径可以改变。测试装置10的从动轮1022的直径的变化范围根据多 轮带传动系统的带轮的直径确定。

两轮带传动系统在不同预张力、带速和测试装置10的从动轮1022的半径下测量稳态 阻力矩。如果受测试设备或试验条件的局限，无法获得足够的测试数据，可以通过多体动 力学建模仿真的方法，利用现有的专业商业软件，获得测试范围外的稳态阻力矩数据。对 于测试或仿真条件的范围，可以根据多轮带传动系统的工况和特征设定。

例如，对于有n个带轮的多轮带传动系统，假如多轮带传动系统的主动轮的半径为r1， 多轮带传动系统的多个从动轮的最大半径为r2且最小半径为r3。换言之，多轮带传动系 统的多个从动轮中，半径最大的一个从动轮的半径为r2，半径最小的一个从动轮的半径为 r3。

使测试装置10的主动轮1012的半径为r1，使测试装置10的从动轮1022的半径在[r3， r2]的范围内，构建至少三组两轮带传动系统。其中，一组两轮带传动系统的主动轮和从动 轮的半径都为r1。

有利地，使测试装置10的从动轮1022的半径分别为r1、r2和r3。换言之，构建r1 —r1、r1—r2、r1—r3三组两轮带传动系统

本领域技术人员可以理解的是，设计三组两轮带传动系统是本申请的优选方式，设计 四组、五组或更多组两轮带传动系统也在本申请的保护范围之内。

测试装置10(两轮带传动系统)的带张力和带速依据多轮带传动系统的带张力和带速 的变化范围设定，测试装置10(两轮带传动系统)的带张力和带速的设定范围要涵盖多轮 带传动系统的带张力和带速的变化范围。

对于测试或仿真条件的具体设定值，可根据实际情况从全因子设计、正交试验设计、 中心复合设计、D最优设计、拉丁超立方设计等方法中选取。

在不同的预张力Fi和带速vj下测量两轮带传动系统的稳态阻力矩T1、T2和T3。其 中，预张力Fi的设定范围涵盖多轮带传动系统的预张力的变化范围，带速vj的设定范围 涵盖多轮带传动系统的带速的变化范围。测试装置10的跨距在多轮带传动系统的跨距的范 围内。测试装置10的带型与多轮带传动系统的带型相同。换言之，两轮带传动系统的跨距 在多轮带传动系统的跨距的范围内，两轮带传动系统的带型可以与多轮带传动系统的带型 相同。

也就是说，多轮带传动系统的跨距有多段，而且长度是不同的。两轮带传动系统只有 长度相同的两段跨距。测试装置10(两轮带传动系统)的跨距在多轮带传动系统的跨距的 范围内是指：测试装置10的跨距大于多轮带传动系统的跨距中的最短的一段且小于多轮带 传动系统的跨距中的最长的一段。

按下式将两轮带传动系统的稳态阻力矩分解为单个带轮的传动阻力Fr，以便得到单个 带轮的传动阻力若干组。

$\left(\begin{array}{c}{F}_{r1}=T_1/r_1/2\\ F_{r2}=T_2/r_1-F_{r1}\\ F_{r3}=T_3/r_1-F_{r1}\end{array}\right).$

将单个带轮的传动阻力拟合为关于带张力F、带速v以及带轮的半径r或直径d或曲 率C的表达式，在拟合单个带轮的传动阻力前进行参量归一化处理。所述表达式为：

F_r＝f(F,v,r)或F_r＝f(F,v,d)或F_r＝f(F,v,C)

其中，所述表达式的函数形式采用线性型或二次型，选取拟合误差最小的函数作为表 达式，拟合方法采用最小二乘法。

考虑到如果多轮带传动系统的从动轮带有负载力矩TL，该从动轮的紧边张力Ft和松 边张力Fs是不相等的，存在力矩平衡TL＝(Ft-Fs)*r，此时所述表达式为Fr＝f(Fa,v,d)， Fa＝(Ft+Fs)/2。

对于n个带轮的多轮带传动系统，多轮带传动系统的主动轮的半径为r₁，多轮带传动 系统的n个从动轮的半径分别为r₂，r₃，…r_n+1。多轮带传动系统的稳态阻力矩为：

T_s＝(F_r1+F_r2+…+F_rn+1)·r₁。

所得力矩仅为多轮带传动系统的传动阻力矩，不包含做有用功的带轮负载力矩。

通过利用根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的方法，可以方 便地、容易地测算出多轮带传动系统的稳态阻力矩。

根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置10具有结构 简单、制造成本低等优点，通过利用根据本发明实施例的用于获得多轮带传动系统的稳态 阻力矩的测试装置10，可以方便地、容易地测算出多轮带传动系统的稳态阻力矩。

如图1-图3所示，根据本发明的一些实施例的多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装 置10包括主动轴1011、主动轮1012、第一轴承1013、用于测量两轮带传动系统的稳态阻 力矩的力矩测量组件、从动轴1021、从动轮1022、第二轴承和用于向皮带105提供预定的 预张力的预张力可控组件。

第一轴承1013套装在主动轴1011上，主动轮1012套装在第一轴承1013上。换言之， 主动轮1012与主动轴1011之间镶嵌第一轴承1013，从而可以认为主动轮1012与主动轴 1011是隔开的，主动轮1012与主动轴1011不会通过第一轴承1013传递力矩。

现有的力矩可测结构，带轮与轴之间的连接是键连接，在这种结构下测量轮与轴之间 传递的力矩是非常困难的。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，该力矩测量组件包括应变梁1031、应变片(图 中未示出)和信号采集仪1033。应变梁1031沿主动轴1011的径向穿过主动轴1011，应变 梁1031的端部与主动轮1012相连。该应变片设在应变梁1031上。信号采集仪1033与应 变片1032相连以便采集应变片1032的测量信号。

由于应变梁1031的作用，主动轴1011与主动轮1012同步转动。此时，主动轮1012 与主动轴1011之间传递的力矩都要经过应变梁1031。应变梁1031上设有该应变片，该应 变片可以测量应变梁1031的应变，以便得出两轮带传动系统的稳态阻力矩，即可以得出主 动轴1011传递给主动轮1012的力矩。也就是说，应变梁1031的应变等于主动轮1012的 输入力矩，根据力矩平衡，也等于两轮带传动系统的稳态阻力矩。

有利地，应变梁1031的一端固定连接在主动轮1012上，应变梁1031的另一端也固定 连接在主动轮1012上。该应变片贴在应变梁1031上。

有利地，如图3所述，用于获得多轮带传动系统的稳态阻力矩的测试装置10进一步包 括滑环，滑环的旋转部1034套装在主动轴1011上，旋转部1034的接头通过第一导线1036 与该应变片相连，滑环的静止部1035的接头通过第二导线1037与信号采集仪1033相连。 由此可以使测试装置10的结构更加合理。

具体地，滑环的旋转部1034固定在主动轴1011上。

在使用测试装置10前，可以对应变梁1031进行标定。具体而言，首先，在应变梁1031 的一端挂砝码，同时记录电信号，换算出电信号与施加力矩的关系。其次，将预张力和转 速调至指定值，采集电信号，根据标定结果换算为力矩，对时间取均值，即得到两轮带传 动系统的稳态阻力矩。

第二轴承套装在从动轴1021上，从动轮1022套装在第二轴承上。换言之，从动轮1022 与从动轴1021之间镶嵌第二轴承。

第一轴承1013和第二轴承可以是球轴承或滚子轴承。第一轴承1013和第二轴承最好 是同一型号的轴承，第一轴承1013和第二轴承的尺寸的差异不要太大。

如图1和图2所示，在本发明的一些示例中，该预张力可控组件包括支架1041、第一 滑块10431、第二滑块10432、V形的传力件1044和施力组件。

支架1041的上表面上设有第一导轨10421和第二导轨10422。第一滑块10431可滑动 地设在第一导轨10421上，第二滑块10432可滑动地设在第二导轨10422上，其中从动轴 1021设在第一滑块10431和第二滑块10432上。换言之，第一滑块10431和第二滑块10432 固定在从动轴1021上，第一滑块10431和第二滑块10432位于从动轮1022的两侧。

传力件1044的两个自由端均与从动轴1021相连，传力件1044位于从动轮1022的水 平中间面上，传力件1044的顶点位于从动轮1022的水平中间面和竖直中间面上。该施力 组件与传力件1044的顶点相连。该施力组件向传力件1044施加预定大小的力，进而向皮 带105施加预定大小的预张力。

其中，从动轮1022的水平中间面是指经过从动轮1022的径向的水平面。也就是说， 从动轮1022的面积最大的水平截面为从动轮1022的水平中间面。

从动轮1022的竖直中间面为：从动轮1022的经过从动轮1022的轴线的中点的竖直截 面。其中，从动轮1022的竖直截面垂直于从动轮1022的轴向。

如图1和图2所示，在本发明的一个具体示例中，该施力组件包括转盘1045、转轴1046、 砝码1047和钢丝绳1048。转轴1046设在转盘1045上，转轴1046的旋转轴线与转盘1045 的旋转轴线重合，以便转盘1045和转轴1046可以同步转动。砝码1047挂置在转盘1045 上。钢丝绳1048的一端缠绕在转轴1046上，钢丝绳1048的另一端与传力件1044的顶点 相连。

转盘1045的半径是转轴1046的半径的若干倍。转轴1046的两端用滚动轴承支承，以 便转轴1046可以自由转动。根据力矩平衡，钢丝绳1048的拉力等于砝码1047的重力的若 干倍。由此可以根据砝码1047的质量控制测试所需的预张力。

换言之，转轴1046上的钢丝绳1048产生反作用力，最后作用于皮带105上。砝码1047 的重力可以通过转盘1045和转轴1046被放大，与钢丝绳1048的拉力相平衡。钢丝绳1048 的拉力约等于皮带105的预张力(带张力)的两倍，可根据静力平衡关系计算出皮带105 的预张力的准确值，改变砝码1047的质量即可控制皮带105的预张力。

有利地，传力件1044相对从动轮1022对称。钢丝绳1048的拉力的延长线要经过从动 轮1022的中心。

从动轴1021既能承受拉力，又能在拉力方向平动。第一滑块10431与第一导轨10421 之间的摩擦力要非常小，第二滑块10432与第二导轨10422之间的摩擦力要非常小，比如 要进行充分润滑。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、 “外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示 或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两 个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定” 等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是 机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相 连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于 本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可 以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第 一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或 斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、 “下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特 征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述 不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以 在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领 域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进 行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。