（机械设计及理论专业论文）基于labview的星齿行星减速器性能测试系统的设计.pdf

硕士生：徐莉娜 ( 签名) 猃麴塑眨 指导教师：韩敏 ( 签名) 旌纽 星齿行星减速器是一种将活齿传动与摆线针轮行星传动结合的新型减速器，由西安 科技大学发明并于2 0 0 2 年3 月授权获得国家专利( 专利号0 2 2 2 4 5 7 9 0 ) 。作为一种新型的 减速器产品，星齿行星减速器的性能是否优良成为设计者十分关心的问题。设计者致力 于设计一台具有效率高、噪声低、振动小、温升低的星齿行星减速器。但计算值是在理 想状态下得到的，由于减速器结构等因素的影响，实际使用中星齿行星减速器很难达到 理想的计算效率及其它设计参数。减速器的效率受加工精度和装配精度及使用条件等因 素影响效率低于理论值，这就需要测量减速器的传动效率和相关参数，为星齿行星减速 器的改进设计提供依据。因此，设计一套专门针对于星齿行星减速器性能的测试系统非 常必要且有意义。随着虚拟仪器技术的发展和完善，运用虚拟仪器技术设计减速器的虚 拟测试系统将会成为减速器测试的一种趋势。 本文首先介绍了减速器测试技术的发展现状以及星齿行星减速器基本工作原理，分 析了减速器试验的内容和方法，确定减速器主要的被测参数；选用p c i 6 0 1 4 型数据采 集卡、n b l o o 型扭力变送器、e 1 8 d s l 0 n k 型红外线光电开关、n 1 0 0 铂热电阻等器件， 搭建了虚拟测试系统硬件平台；分析了星齿行星减速器主要参数的测试原理并进行计 算，为下一步编程实现测试功能提供算法基础；运用l a b v i e w 图形化软件编程设计了 一个应用于星齿行星减速器参数的虚拟测试系统，实现了对星齿行星减速器的输入输出 转矩、输入输出转速、传动效率、温度、振动、噪声等主要参数的测试模块的设计，具 有数据记录、波形显示、数据保存、数据分析处理等功能。 在现有的实验条件下，选用精度尽可能高的传统仪器对转速、振动、噪声、温度进 行了实验验证，并将测试值作为近似准确值与虚拟测试系统的测试结果进行了对比、分 析，从而得到该虚拟测试系统的测试值与近似准确值之间的误差。测试结果表明该虚拟 测试系统在测试转速时误差比较大，并对该误差产生原因进行了分析。然而，测试结果 还表明虚拟测试系统的振动、噪声、温度测试模块能满足测试功能的要求、符合通用 齿轮装置型式试验方法( j b 厂r 5 0 7 7 _ 9 1 ) 规定对测试仪器精度的要求。该虚拟测试系统 操作简单、界面友好、有很好的通用性。 关键词：星齿行星减速器：虚拟仪器；测试系统；l a b v i e w 研究类型：应用研究 s ub j e c t： d e s i g n o nl a b v i e w b a s e dv i r t u a l 1 b s “n gs y s t e m o f p l a n e t a 呵g e a r r e d u c e r s p e c i a i t y ：m e c h a n i c a id e s i g na n dt h e o r i t i c a l n a m e：x ul i n a i n s t r u c t o r：h a nm i n ( s i g n a t u 阳) a 砭左丝( s i g 昀t u r e ) 4 么纽丝 ( s i g n a t ur e ) a b s t r a c t h 帆m j p l a n e t a r yg e 盯r e d u c e r ( p g i ui s an e wt y p eo fr e d u c e r 、v h i c hi sb a s c do nt 1 1 e c o m b i n a t i o no fa c t i v eg e a r 觚dc y c l o i dg e a rp l a n e t a 巧- 嘶v e n i ti si n v e n t e db y l ex i a l l u f l i v e r s i t ) ，o fs c i e n c e 锄d1 e c l u l o l o g y 锄dh 嬲b e e na l l t h o r i z e dt h en a t i o n a lp a t e n t ( p a t e mn o 0 2 2 2 4 5 7 9 0 ) i nm a r c h2 0 0 2 a s 觚i m p r o v e dr e d u c e r ，t h ep e r f o m 锄c e so ft h ep g i h ev e 巧 i n l p o n a l l tf o r t h ed e s i 9 1 1 e r s d e s i g l l e r sh a v ea p p l yt h e m s e l v e st od e s i 印i n gt h ep g r 、忻t hh i g l l e f n c i e n c y l o wn o i s e ，s m a uv i b r a t i o 玛l o wt e m p e r a t l l r er i s e r h o w e v e r ，i ti sd i m c u l tf o rt h e p g rt oa c l l i e v ec o m p 讹l t i o n a le 衢c i e n c y 趾do t l l e rd e s i 印e dp 猢e t e r si na c t u a lu s eb e c a u s e s u c hf i a c t o r se a e c ti ta ss t n l c t u r eo f l er e d u c e r 锄dt h ec a l c u l a t e dv a l u ei sg i v e nmm ei d e a l 咖t e t 1 1 ee 佑c i e n c yo ft h er e d u c e ri sl o w e rt h a nm e 恤o r e t i c a lv a l u ea 舵c t e db ym a c h i l l i n g a c c u r a c y ，c o n s t r i l c t i o n a la c c u r a c y t 1 1 ec o n d i t i o n s 觚do t h e rf a c t o r s ，s oi ti sn e c e s s a r yt 0t e s t i n g t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n do t h e rr e l a t e dp a r 锄e t e l 葛i no r d e rt op r o v i d eab a s i sf o r i i n p r o v e dd e s i g n t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a d ，a n dm e a 血n g 如lt 0d e s i g nas p e c i a lt e s t i n g s y s t e mf o rm ep g r w i t l lt h ed e v e l o p m e n ta 1 1 di m p r o v e m e n to f v i n l l a li n 蜘e m t e c h n o l o g y ， i tw i l lb eat i i e n df o rt h et e s t i n go ft l l er e d u c e rt 0d e s i g nv i r i m lt e s ts y s t e mb yu s m go fv i n l j a l i n s 臼咖e n tt e c l l o l o g y f i r s t l y ，t h i sp 印e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e mo ft e s t i n gt e c l u l o l o g ya sw e l l 嬲t l l eb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ep g r ，a f l da 1 1 a l y s e sn l ec o n t e n t sa 1 1 dm e t l l o d so ft h et e s t i n go ft h e p g r ，a n dd e t e 咖i n e st l l em a i np a r a n l e t e r so ft l l er e d u c e r ；u s i n gp c i 一6 0l4 眦aa c q u i s i t i o n c a r d ，n b l 0 0 一t y p et o r q u et r a n s d u c e r e 1 8 - d s l 0 n km 行a r e dp h o t o e l e c t r i cs 、杭t c 也p t l o o p l a t i 叫mr e s i s t a n c ea i l do m e rd e v i c e s ，t h j sp 印e rs e t su pt h eh 袱1 w a r ep l a t f 0 mo ft 1 1 i sv i n u 【a l t e s t i n gs y s t e m ；np r o v i d e st l l ea l g o r i t l l i i lf o rp r o g r 舢i n gt 0a n a l y s ea n dc a l c u l a t i n gt l l e t e s t i n gp r i n c i p i eo ft 1 1 e m a i np 跏l e t e r so f l ep g r ；1 h ev i m l a lt e s t i n gs y s t e m ，w h i c hi s d e s i g n e db yu s eo ft h es o 日n 雌o fl 2 l b v i e w ，h a st h ef u n c t i o n so ft e s t i n gs u c hp a r i l i n e t e r so f r u k 嬲n l el n p u t 觚do u t p u t t o r q u e ，i i l p u ta n do u t p u ts p e e d ，缸a i l s m i s s i o n e 伍c i e n c v t e n l p e r a _ t u r e ，v 1 b r a t i o n ，n o i s ea i l do t h e 塔，a 1 1 di th a st l e 鼬1 c t i o n so f ( 1 a t ar e g i s t e 咖w a v e f o m d i s p i a y i n g ，d a t ap r e s e a t i o n ，d 疵ia 1 1 a l y z i n ga i l dp r o c e s s i n g un d e rt h ee x l s t m ge x p e r i m e m a jc o n d i t i o n s ，t h j sp a p e rv a l i d a t e ss o m e 向n c t i o n so f t h e 咖l t e s t l n gs y s t e m n 啪u 曲c o r n p 撕n ga n da n a l y s i s i n gt h er e s u l t st e s t e db yt 1 1 e v i 咖a 1 t e s 1 n gs y s t e m 、v l he x a u c t 印p r o x i i i l a t i o n st e s t e db yt h et r a d i t i o n a li n s t 九j 1 1 1 e 鹏，t h j sp a p e r g e t s t 1 1 ee 仃0 r sb e 讯7 e e nt h e m t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee 玎o ri sb i g 、v h e nt e s t i i 培t l l e s p e e d ，s ot 1 1 i s p a p e r 猢l y s l st h e 蚴0 nf o rm ee 啪r h o w e v e r ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o w e dm a t t 1 1 e n 0 1 s et e s n n gm o d u l ea l l dt e m p e r a t u r et e s t i n gm o d u l ec a n m e e tt h et e s t i n gr e q u i r e m e n t sa r l d t h ea c c u m c yr e q u l r e m e n t so fr e l e v a l l tp r 0 v i s i o n s t h i sv i n u a lt e s t i n gs y s t e m i ss i m p l e ， k e y w o r d s ： r e d u c e r v i n u a li n s t r 啪e n t t e s t i n gs y s t e 加l a b v i e w t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名徐莉挪日期2 矽9 年多月锢 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者躲徐翔奸 指导教师签名： 少，己 种私 i l 刁 6 月岁日 1 绪论 1 1 课题的提出及研究的意义 1 绪论 通过减速器可以把较高的速度转化为较低的速度，它在各个领域中都得到了广泛的 应用，随着先进科学技术的发展，减速器也在不断地改进。星齿行星减速器就是在这种 情况下应运而生的一种新型减速器，由西安科技大学发明并于2 0 0 2 年3 月授权获得国 家专利( 专利号0 2 2 2 4 5 7 9 0 ) 。 星齿行星减速器是一种改进后的新型摆线针轮减速器。摆线针轮减速器以其结构紧 凑，体积小，重量轻，与同功率同传动比的渐开线齿轮减速器相比体积和重量可减小 3 0 5 0 ，传动比大且范围宽，运转平稳，无噪音，具有较大的过载能力和较高的耐冲 击性能，机械效率高，单级传动效率可达o 9 0 9 7 ，使用寿命长等诸多优点而得到广泛 的应用【1 。3 1 。 星齿行星减速器作为一种新型的摆线针轮减速器产品，其性能是否比一般的摆线针 轮减速器优良就成为设计者十分关心的问题。同时，它作为一个整体的部件与其它装置 一起使用的时候，就必须要考虑它的传动效率，输入输出的转矩大小，还有它的噪声的 大小，稳定性，润滑的条件和摩擦时所导致的温升，使用寿命，及其整体性能等等【4 】。 而且，减速器的性能本身就是工程界十分重视的一个问题，它直接影响产品成本及 能源消耗，设计师们都致力于设计效率高，噪声低，振动小，温升低的减速器。但是， 由于减速器结构等因素的影响，实际工作中很难达到理想的设计值。实际减速器参数受 加工精度和装配精度及使用条件等因素影响将低于计算值，这就需要对减速器的参数进 行实际的测量，为减速器装置的选择及改进设计提供数据，星齿行星减速器也不例外。 在这种情况下，为星齿行星减速器设计专门的性能测试系统就成为了一个亟待解决的问 题。 目前，除了近年来进口的减速器设备配有专门的性能测试装置外，大多数减速器都 没有配套的性能测试设备。有些减速器虽然安装了测试装置，但主要是针对运行状态起 后备保护作用，且为了固定，安装于某一台设备上，功能单一，只是一些参数的测试和 显示，没有全面的数据分析能力。随着社会和先进技术的发展，人们越来越重视设备运 行状态以及状态的分析，以便将可能发生故障提早发现，同时为减速器技术的改进提供 数据参考。但是由于现有的测试仪器价格昂贵、功能单一、数据处理能力差等原因，现 有的测试仪器很难在减速器测试领域得到广泛应用。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着l a b v i e w 等软件的发展和完善，国内外逐渐掀起了运 用软件设计虚拟仪器进行实际测试的热潮，并在实践中发挥了重要的作用。由于虚拟仪 西安科技大学硕士学位论文 器可以大大缩短研发周期、降低成本、提高测试精度、自由设置测试任务、能充分利用 计算机强大的处理功能、并能与多种软件结合使用等优点，因而在国内也逐渐成为测试 领域发展的新方向。 本文在虚拟仪器技术的基础上，运用l a b v i e w 软件编程设计了一个符合星齿行星 减速器性能测试要求的虚拟测试系统，这对于星齿行星减速器性能的研究和进一步的改 进发展具有重要的意义。 1 2 减速器测试技术的发展现状 由于减速器测试技术对于减速器的进一步发展和改进起着非常重要的作用，在国 外，相关技术的研究较早地受到了重视和得到了发展。对减速器性能的测试可以追述到 对齿轮装置的测试。早在1 9 3 1 年，美国机械工程师学会( a s m e ) 齿轮强度专门委员会就 对不同齿轮材料的表面疲劳特性进行了大量的试验研究。从1 9 4 6 年起还进行了长达1 5 年之久的齿轮弯曲疲劳试验研究，作了大约3 0 0 0 多个齿轮的试验，试验结果为美国齿 轮制造业协会( a g m a ) 所采用。以后，美国国家宇航局( n a s a ) 的l e 诵s 研究中心成为重 要的齿轮试验研究机构。这个机构研究的内容比较广泛，但主要研究领域是有关齿轮热 特性和热动力学，因此在齿轮的冷却特性、温度场、齿面温度、热变形等方面的理论研 究和试验研究都取得许多重要的进展。国际上最著名的齿轮研究机构是由g n i e m 籼教 授于1 9 5 1 年创建的西德慕尼黑大学的齿轮研究室( f z g ) 。这个研究室从建立时就非常重 视试验研究，它设计了著名的f z g 齿轮试验机，编制了f z g 齿轮试验规程。由这个研 究室提供的大量试验数据，已成为i s o 齿轮承载能力计算标准的基础。此外，苏联以中 央机械制造与工艺研究院( h h n n t m a ) 的齿轮试验室为中心，同时在一些大学( 如奥德 萨工学院等) 和工厂进行了大量的齿轮试验研究工作，这些研究成果在r o c t 2 1 3 5 4 7 5 渐开线圆柱齿轮传动的强度计算中得到充分的反映p j 。 上世纪6 0 年代后期，国内才对齿轮减速器进行了比较深入、系统的研究和试制工 作，齿轮减速器性能的测试也才随之发展起来。国内真正全面开展齿轮试验研究工作起 步较晚，1 9 7 9 年，北京钢铁学院、郑州机械研究所和北京市机电研究院等单位组成齿轮 研究小组，用三年时间，运转试验了近2 0 0 多对齿轮，对我国钢球齿轮的承载能力进行 了全面的试验研究，这是至今已知的一次较大规模的齿轮试验研究。此后，齿轮的试验 研究有较大进展，如各种软硬齿面钢齿轮极限应力的测定，齿轮的变形和刚度、油膜厚 度和齿轮瞬时温度的测定都取得初步的成果。一些现代的测试方法，如激光散斑法测定 齿轮变形、原子吸收光谱法测定轮齿磨损量，开始在齿轮试验中得到应用。在齿轮试验 装置的设计和研制方面也加快了步伐，2 0 世纪8 0 年代，已有多种齿轮试验机，如c l 1 0 0 ， j g 15 0 等经鉴定后投入批量生产。齿轮试验机和试验规程的规范化和标准化已经提到日 程上来了【5 7 1 。 2 l 绪论 2 0 世纪9 0 年代开始，国内减速器测试日趋成熟，有很多对减速器进行测试的实例。 1 9 9 2 年合肥第二汽车制造厂技术中心利用微机技术、电动同步式加载器等对一种齿轮试 验机进行了介绍，该试验机可以对几种车型的变速箱齿轮及变速箱进行多目标试验研究 【引。1 9 9 8 年，北京理工大学车辆工程学院的阎清东，项昌乐，冯永存运用定轴式齿轮、 传动箱及弹性扭轴进行功率封闭；利用行星传动、谐波传动及计算机控制技术进行动态 加减载，对功率封闭机械式变速器齿轮寿命试验台进行了设计，实现了试验过程的自动 控制【9 】。2 0 0 1 年，山东科技大学和兖州矿业集团公司常州科学技术开发研究所联合研制 了矿用大功率减速器计算机辅助测试犯a t ) 试验台，具有加载功率大整体结构简单加载 调节方便可靠测试项目全面和全部试验数据由计算机自动采集与处理的特点。该试验台 总体方案设计原则为结构简单操方便测试精度高工作安全可靠及节约投资【l o l l j ；2 0 0 4 年北京工商大学的秦宇辉，辛洪兵，李增，肖亚平运用机电一体化技术对谐波齿轮减速 器的传动性能进行了研究【l 列；2 0 0 5 年，江西理工大学的梁礼明，王祖麟，张振利与江 铃公司合作开发了新型的大功率变速箱试验台电加载控制系统，额定功率7 5 k w ，额定 转速3 0 0 0 r m i n ，调速范围为5 级，试验台系统运行稳定，性能可靠，调速范围宽，加 载方便，抗干扰能力强，节能效果显著，为7 0 左右【l3 1 4 j 。2 0 0 7 年，太原理工大学的皇 甫雨亮运用机械技术、先进的计算机技术和电子技术提出了一种减速器试验台系统； 2 0 0 7 年，杭州市标准化研究院的骆庆设计了基于l a b v i e w 的蜗杆减速器测试系统，对 当时的蜗杆减速器测试系统进行了改造，采用虚拟仪器平台，充分发挥了计算机的处理 能力，减少了硬件成本。系统测量精度高，便于实现数据分析处理和输出测试报掣1 5 1 ； 2 0 0 8 年，合肥工业大学的王亚芹运用l a b v i e w 软件对微型减速器的机械性能测试系统 进行了设计，用于检测微型减速器的机械效率、振动以及产品的电气参数。系统界面友 好、操作简单、使用方便，性价比高，满足了用户的使用要求，且其价格优势可以使产 品更加具有竞争力。 综上可知，随着计算机技术的飞速发展，采用计算机与传统减速器测试仪器相结合 的测试系统取代完全由传统仪器构成的测试系统已经成为现实，目前，随着虚拟仪器技 术的同渐完善和发展，运用计算机技术和虚拟仪器技术相结合来设计实用、通用性好、 测试精度高、功能强大的虚拟测试系统已经成为减速器测试技术发展的一种趋势。 总结减速器测试技术的发展，主要可以归结为以下四个阶段。 第一阶段，完全运用传统仪器进行减速器测试，采用人工记录数据、计算、分析、 处理，其特点是工作量超大、效率极低、精度低。 第二阶段，随着1 9 4 6 年由美国的毛琪利与爱克特发明的世界上第一部真正可以称 得上计算机的机器诞以后，计算机技术发展迅速，在测试技术领域里，传统仪器逐渐与 计算机相结合，形成了新型的减速器测试系统，在一定程度上缩减了人的工作量。其缺 点是必须由专业的编程设计人员自行设计计算机与传统仪器之间的接口电路、接口程序 3 西安科技大学硕士学位论文 等，所以其工作量还是很大、费用高、通用性差。 第三阶段，随着计算机技术的飞速发展，计算机的处理功能越来越强大，通用性也 越来越强。这一阶段的减速器测试装置发展为，虽然也是由计算机和传统仪器组合而成 但功能却同渐完善和强大的新型智能仪器，其特点是通用性很强，基于计算机编程语言 如c 、v b 、v c + + 等语言环境并结合机械装置、电子元器件设计的综合测试系统对减速 器性能进行测试，系统灵活、操作方便、功能强大。 第四阶段，随着2 0 世纪8 0 年代虚拟仪器技术的问世，它便以它分析处理性能高、 扩展性强、开发时间少、无缝集成四大独有优势正逐渐取代传统仪器。它的特点是运用 l a b v i e w 等可视化软件编程实现所有传统仪器所实现的测试功能，且可以与大量的其 它编程语言兼容使用，具有强大的数据处理能力和通用性，操作方便直观，界面友好， 研究周期短，成本低，功能可根据需要自主设计。 1 3 本课题的主要研究内容 本文在虚拟仪器技术的基础上，运用l a b v i e w 软件，设计了一种应用于星齿行星 减速器的输入输出转矩、输入输出转速、机械效率、温升、振动、噪声等参数测试的系 统。本文主要完成了以下几方面的内容： ( 1 ) 通过大量阅读国内外相关文献，了解目前的减速器测试技术的研究现状。根据新 型减速器产品型式试验内容的规定，分析并确定了星齿行星减速器试验内容和方法，对 星齿行星减速器主要参数的测试原理进行了分析、推导和计算，为下一步编程提供算法 基础。 ( 2 ) 根据被测参数的特点、测试范围及试验条件，对虚拟测试系统的硬件进行选择和 安装，并对所选用的传感器的测试原理进行了分析，推导出传感器输出信号与被测量之 间的标度变换关系。 ( 3 ) 在对星齿行星减速器的被测参数进行研究的基础上，详细分析了各参数的测试原 理，并对相关的公式进行了推导、计算。然后，在l a b v i e w 软件平台上编程设计了星 齿行星减速器性能测试系统，用于对星齿行星减速器的输入输出转矩、输入输出转速、 传动效率、振动、噪声、温度等主要参数的测试、数据记录、波形显示、数据保存、数 据处理等。 ( 4 ) 对所设计的虚拟测试系统进行了实验验证。由于实验条件的限制无法对减速器的 扭矩进行实测，因此只对星齿行星减速器的输入输出转速，振动，噪声，温度进行了实 验验证。在对虚拟测试系统实验的同时，选用尽可能高精度的传统仪器也对这些参数进 行测试，并将测得的两组数据结果进行对比、分析，得到两组值之间的误差，在以传统 仪器的测试结果作为近似准确值的情况下，根据误差对所设计的虚拟测试系统进行简单 的评价。 4 1 绪论 1 4 论文结构 本文共分为六章，整体结构和各章节具体内容如下： 第一章绪论。在提出课题的基础上，阐述了研究本课题的意义；介绍了减速器测试 技术的国内外研究现状；并对本课题研究的内容及论文章节作了安排。 第二章星齿行星减速器性能测试原理及试验内容。简单介绍了星齿行星减速器的结 构、特点；根据通用齿轮装置型式试验方法( j b t 5 0 7 7 _ 1 ) 的规定，确定了星齿行 星减速器试验的方法、内容：并确定了在试验中需要测试的减速器的主要参数，对参数 的测试原理和公式进行了推导、计算。 第三章虚拟测试系统硬件平台设计。根据被测参数的特点、范围及测试条件，对虚 拟测试系统所需的数据采集卡、传感器进行了选择，选用了p c i 一6 0 1 4 数据采集卡、n b l 0 0 型扭力变送器、e 1 8 d s l o n k 型红外线光电开关、p t l o o 铂热电阻、y d 3 7 型压电加速 度传感器、n d l 0 型声级计等硬件装置，确定了各传感器的安装位置，并它们的测试原 理进行了分析，推导了对应的标度变换公式，对虚拟测试系统的硬件平台进行了搭建。 第四章虚拟测试系统软件设计。简单介绍了虚拟仪器的概念和l a b v i e w 软件平台； 对编程过程中所用到的主要信号处理分析方法进行了介绍；运用l a b v i e w 软件编程设 计了星齿行星减速器的虚拟测试系统，对测试系统各部分的功能及编程原理进行详细的 分析和说明，并给出了虚拟测试系统中主要模块的程序图和前面板图。 第五章数据处理及结果分析。对所设计的虚拟测试系统的转速测试模块、振动测试 模块、噪声测试模块、温度测试模块进行了功能的实验验证，由于实验条件的限制无法 对减速器的输出扭矩进行实测，因此只对星齿行星减速器的输入输出转速，振动，噪声， 温度进行了实验验证。在对虚拟测试系统实验的同时，选用尽可能高精度的传统仪器也 对这些参数进行测试，并将测得的两组数据结果进行对比、分析，得到两组值之间的误 差，在以传统仪器的测试结果作为近似准确值的情况下，根据误差对所设计的虚拟测试 系统进行简单的评价。 第六章总结与展望。总结概括全文所做内容，指出本文的主要成果。同时展望对该 课题需要进一步研究的方向。 5 呈耋耋釜盔兰罂圭茎竺竺圭 2 星齿行星减速器性能测试原理及试验内容 星齿行星减速器是由西安科技大学发明并于2 0 0 2 年3 月授权获得国家专利( 专利号 0 2 2 2 4 5 7 9 o ) 的一种新型减速器。该减速器将活齿传动与摆线针轮行星传动结合起来，与 同功率同传动比的渐开线齿轮传动相比具有结构紧、体积小、重量轻的特点。下面主要 研究一下它的性能测试原理、方法和内容。 2 1 星齿行星减速器基本工作原理 星齿行星减速器是一种在摆线针轮行星传动的基础上进行改进的新型传动装置，它 运用了一种新型的行星传动方式，即圆形活齿行星传动用圆柱替代摆线齿形，将星 齿与针齿均设计为活齿。它不仅具有一般摆线针轮行星传动的体积小、重量轻、传动比 大等优点，而且由于其全部采用圆柱活齿结构，克服了摆线针轮需专用机床加工的缺点： 同时将圆柱活齿与销孔式输出机构的销轴合二为一，销轴分布圆直径明显增大，增大了 转臂轴承直径，使其寿命提高。 星齿行星减速器的结构如图21 所示。 图2 1 星齿行星传动结构 星齿行星传动装置由输入轴、行星轮及销轴式输出机构组成，其基本结构如图2 1 所示。它由行星轮中的输入轴1 、偏心套2 、星齿座3 、星齿4 、针齿座5 、针齿6 、转 臂轴承7 和输出轴8 组成。并且它将输出机构与星齿合而为一，增大了容纳转臂轴承的 空间，运动时，星齿座上的各活齿与针齿座上的活齿相啮合。 电机通过输入轴l 带动偏心套2 转动时，由于针齿座5 与机座周定不动，迫使星轮 2 星齿行星减速器性能测试原理及试验内容 3 做行星运动，并通过销轴将运动输出。当输入轴旋转时，其上的偏心套带动转臂轴承 旋转，使转臂轴承外圈上空套的星齿和针齿做偏心运动和错齿运动，这时针齿既做高速 公转，又做低速自转的行星运动。针齿的自转通过其圆柱滚子的另一端作为销轴，与输 出轴销盘上的销孔始终相互接触而转动，将针齿的行星运动变成输出轴的低速、定轴转 动，以实现减速【1 6 舶】。 2 2 试验方法、内容的确定 根据通用齿轮装置型式试验方法( j b t 5 0 7 7 - - 9 1 ) 的标准所规定，符合下列情况 之一者，应进行型式试验：新产品试制，老产品转厂生产时；当改变产品的设计、工艺、 材料而对产品性能有较大影响时；停产两年后，恢复生产时；成批生产的齿轮装置，其 基本性能应进行周期性测试，每次随机抽样不少于2 台。 星齿行星减速器符合其中第一种情况，故需按照通用齿轮装置型式试验方法 ( j b t 5 0 7 7 - 9 1 ) 中所规定的内容进行型式试验。且该规定适用于转速小于3 0 0 0 r r 【血l 各种具有单独箱体的通用动力闭式齿轮传动装置，星齿行星减速器是转速在3 0 0 0 r m i n 范围内的单独箱体闭式齿轮传动装置。综上两点，通用齿轮装置型式试验方法适用于被 试星齿行星减速器。 按通用齿轮装置型式试验方法( j b 厂r 5 0 7 7 9 1 ) 之规定，型式试验项目主要包括 基本性能试验和耐久性试验。其中，基本性能试验包括：跑和试验；加载试验；传动效 率测试；温升测试；噪声测试；振动测试；耐久性试验包括：疲劳寿命试验；超负荷试 验。由于齿轮装置耐久性试验具有破坏性，是实际条件所不允许的，故只进行齿轮装置 基本性能试验。本课题中所设计的虚拟测试系统需要完成的测试项目有：星齿行星减速 器的加载试验、传动效率试验、温升试验、噪声试验、振动试验。试验的具体内容如下： ( 1 ) 加载试验 加载试验在跑和试验完成之后进行。在星齿行星减速器的额定负载下，使星齿行星 减速器依次在5 0 0 r m i n 、7 5 叫m i n 、1 0 0 0 r m i n 、1 2 5 0 r r n i i l 、1 5 0 0 r m i l l 转速下运转至达 到油温平衡状态后2 小时以上，同时，记录运转时间、输入输出转矩( 或功率) 、输入输 出转速、传动效率、油温，运行完成后检查齿面接触斑点及破坏情况。 ( 2 ) 传动效率试验 传动效率是星齿行星减速器的主要性能参数，通常是指在额定转速以内的不同转速 下，测定传动效率随输入转矩( 功率) 改变的关系，得到传动效率与转速、转矩之间关系 的规律，并绘制一系列不同转速下的转矩效率曲线，得到效率峰值。 使星齿行星减速器依次以5 0 0 r m i n 、7 5 0 r r n i n 、1 0 0 0 r m i n 、1 2 5 叫n 曲、1 5 0 0 r m i n 的转速运转，运转达到热平衡状态后，开始测量转矩。逐档加载测试，使输出转矩从0 开始以额定值的1 0 递增直到1 0 0 ，记录下各档的转速、转矩、负载，以及传动效率， 7 西安科技大学硕士学位论文 作出不同转速下的转矩效率曲线，记录各个转速下的效率峰值，并总结出效率随转速、 转矩变化的规律。在施加各档转矩时，星齿行星减速器应保证运转正常，无渗漏油及其 他异常现象。 ( 3 ) 温升试验 温升试验的内容主要是测试星齿行星减速器润滑油温升。在额定转速、额定转矩下， 星齿行星减速器试验台连续运转至油温达到平衡，记录达到热平衡所需时间，每5 分钟 采集一次油温、室温，以时间为横坐标，温升为纵坐标绘制星齿行星减速器的温升曲线。 试验时间为齿轮装置开始运转到热平衡( 1 小时内油温上升不超过1 时，认为达到热平 衡状态) 后3 0 m i n 止。 ( 4 ) 振动试验 在额定转速( 1 5 0 0 r m i n ) 、额定转矩( 3 6 n m ) 下运转，分别测出星齿行星减速器的轴、 箱体在水平方向、竖直方向、轴向三个方向上的振动情况。记录下各个方向振动的速度、 加速度、位移，并对振动情况进行频谱分析，得出振动的主要频率范围。 ( 5 ) 噪声试验 在额定转速( 1 5 0 0 r m i n ) 的情况下，分别测空载时和额定转矩下( 3 6 n m ) 星齿行星减速 器的噪声。噪声测试在星齿行星减速器被设计温度范围内的热平衡状态下进行。如无法 在热平衡状态下进行，应在测量结果中除去由于齿轮装置温度变化产生的影响。 2 3 星齿行星减速器主要性能参数及测试原理 星齿行星减速器的传动比为2 9 ，额定输入功率为5 5 k w 。 根据通用齿轮装置型式试验方法( j b t 5 0 7 7 - 9 1 ) 规定可知，星齿行星减速器综 合性能试验中需要测试的参数主要包括输入输出转矩、输入输出转速、传动效率、温升、 振动、噪声等，它们从不同的方面反映了星齿行星减速器的性能。下面将对各性能参数 及其测试原理进行详细的阐述。 ( 1 ) 传动效率的测定 传动效率直接影响星齿行星减速器的能源消耗，因此，传动效率是星齿行星减速器 质量的重要指标之一。根据机械效率的相关原理，结合试验台中直流电机、联轴器的效 率等，对星齿行星减速器的传动效率的计算公式进行了如下的计算和推导。 星齿行星减速器运行时的传动效率可用下式表示： 叩= 妥 亿， 式中，r 星齿行星减速器的输出功率，k w ； 只星齿行星减速器的输入功率，k w ； 根据功率的计算公式： 8 2 星齿行星减速器性能测试原理及试验内容 尸：尘竺1 0 ：兰l ( 2 2 ) 式中，卜功率，k w ； 肛一转速，r 】：l l i i l ； 弘一转矩，n m 。 根据实际测试条件，并结合上式可得出，星齿行星减速器的输入功率只的计算公 式为： 叹= 胬= 等”鬻铲 亿3 ， “ 9 5 5 09 5 5 0 ” 9 5 5 0 仃孙 式中，只星齿行星减速器的输入功率，k w ； 刀、星齿行星减速器的输入转速，r m i n ； 瓦星齿行星减速器的输入转矩，n m ； 毛机入直流驱动电机的输入转矩，n m ； m g _ 由于直流驱动电机转动而对其外壳所造成的扭力的大小，n ： ，直流驱动电机运行时，对其外壳所造成的扭力的力臂，m ； 直流驱动电机的效率，7 7 0 = 8 7 ； 确联轴器的效率，确= 9 8 。 同理，星齿行星减速器的输出功率r 的计算公式为： d 一 刀出出 凡2i 誓卫 出 9 5 5 0 7 7 l ( 2 4 ) 式中，毋星齿行星减速器的输出功率，k w ； 山星齿行星减速器的输出转速，r m i n ； 瓦星齿行星减速器的输出转矩，由安装于联轴器后面的扭力变送器测得，m ； 砀联轴器的效率，仇= 9 8 。 由星齿行星减速器的输入功率的计算公式( 2 3 ) 和输出功率的计算公式( 2 4 ) 可得出 星齿行星减速器的传动效率叩的计算公式为： 玎= 每= 舞等= 赤，爰啬= 去。啬， 。 尸9 5 5 0 玎 9 5 5 0 ，7 ，7 2刀入，打彬f ，7 ”2 ，卯可 。7 式( 2 5 ) 中，f 为星齿行星减速器的传动比，星齿行星减速器的输入转速与输出转速 之比，卢2 9 。 将卢2 9 ，吼= 9 8 ，编= 9 8 ，g = 9 8 n 瓜g ，卢0 6 m 代入式( 2 5 ) ，可得星齿行星减速 器传动效率的计算公式为： 叩= 0 0 0 7 垫 所 ( 2 6 ) 9 西安科技大学硕士学位论文 由公式( 2 6 ) 可知，星齿行星减速器的传动效率与其输出转矩和直流驱动电机的输入 扭力的比值成正比。因此，只要测出联结在星齿行星减速器前面的输入扭力、星齿行星 减速器的输出转矩，即可计算出该减速器的传动效率卵。记录下传动效率随着转速、转 矩、负载的变化而变化的数据，并绘制曲线，总结传动效率变化的规律，得出星齿行星 减速器传动效率的峰值。 ( 2 ) 温度的测定 星齿行星减速器温度的测定包括环境温度、润滑油温度( 即油温) 、箱体温度。其中 最主要的被测的参量为油温，指星齿行星减速器运转正常后油温所能上升到的恒定温度 值，一般来说，不同的运行状态( 如转速、转矩、负载等变化时) 所能达到的平衡油温是 不同的。通常情况下需要记录下在不同运转状态下，油温与环境温度的差值随时间变化 的曲线，叫做温升曲线。 温升曲线的绘制：采用分辨率不小于1 的温度计，首先测试并记录环境温度，然 后让星齿行星减速器在某种运转状态下正常运转，每隔五分钟记录下油温，直至达到热 平衡状态( 1 小时内油温上升不超过1 时，认为达到热平衡状态) ，以时间为横坐标，以 油温与环境温度的差值为纵坐标，描点并绘制曲线，则该曲线即为温升曲线。并绘制出 平衡油温随转速、转矩、负载变化的曲线。 试验时间为齿轮装置开始运转到热平衡后3 0 m i n 止。 ( 3 ) 振动的测定 在额定转速( 1 5 0 0 r m i n ) 下运转，测定星齿行星减速器的机械振动。包括星齿行星减 速器的轴体及箱体的振动。振动需从径向和轴向进行测试，其中径向包括水平径向和竖 直径向，即从水平方向、竖直方向和轴向三个方向来测试星齿行星减速器的振动。 ( 4 ) 噪声的测定 在额定转速( 1 5 0 0r m i n ) 的情况下，分别测空载时和额定转矩下( 3 5 n m ) 星齿行星减速 器的噪声。噪声测试在星齿行星减速器被设计温度范围内的热平衡状态下进行。如无法 在热平衡状态下进行，应在测量结果中除去由于齿轮装置温度变化产生的影响。 标度变换原理的设计与计算 噪声信号的测试，在对其进行下一步通过软件编程对噪声信号进行显示、处理之前， 首先要计算出噪声信号的分贝值与声级计所输出的电压之间的关系，即标度变换。标度 变换之后才能对噪声信号的分贝值进行显示，或其它处理。下面将详细介绍对应于该声 级计的标度变换的计算过程。 n d l o 型声级计，量程为1 0 d b 1 3 0 d b ；电表刻度为o d b + 1 0 d b 和5 d b o d b ；放大 器输出电压( 电表满刻度时) 2 v 有效值。且由声级计所输出的电压值u 与声压p 成正比关 系，即 p = “( 2 7 ) 1 0 2 星齿行星减速器性能测试原理及试验内容 式( 2 7 ) 中，为比例系数。又由声压级的定义式： 三口= 2 0 l g 上 ( 2 8 ) p o 式( 2 8 ) 中，易一声压级，单位为d b ； p 声压，单位为p a ； 仇基准声压，定义为2 1 0 。助，是频率为1 0 0 0 h z 的听阈声压。 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可得声压级易与输出电压甜之间的关系式： 三，= 2 0 l g 竽 ( 2 9 ) 0 令、尸。的比值为总的比例系数七，则： 上。= 2 0 l g 砌 ( 2 1 0 ) 根据式( 2 1 0 ) 来讨论：在声级计选择不同量程时，声压级厶与输出电压“之间的关 系式，确定总比例系数七的值。 当量程为8 0 d b 时，满刻度电压2 v 对应的噪声值为9 0 分贝，设后为该量程下的对 应系数，即： 2 0 l g ( 2 j i ) = 9 0j2 0 ( 1 9 2 + l g 七) = 9 0 = ，l g 七= 4 5 一1 9 2 4 2( 2 11 ) 则，若当声级计输出的电压为1 5 v