（机械电子工程专业论文）螺旋锥齿轮啮合性能检测分析系统研究.pdf

摘要 螺旋锥齿轮由于承载能力大，传动平稳，结构紧凑等优点，被广 泛地应用于车辆、机床等主传动系统中，其啮合性能的好坏直接关系 到相关机械产品的质量。螺旋锥齿轮啮合性能检测，对锥齿轮产品质 量的控制极其重要。目前，国内仍主要依靠机械式滚动检查机对锥齿 轮啮合质量进行滚动检验，依赖检验人员的主观经验对齿轮副的接触 印痕和噪声进行定性的判断，缺乏定量评定方法，检验结果对轮齿曲 面的修正和误差来源的分析缺乏指导意义。研究螺旋锥齿轮啮合性能 检测分析系统，实现啮合性能的定量数字化检测分析，对锥齿轮检测 水平和锥齿轮质量的提高具有重要意义。 本文提出利用锥齿轮副啮合传动产生的振动、噪声信号对锥齿轮 啮合性能进行评判和分析。首先对螺旋锥齿轮啮合产生的振动和噪声 机理进行研究，分析了锥齿轮动态啮合的激励及三维空间螺旋锥齿轮 系统动力学模型；基于虚拟样机技术技术，利用多体动力学仿真软件 a d a m s ，研究了不同工况下螺旋锥齿轮的振动特性。研究了利用螺 旋锥齿轮啮合产生的振动和噪声信号进行其啮合性能检测的原理和 评判方法。基于u s b 总线虚拟仪器技术构建了螺旋锥齿轮啮合性能 定量检测硬件平台。利用虚拟仪器技术对啮合性能检测系统进行了软 件开发，软件具有螺旋锥齿轮啮合的振动和噪声信号的实时采集、分 析与显示，数据库的管理等功能，实现了螺旋锥齿轮啮合性能的定量 检测与评判，通过齿轮几何振动噪声的相关性分析，可为误差来 源的研究和误差修正提供依据。最后，在滚动检查机上安装该系统， 进行试验研究，验证了检测系统的可行性、准确性。 研究和开发的螺旋锥齿轮啮合性能检测分析系统具有一定的学 术意义和实际应用价值。 关键词：螺旋锥齿轮，啮合性能，振动噪声，虚拟仪器，l a b v i e w a bs t r a c t s p i r a lb e v e la n dh y p o i dg e a r sa r ew i d e l yu s e di nt h em a i nd r i v e s y s t e m ，s u c ha sv e h i c l e s ，m a c h i n et o o l sa n ds oo i l ，w h i c hh a v et h e a d v a n t a g e so fl a r g el o a dc a p a c i t y , s t e a d yt r a n s m i s s i o n ，c o m p a c ts t r u c t u r e ， e t c t h eq u a l i t yo fc o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a lp r o d u c t si sr e l a t e dt ot h e m e s h i n gp e r f o r m a n c eo f b e v e lg e a r s i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt oc o n t r o l t h eq u a l i t yo f b e v e lg e a r sb ym e s h i n gp e r f o r m a n c et e s t a tp r e s e n t ，b e v e l g e a r sa r em a i n l yt e s t e do nm e c h a n i c a lr o l l i n gt e s t e ri nd o m e s t i c t h e j u d g e m e n to nt h em e s h i n gp e r f o r m a n c ed e p e n d so nc o n t a c ti m p r e s s i o n a n dn o i s e a c t u a l l y , i ti sq u a l i t a t i v ea n di m p r e c i s ea n dt h er e s u l t s1 a c k g u i d a n c et ot h et o o t hs u r f a c ea m e n d m e n ta n de r r o rs o u r c e sa n a l y s i s i ti s s i g n i f i c a n tt or e a l i z et h ei m p r e c i s ea n dd i g i t a lm e s h i n gp e r f o r m a n c e d e t e c t i o nb yr e s e a c h i n go nt h e d e t e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e mo ft h e m e s h i n gp e r f o r m a n c e o fb e v e lg e a r s i nt h i sp a p e r , a na p p r o a c hf o re v a l u a t i n ga n da n a l y s i n gt h eb e v e l g e a rm e s h i n gp e r f o r m a n c eu s i n gv i b r a t i o na n dn o i s e ，p r o d u c e df r o m b e v e lg e a re n g a g i n gi sp r o p o s e d f i r s t l y , t h em e c h a n i s mo fv i b r a t i o na n d n o i s eg e n e r a t e df r o mb e v e lg e a re n g a g e m e n ti ss t u d i e d b e v e lg e a rm e s h e x c i t a t i o na n ds p i r a lb e v e lg e a rs y s t e md y n a m i c sm o d e la r ea n a l i z e d b a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , u s i n gm u l t i - b o d yd y n a m i c s s i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs p i r a lb e v e l g e a r su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r es t u d i e d t h ed e t e c t i o np r i n c i p l eo f t h e v i b r a t i o na n dn o i s es i g n a la n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do fs p i r a lb e v e lg e a r m e s h i n gp e r f o r m a n c ea r eb o t hs t u d i e d b a s e d o nt h eu s bv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , h a r d w a r ep l a t f o r mf o rq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no f s p i r a l b e v e l g e a rm e s h i n gp e r f o r m a n c e i sb u i l d e d t h e m e s h i n g p e r f o r m a n c ed e t e c t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t t h es o f t w a r ew i t hr e a l t i m ec o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dd i s p l a yf u c t i o n sa n d d a t a b a s em a n a g e m e n tc a nb eu s e dt or e a l i z eq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o na n d e v a l u a t i o n t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so fg e a rg e o m e t r ya n dv i b r a t i o na n d n o i s ec a np r o v i d et h eb a s i sf o re r r o rs o u r c er e s e a c ha n de r r o rc o r r e c t i o n a tl a s tt h ed e t e c t i o ns y s t e mi si n s t a l l e do nr o l l i n gt e s t e r e x p e r i m e n ts h o w l l t h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l e ，a c c u r a t ea n ds t e a d y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed e t e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e mo f t h e s p i r a l b e v e l g e a rm e s h i n gp e r f o r m a n c e h a sc e r t a i na c a d e m i c s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：s p i r a lb e v e la n dh y p o i dg e a r s ，m e s h i n gp e r f o r m a n c e ， v i b r a t i o na n dn o i s e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w 1 1 1 硕i j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 1 1 1 课题来源 课题来源于中南大学机电工程学院与株洲齿轮有限责任公司的合作项目“螺 旋锥齿轮啮合动力学特性监测与分析”。 1 1 2 研究的背景、目的及意义 螺旋锥齿轮( 主要是指弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮等曲齿圆锥齿轮) 由于承 载能力大，传动平稳，结构紧凑，能改变运动方向等优点，被广泛地应用于车辆、 机床等主传动系统中【l 捌。螺旋锥齿轮啮合性能的好坏直接关系到相关机械产品 的质量。螺旋锥齿轮啮合产生的振动和噪声反映了其啮合性能，因此，提高螺旋 锥齿轮啮合性能，降低啮合产生的振动和噪声对提高产品的质量具有十分重要的 意义。同时，控制和降低锥齿轮传动系统的振动和噪声也是近年来我国锥齿轮行 业提出的急需解决的难题。 螺旋锥齿轮啮合性能检测，对螺旋锥齿轮产品质量的控制极其重要。我国螺 旋锥齿轮生产企业的检测技术手段普遍较落后，主要采用机械式滚动检查机进行 配对滚动检验，即依赖操作人员的经验对齿轮副的接触印痕和噪声进行判吲。 这种检验方法虽能在一定程度上控制齿轮副的啮合性能，但主要依靠检验人员的 主观经验判断，缺乏定量的评定方法，而且检验结果对齿轮副基础曲线的修正、 误差来源的分析和啮合性能的提高没有太大的指导意义【3 1 。因此，研究并开发一 套螺旋锥齿轮啮合性能检测分析系统，实现啮合性能的定量数字化检测分析，为 螺旋锥齿轮的设计检验和质量检测提供一个平台，对螺旋锥齿轮检测水平和螺旋 锥齿轮质量的提高具有重要意义。 1 2 锥齿轮测量技术的发展及特点 螺旋锥齿轮的测量方法和圆柱齿轮类同，通常可分为三种【3 - 9 l ：( 1 ) 坐标式 几何解析测量法；( 2 ) 啮合式综合精度测量法；( 3 ) 锥齿轮整体误差测量法。 ( 1 ) 坐标式几何解析测量法 坐标式几何解析测量法，即把锥齿轮作为一个几何实体，对其几何元素分别 进行单项几何精度的测量。齿轮测量中心c h i c 和三坐标测量机c m m 是其主要 硕i ：学位论文 第一章绪论 测量仪器。三坐标测量机是2 0 世纪7 0 年代初才出现的测量新技术，它的出现为 螺旋锥齿轮等各种复杂形状工件的精密测量提供了有效手段。c n c 齿轮测量中 心是8 0 年代国际上迅速发展起来的光机电结合的高技术齿轮量仪。其测量技术 起源于电子展成测量技术，通过增加高精度转台，与立式三坐标测量机的结构相 结合，形成了c n c 齿轮测量中心。 迄今已有美国、德国、日本、瑞士、意大利等几个国家能生产c n c 齿轮测 量中心，其中的典型产品有克林贝尔格公司的p 系列、m & m 公司的3 0 0 0 系列 以及m a h r 公司的g m x 2 7 5 型齿轮测量中心等。国内对齿轮测量中心的研究还较 少，仅有哈尔滨量具刃具集团( 3 9 0 0 系列齿轮测量中心) 、哈尔滨精达公司( j a 系列齿轮测量中心) 、成都工具研究所( c v 4 5 0 齿轮测量中心) 等少数几个企业 单位能生产，虽然在精度和测量速度方面已经接近或达到国外水平，但在仪器的 精度重复性、稳定性、尤其是在软件测量功能方面还有待进一步提高。 锥齿轮坐标测量技术具有以下特点：( 1 ) n 量基本思想为几何测量，即通过 保证锥齿轮的几何形状来控制产品质量，并达到互换目的；( 2 ) 可准确测量锥齿 轮曲面几何形状，测量结果可用于指导加工机床的精确调整。由于坐标测量技术 能准确控制锥齿轮齿面形状与设计形状的偏差，因此对于锥齿轮产品的设计开发 十分重要。同时锥齿轮坐标测量技术还存在不足之处及尚待研究解决的问题：( 1 ) 测量效率较低，测量成本较高；( 2 ) 不能测量齿轮副的运动误差及接触状态，不 易测量一个齿轮所有齿不同截面的误差，测量结果难以准确反映齿轮使用性能； ( 3 ) 坐标测量机精度是通过检定空i 日线段距离来确定的，而坐标测量机测量复杂 曲线的精度如何确定则是需要研究的课题；( 4 ) 只能测量相对设计齿形的差，无 法确定最佳设计齿形；( 5 ) 锥齿轮坐标测量技术在锥齿轮生产中的地位越来越重 要，但该技术存在的不足使其目前尚无法完全取代其它测量技术。 ( 2 ) 啮合式综合精度测量法 啮合式综合精度测量法，把锥齿轮作为一个传动元件，对其传动精度、接触 斑点、振动噪声进行综合测量。其测量仪器主要有锥齿轮单面啮合检查仪、锥齿 轮双面啮合测量仪及锥齿轮滚动检查机。 齿轮单面啮合测量法是测量齿轮传动误差的一种典型方式。单面啮合测量法 在众多的齿轮测量方法中占有特殊的地位，具有下述特点；( 1 ) 单面啮合测量运 动接近于齿轮的使用状态。( 2 ) 单面啮合测量过程是动态连续的，测量效率高， 因此可用于批量产品的成品检验。( 3 ) 单面啮合测量法对环境条件要求不高，易 于实现自动化。( 4 ) 通过单面啮合测量获得的切向综合偏差曲线，既能反映几何 偏心对齿轮偏差的影响，又能反映运动偏心对齿轮偏差的影响。( 5 ) 单面啮合测 量既能反映出齿廓偏差的影响，又能反映出齿距偏差的影响。由于单面啮合测量 2 硕一l ：学位论文第一章绪论 的上述优点，长期以来一直被广泛应用于齿轮测量领域。 锥齿轮单面啮合滚动检测方法在生产中已经使用多年。事实上早在三坐标测 量技术出现之前锥齿轮即己大量应用于汽车等行业，由于当时几何测量思想在螺 旋锥齿轮测量中难以实现，因此，人们根据齿轮动力学误差理论开发了锥齿轮滚 动检验技术。齿轮动力学误差理论从动力学观点出发，研究齿轮误差与力的关系， 进而研究齿轮误差与振动、噪声等的关系。早期开发的锥齿轮滚动检查机通过直 接测量锥齿轮的接触斑点及噪声来控制产品质量，保证其互换性。 锥齿轮滚动检验技术具有以下特点：( 1 ) 可以较直接地控制产品质量，即滚 动检验技术可获得与产品质量密切相关的参数，如接触斑点、切向误差、振动等。 但这些参数并不能完全决定产品性能，生产实践已证明了这一点。( 2 ) 可以定量 地指导切齿机床的调整。但这种调整并不能定量控制加工曲面形状的形成，因为 这种调整仅依赖于v h 等参数的变化。( 3 ) 可以测量锥齿轮的切向综合误差。( 4 ) 采用成对检验方式，与使用状态相符，但这种检验方式会影响产品的互换性。 ( 3 ) 锥齿轮整体误差测量法 锥齿轮整体误差测量法【8 】，将锥齿轮作为一个用于实现传动功能的几何实 体，或用坐标测量法按单项几何精度测量方式测量出锥齿轮的整体误差，实现锥 齿轮单项几何误差和传动精度、质量之间内在联系的分析研究，或按单面啮合测 量方式，采用啮合点扫描测量方法，对锥齿轮的整体误差进行测量，得到锥齿轮 的综合运动精度、接触斑点以及各单项几何精度。因此，锥齿轮整体误差测量法 是前两种测量方法的集成和发展。尤其是采用单面啮合、滚动点扫描测量的齿轮 整体误差测量技术更具有测量信息丰富、测量速度快、测量精度更接近使用状态 的特点，特别适合批量产品齿轮精度的检测与质量的控制。 锥齿轮整体误差测量仪是基于运动学误差理论，以单面啮合测量方式获得齿 轮的整体误差曲线等，并由此分解出齿形和齿向共轭误差曲线、齿面形状立体图 形、接触形态图、切向综合误差曲线和误差频谱分析图等。我国成都工具研究所 开发的c s z 5 0 0 型锥齿轮整体误差测量仪采用了啮合点轨迹测量法能通过一次安 装快速测得齿轮误差的全部信息。 锥齿轮整体误差测量技术具有以下特点：( 1 ) 可方便地测量出锥齿轮各齿面 的几何形状；( 2 ) n 量结果可用于指导加工机床的准确调整；( 3 ) 可测量与齿轮噪 声密切相关的切向综合误差；( 4 ) 可准确测得锥齿轮的接触斑点。 锥齿轮整体误差测量技术既具备了坐标测量技术的长处，又克服了其不足， 同时也具有滚动检验技术的特点。锥齿轮整体误差测量仪可取代滚动检查机进行 产品终检。由于测量时必须采用特殊的测量齿轮，因此这种测量方法不宜用于单 件小批量的测量。 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 螺旋锥齿轮啮合性能检测技术 1 3 1 螺旋锥齿轮齿面接触分析( t c a ) 技术 ( 1 ) 齿面接触分析( t c a ) 以齿轮啮合原理为理论基础，以电子计算机为工具根据实际调整数据，确定 大轮和小轮的实际齿面方程，分析它们在不同的安装形式下齿轮接触区的情况， 进而确定小轮的控制参数给出一张好的机床调整卡。这种齿面接触区修正的方法 称为齿面接触分析( t o o t hc o n t a c ta n a l y s e s ) ，简称t c a t 2 1 。 t c a 可以得到轮齿的接触迹线、接触区域与传动误差曲线，其中传动误差 曲线包含丰富的反映啮合性能的信息，不同的齿轮对的接触情况，都能在传动误 差曲线中得到体现【1 0 。12 1 。图1 1 为t c a 分析的一些接触区与传动误差的形式。 同匦鹰1 百i ，卜r 矿气才厂弋f 7 弋 厶厶刁v 可弋 ( a )(b)to)( d ) 匣圆 国画 7 1 可矿弋l z7 1 飞了弋f 厶厶2 ( c ) ( f )( g )( b ) 叵 可 固 1 弋p 弋。p “刁可而 ( j )( i )( k ) 图1 1t c a 分析的接触区及传动误差曲线 轮齿接触分析t c a 所能反映出的啮合性能的信息如下： 1 1 动态性能，主要是由传动误差曲线的波动幅值反映，波动幅值越大，振动 也越大2 ) 传动误差，传动误差曲线与齿面的接触特性有密切的内在关系。它的幅 值反映了接触印痕在接触路径方向上相对于制造和安装误差的敏感性。3 ) 齿轮重 合度，齿轮重合度对其动态性能有影响明显，增大传动误差曲线的横向宽度可以 获得更高的重合度。4 ) 齿面接触路径，齿面上接触路径长对提高重合度有利，但 是可能会带来一定程度的对角接触。实际上对不同的工况，接触路径的要求也不 一样。 ( 2 ) t c a 研究现状 齿面接触分析是现代锥齿轮研究的一个重要领域其结果是螺旋锥齿轮加工 机床调整参数设计与接触质量检验的重要依据，国内外学者对齿面接触分析进行 了大量的研究【1 3 乏4 1 。 齿面接触分析( t c a ) 是g l e a s o n 公司于1 9 7 8 年首先提出的。该方法不考 虑加载变形和各类误差的作用，在计算机上模拟轮齿的轻载啮合过程，获得齿面 4 硕i ：学位论文 第一章绪论 接触区域的形状、位置，通过调整加工参数，得到较为理想的接触区域。在我国， 郑昌启较早地引进了g l e a s o n 的t c a 技术。后来，唐进元等人又研究了有误差 的螺旋锥齿轮传动接触分析，考虑了机床运动几何误差和齿轮副安装误差，经过 实例证明了通过e t c a 来反调加工参数更为合理。 齿面加载接触分析( l t c a ) 是k r e z e r l 9 8 1 年提出的，该方法利用空间曲面 接触原理，考虑啮合轮齿的受载弹性变形，计算得到螺旋锥齿轮齿面的接触斑点 与受载传动误差。由于这时的接触斑点形状与位置可以反映齿轮制造与安装的综 合误差，而受载传动误差又可以较好地表征啮合过程的振动机理，因此l t c a 方 法成为研究螺旋锥齿轮副啮合动力学的主要方法，受到圈内外学者的重视。 最近，l i t v i n 等采用局部综合算法、轮齿接触分析和有限元方法相结合，以 设计得到低噪声、小振动和高耐久性的螺旋锥齿轮为目标，综合进行了设计、加 工和应力分析方面的研究工作。同时对于作为主要振动和噪声激励源的传动误 差，比较了由调整误差导致的线性传动误差和预设抛物线函数传动误差的影响。 研究表明了轮齿受载弹性变形可以减小啮合传动的最大传动误差。 综上所述，在齿轮的加工中t c a 的作用是非常明显的，它实际上是在电子 计算机上模拟齿面接触区的调整工作，它不仅找到比较理想的小轮控制数据，得 到一张好的调整卡，更重要是可以得到合理的刀具设计参数这是生产准备中至关 重要的。t c a 仅是一种纯数学的方法它没有考虑机床误差、加工误差、安装误 差、特别是热处理变形等实际问题。t c a 只给我们提供了一种分析问题的手段， 而不能完全替代实际接触区的调试工作【2 】。 1 3 2 螺旋锥齿轮滚动检测技术的现状 滚动检查机可以提供模拟轻载操作条件下的齿轮副运转检型。齿轮副安装 在j 下确的相对位置上，加上轻的制动载荷后于动力作用下一起运转。齿轮副在滚 动检查机上运转可用于确定：相对于相配轮的轮齿尺寸；j f 确的安装距；轮齿接 触位置；齿面光洁度；运转质量( 噪声) ；试配轮齿接触区等。 ( 1 ) 目测法 在螺旋锥齿轮传动中，齿面接触区的位置、形状和大小对齿轮啮合的平稳性、 使用寿命和噪声等都有直接影响。齿面接触区是衡量螺旋锥齿轮啮合性能的重要 要指标之一。判定螺旋锥齿轮副质量的有效的方法之是检查齿面的接触区【l 】。 检查时将一对齿轮装于滚动检查机上，轮齿表面涂以着色剂，然后在一轻负 载下运行该对齿轮。当齿轮副在滚动检查机上一起运转后，齿面上的着色剂被 “蹭”去，留下轮齿接触区的印痕( 图1 2 所示) 。着色齐l j 也起到了轻微的润滑作 用，防止在检查室发生轮齿胶合。 硕七学位论文第一章绪论 在评价轮齿表面的接触区时，传统的方法是用肉眼检查，根据各个轮齿接触 区的形状、大小、位置，进行判断，测定是齿轮啮合性能的好坏。 齿轮副在滚动检查机上运转时，操作人员根据齿轮副啮合发出的声响，用耳 朵听或者声级计测量，对啮合性能进行判断。这种方法简单，也是现在厂家普遍 采用的检测方法，虽然能在一定程度上控制齿轮副的啮合质量，但仍主要取决于 检验人员的主观判断，而且检验结果对齿轮副基础曲线的修正、误差来源的分析 和啮合性能的提高缺乏指导意义。 图l - 2 滚动检查的接触区印痕 ( 2 ) 数字图像检测【2 5 。2 9 】 为克服传统“目测法”的不足，实现对齿面接触区的精确定量检测，国内外学 者将计算机视觉技术和图像处理技术用于轮齿接触斑点的检测中。 美国g u t m a n 公司和同本的m a z d a 汽车公司都相继发明了用电子拍摄轮 齿接触区来代替肉眼检查接触区的进行评价的方法。但是它们的方法仍有不足： 观察成像时没有参考点，不能知道接触区在轮齿表面上的确切位置；所获得的接 触区不能直接与t c a 方法所获得的理想接触区进行比较。 美国g l e a s o n 公司发明了一种轮齿接触区的数字成像方法( 图1 3 所示) 2 5 】。 图1 3 格利森公司轮齿接触区数字成像法 翟 硕- j 二学位论文第一章绪论 大齿轮2 和小齿轮4 为一对啮合齿轮。大齿轮的驱动侧和惯性恻的轮齿接触 表面通过c c d 照相机6 、8 摄录下来。c c d 照相机将图像传送到计算机中，成 像处理器1 0 使图像数字化，然后由图像数据计算装置1 2 确定接触位置和形状并 且在显示器上显示出实际的接触区。该方法可以通过人工设置图像的旋转和放大 率，使理论齿段与真实视频成像齿段相配，建立真实齿段的坐标系。该方法精度 高，已应用于凤凰系列齿轮检测机，如5 0 0 h c t 等。 近些年，国内的学者对图像识别技术在螺旋锥齿轮接触区检测中应用做了一 些研究工作，其中，刘振宇【2 7 】对计算机图形图像技术在航空弧齿锥齿轮检测中的 应用展丌研究；杨丰【2 6 1 对立体视觉技术的螺旋锥齿轮接触区检测技术进行研究； 石照耀等【2 8 】也对弧齿锥齿轮接触斑点的计算机视觉测量技术进行研究。这些目前 都限于接触斑点的数字成像理论和图像处理技术的研究，尚未有产品实际应用。 ( 3 ) 单面啮合传动误差检测 由于螺旋锥齿轮的不完全共轭特性、在传动中的变形以及安装制造误差等因 素，必然产生传动误差生，而传动误差是齿轮传动中振动、噪声产生的主要因素 之一。传动误差对于齿轮啮合性能的影响，已为前人的大量研究成果所证型3 0 。2 1 。 螺旋锥齿轮的传动误差，更是包括了动态性能和强度性能等大量的信息。因此， 对螺旋锥齿轮而言，检测出其传动误差就成为检验其质量的一个重要指标，也可 为进一步改善它们的设计和加工提供依据。 剑桥大学教授j d s m i t h 对传动误差的定义【3 0 】是：“当齿轮箱是完美的，无误 差无挠曲时，它的输出轴位置与实际输出轴位置之差”。传动误差一般用偏离“正 确”位置的角位移表示，单位一般使用微弧度。据此可知传动误差的测量过程是 “理论位置与实际位置”连续比较的过程。根据传动误差的定义以及螺旋锥齿轮的 特点，螺旋锥齿轮传动误差可以定义为：当小轮转过某一角度时，大轮转过角 度与理想位置角度之差。用公式表示： 叫2 瓮办 ( 1 1 ) r e o ：欢一唬：唬一姜乒办：唬一垒争 ( 1 2 ) v 2 式中识，织为小轮和大轮的实际转角 i ，为小轮和大轮的齿数 么为大轮的理想转角 ，为传动比 为使测量结果反映小轮的加工误差，须将误差比较放在小轮端，又可以将测 量数值放大，从而有利于后期的数据处理为此我们将式( 1 2 ) 作如下变形： 7 硕l 学位论文 第一章绪论 t e = i t e o = ，么一识 ( 1 3 ) 产生传动误差的因素【8 】【1 1 】【2 l 】： ( 1 ) 螺旋锥齿轮的准共轭特性：理论上，螺旋锥齿轮在参考点上是共轭的， 在其余啮合位置是非共轭的，因而，在除参考点外其它位置均存在传动误差。此 种非共轭特性是齿面展成机理决定的，也为我们提供了通过加工设计控制传动误 差的可能性。 ( 2 ) 变形：在齿轮的转矩传递过程中，齿轮及其支撑系统的变形使齿轮偏离 理论位置，产生附加的传动误差。精确计算这部分传动误差，是传动误差设计方 法的基础和前提条件。 ( 3 ) 制造误差：d n - v 过程中机床、刀具、轮坯等各方面产生的误差，必然反 映到齿轮转角上，引起传动误差。 图1 _ 4 单面啮合测量传动误差原理 单面啮合测量传动误差的原理【3 3 】如图l 一4 所示，在大轮和小轮主轴后安装角 度编码器，以测量两轴的实际转角值破，么。通过测试系统对角度编码器测 得的两路信号的处理可以得到所需的传动误差值以及相应的传动误差曲线。 国内，一些科研单位对传动误差检测进行了相关的研究，但是，将传动误差 测量技术与螺旋锥齿轮啮合检测结合的研究很少，更无相应的检测设备，技术还 不成熟。张保松【3 3 】在学习吸收g l e a s o n 技术上对锥齿轮传动平稳性综合检测系统 进行研究，李永刚【3 4 】对弧齿锥齿轮传动误差的测试与分析进行了研究。 国外对与螺旋锥齿轮传动误差的检测技术研究很多，而且g l e a s o n 公司和 o e r l i c o n 公司已经研制出测量螺旋锥齿轮啮合过程中传动误差的仪器和设备，技 术上也已经比较成熟。 r o b e r t es m i t h t ”弓9 】发表一系列有关齿轮单面啮合测试的文章，包括单面啮 合测试的原理、目的、数据解析例子及齿轮传动误差与齿轮噪音的关系等，详细 硕 ：学位论文第一章绪论 讲述如何从传动误差中分离出切向综合误差，一齿切向综合误差，以及累计节距 偏差等，通过比较单面啮合测试和双面啮合测试的优劣，指出在控制齿轮噪声方 面单面啮合测试具有更多优势。 h e r m a n nj s t a d t f e l d l 4 0 - 4 2 】介绍了如何将单面啮合测试从理论过渡到实际生产 应用，并分析了如何从单面啮合测试和结构噪声分析结果中寻找齿轮振动的根 源，解决齿轮加工中出现的实际问题。指出传动误差曲线转接处的幅值和切线夹 角都影响齿轮传动的平稳性，并提出高阶传动误差曲线设计，且此曲线可以使用 数控螺旋锥齿轮加工机床就可以加工。 g l e a s o n 公司的培训教程【4 3 j 则全面介绍了单面啮合检测使用的软件，将单面 啮合检测中使用的术语，包括单啮仪、传动误差、单面啮合检测、傅立叶变换、 f f t 、i f f t 、采样方法、齿频、轴频、“魔鬼”频率等做了详尽描述，并对单面啮 合测试的分析结果做了详细介绍，指出各种误差的计算方法，以及各个误差反映 了齿轮加工中存在哪些问题，可以说是对单面啮合测试最为齐全的描述。 ( 4 ) 振动噪声的检测 螺旋锥齿轮啮合产生的振动、噪声是齿轮啮合性能的的重要指标。实际多使 用振动和噪声来进行齿轮啮合的故障诊断等【4 4 4 5 】，g l e a s o n 公司在n o 5 1 3 滚动检 查机上首先提出了利用振动噪声的谐波幅值来评定其啮合性能的这一新概念【i 】。 其后推出的5 0 0 h c t ，6 0 0 h t t 也都集成了噪声检测功能。同样，瑞士o e r l i k o n 公司的t 2 0 、t 5 0 、t 6 0 等滚动检查机也都集成了这一功能【3 3 】。 以g l e a s o n 公司在n o 5 1 3 滚动检查机来说明其检测方法【l 】【4 6 】：齿轮副在检 查机上以预定的啮合频率运转。齿轮啮合动态激励产生动态响应，检查机上的加 速度传感器产生信号并被放大以后，同时输入三种频带的滤波器，经过对数放大 器，然后在指示表上显示出前三次齿轮啮合频率的谐波振幅。各次合格谐波的振 幅都可以进行预调。通过指示表上显示的幅值与预调值比较进行齿轮啮合性能的 评定。其不足在于只能对齿频的谐波进行评价，不能对不合格品做进一步的分析， 数据也不能再现。 国内，黄昌华【4 8 】等提出了一种通过检测对滚检查机从动芯轴振动信号的方法 来间接评定准双曲面齿轮副啮合运转的平稳性，可在不对检查机原有结构进行任 何改变的情况下，便能实现齿轮副间啮合运转平稳性的定量化对比，并可进一步 通过频域分析诊断齿轮副的质量缺陷根源。重庆工学院的郭晓东、米林教授提出 了利用锥齿轮副啮合传动产生的振动与噪声信号来评判其传动质量的思想，郭晓 东指导了两名研究生张明德、李君进行了锥齿轮传动智能综合检测系统的理论研 究与开发工作【4 6 m 4 7 1 ，取得了一定的研究成果。谢建掣4 9 也对螺旋锥齿轮的振动 噪声的检测分析系统进行了相关研究。 9 硕七学位论文第一章绪论 ( 5 ) 锥齿轮滚动检测机床简介【3 3 】【5 0 j 瑞士o e r l i k o n 公司以及美国g l e a s o n 公司生产的数控锥齿轮检测机t 5 0 、 t 6 0 、5 0 0 h c t 、6 0 0 h t t 等，此类数控锥齿轮检测机同时具备滚动检查机、单啮 仪和双啮仪的功能，并且能够进行结构噪声分析，可以说是功能齐备，代表了当 代齿轮综合误差测量机床产品的发展水平。 凤凰5 0 0 h c t 数控齿轮检验机，测量功能强大，性能优越。它能在载荷 1 0 0 n m 以及小轮速度3 0 0 0 r p m 范围内，对锥齿轮、准双曲面齿轮及圆柱齿轮 的齿轮幅使用状态下的的传动性能进行模拟检测；对齿轮幅的齿面接触斑点进行 c c d 成像、图像识别与分析；能够自动调节并确定齿轮副最佳安装距；能够在 高转速加载状态下精确地检测齿轮幅的切向综合误差并进行f f t 频谱分析；采 用加速度传感器对齿轮幅进行三维结构噪声分析。 6 0 0 h t t ( 图1 5 ) 螺旋锥齿轮检测机在螺旋锥齿轮副的c n c 控制滚动检验 方面确立了新的世界标准。可以用来滚动检测弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮副，但 只可检验轴交角为9 0 度的锥齿轮幅，除了具有基本的接触斑点检验功能外，机 床还提供了基于单面啮合及旋转编码器的传动误差检n ( s f t ) 和基于加速度传感 器的结构噪声分析( s b n ) 两项检测能力。 图1 - 56 0 0 h t t 滚动检查机 奥立康( o e r l i k o n ) 公司生产的t 5 0 、t 6 0 控锥齿轮检验机具备的功能与g l e a s o n 公司的5 0 0 h c t 和6 0 0 h t t 相似的功能，能够用于检验轴交角为9 0 度的热前或 热后的各种螺旋锥齿轮及准双曲面齿轮。机床转速可达5 0 0 0 r p m ，制动扭矩可到 2 3 5 n m 。可以对齿轮进行主观检验齿面接触区的形状、位置和大小，以及v h 检验，评价齿轮副运转状况和噪音，且可以选配自动光学识别接触区图像系统。 可以客观地评价和测量双面啮合误差、测量分析单面啮合传动误差( s f t ) 、测量 分析结构噪音( s b n ) 。 国产的滚动检查机( o n 天津第一机床厂生产的y 9 5 5 0 型、内江机床厂生产的 y b 9 5 5 0 型等) 均为普通的机械式或半自动的滚动检测机床，仍然采用传统的滚动 1 0 硕上学位论文第章绪论 检测方法进行啮合区的评判等，与国外的机床及滚动检测技术相比差距很大。 1 4 虚拟仪器及l a b v i e w 概述 1 、虚拟仪器概述【5 1 5 7 1 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 在1 9 8 6 年提出的。所谓虚拟仪器，是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户根据需求 定义和设计的具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系 统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输 出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现数据运算、分析和处理；利用i 0 接口设备完成信号采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器 系统。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的工作 模式，使得用户可以根据自己的需求，充分利用计算机技术，用软件代替硬件设 计自己的仪器系统。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单最本质的含义。虚拟 仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它 与传统仪器相比显示出了众多的优点( 见表l 一1 ) 。 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开放性、灵活，与计算机技术保持同步 关键是软件，系统性能升级方便 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 用户可定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接 开发与维护费用降至最低 技术更新周期短( 1 2 年) 封闭性、仪器相互配合较差 关键是硬件，升级成本较高 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 只有厂家能定义仪器功能 功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护开销高 技术更新周期长( 5 1 0 年) 虚拟仪器系统包括硬件和软件两要素。硬件部分的功能是获取真实世界中 的被测信号；软件部分的作用是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，软件 通常用专用的虚拟仪器开发语言编写。所以，虚拟仪器系统可以用一个简单的公 式来表达：虚拟仪器系统= 计算机及其附件+ 开发虚拟仪器的软件+ 必要的硬件。 计算机 图l _ 6 虚拟仪器的典型结构 硕一l 二学位论文 第一章绪论 虚拟仪器系统主要由计算机、硬件板卡、软件及附件组成，图1 - 6 所示为虚 拟仪器的一种典型结构。用户可以根据要求，灵活地构建自己的测试系统。 通常虚拟仪器测试系统的硬件包括传感器、信号调理、信号采集等i o 接口 设备和通用计算机。计算机一般是p c 机或工作站，是硬件平台的核心，是虚拟 仪器系统的心脏和动力；传感器是测试系统获取信息的基础；i o 接1 3 设备完成 被测信号的采集、放大、a d 、d a 转换等。虚拟仪器的形式取决于实际的物理 系统和构成仪器的f o 接口的硬件类型，但都离不开计算机控制。 应用程序开发环境 仪器驱动程序 输入输出( i o ) 接口软件 图1 7 虚拟仪器软件组成 虚拟仪器系统的软件结构如图1 7 所示，包含以下三部分： ( 1 ) f 0 接口软件：存在于硬件和驱动程序之间，为硬件和驱动程序提供信 息传递，是最接近硬件的软件层，完成对硬件内部寄存器单元进行直接存取数据 操作，是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础。 ( 2 ) 驱动程序层：是系统应用程序实现仪器控制的桥梁，一般以动态链接 库或静态库形式供应用程序调用。 ( 3 ) 应用程序开发环境：完成测试系统数据的分析、计算、存储、显示、 输出等任务，是虚拟仪器的核心和完成任务的关键。 虚拟仪器有多种分类方法，既可以按工作领域分，也可以按测量功能分，但 最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，分为插卡式数据采集卡 ( d a q ) 虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪器、 g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器、现场总线虚拟仪器等。 从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是向高速高精 度大型自动测试设备方向发展，即g p i b v x i p x i 总线方式；另一条是向高性能 低成本普及型系统方向发展，即p c 插卡式l p t 并行口式串口u s b 方式 i e e e l 3 9 4 方式、网卡口方式。 2 、l a b v i e w 介绍【4 6 驯j 在虚拟仪器中，软件起着重要的作用，软件把整个测量系统连接起来。目 前，各种虚拟仪器开发工具和平台种类比较多，但总体上说，虚拟仪器应用程序 的开发环境主要有两类：种是传统的文本式语言的开发平台，主要有包括 v i s u a lb a s i c 、v c + + 、d e l p h i 、n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 等；一种是基于图 形化编程语言的平台，主要有n i 公司的l a b v i e w ，h p 公司的h p v e e ，h p t i g 等开发平台。其中美国n 1 公司的图形化编程平台l a b v i e w 在业界有较大影响， 1 2 硕 ：学位论文第一章绪论 为科研学者和工程师们所推崇。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国国 家仪器公司开发的虚拟仪器程序开发平台，由于采用基于流程图的图形化编程方 式，因此也被称为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 。除编程方式不同，l a b v i e w 与其他编程语言相同，具有编程语言的所有特性，如相似的数据类型、控制结构、 程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。所以，l a b v i e w 不仅仅是 一个功能较完整的软件开发环境，而且是一种真正的编程语言。 用通用文本语言编写的测试系统，功能强大、灵活，可以从系统低层编起， 然而，直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花费大量时 间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这 样要花费大量的时间和精力，直接影响了系统开发的周期和性能。 对测试工程师而言，l a b v i e w 最大的优势是：编程简单，易于理解，尤其 是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手 快，效率高；l a b v i e w 针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务， 设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，可免去自己编写程序的繁 琐，而且l a b v i e w 作为开放的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱 动程序，是一个通用的软件开发平台。 l a b v i e w 提供了一种全新的程序编写方法，是一种简单易用的应用开发环 境，是创建虚拟仪器的理想工具，并且己被广泛应用于测试与测量、