（机械电子工程专业论文）齿轮润滑试验台研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 齿轮是机械中应用非常广泛的重要传动零件，齿轮的失效将直接影响整个 机械的使用。齿轮的失效研究除理论分析外，更多的是依赖于齿轮试验设备。 本文针对齿面瞬时温度的检测，设计了一种新型功率流开放齿轮润滑试验台， 可以在线测量不同润滑方式、不同载荷和转速条件下齿面瞬时温度的数值，对 齿面弹性流体动力润滑参数的试验研究具有重要意义和实用价值。 设计了试验台的传动系统、液压加载系统和润滑系统的结构，并进行了理 论分析和设计计算。使用s o l i d w o r k s 软件对试验行星传动齿轮箱进行了三维实 体建模，并进行了运动仿真，从而检验和评估了其零件结构、装配工艺性和齿 轮传动。利用m a t l a b 的s i m m e c h a u i c s 对行星齿轮传动机构进行了建模和运 动学仿真。采用热电偶直接测量法测量齿面温度，较以往有更高的准确性。研 究了基于s i m m e c h a n i c s 的行星齿轮传动机构运动学分析方法。设计了可跟踪齿 轮啮合区的具有单相流体和油气两相流体润滑的自动控制循环润滑系统。 关键词：齿轮试验台；行星齿轮传动；油气润滑；齿面温度：s i m m e c h a n i c s 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 i l l a b s t r a c t t h e g e a r i s i m p o r t a n tp a r t o fp o w e rt r a n s m i s s i o n ，i ti su s e d w i d e l yi n m a c h i n e g e a rf a i l u r e sw 珊a f f e c tw o r ko fw h o l em a c h i n e t h er e s e a r c ho f i n f l u e n c ef a c t o ro ng e a rf a i l u r e ，e x c e p tg h e o r ya n a l y s i s ，m a i n l yd e p e n do ne x p e r i m e n t 0 1 1g e a rt e s tr i g t h i sp a p e rf o c u s e so nm o n i t o r i n go ft h eg e a rs u r f a c et e m p e r a t u r e ，a n e wo p e nl o o pp o w e rc i r c u l a t i n gg e a rt e s tr i gw i t hal u b r i c a t i o ns y s t e mw a s d e v e l o p e dt om o n i t o ro n l i n eg e a rs u r f a c et e m p e r a t u r ei nr e a lt i m e ，u n d e rv a r i o u s r u n n i n gc o n d i t i o n s ，s u c h a s l o a d ，s p e e d ，o rt y p eo fl u b r i c a t i o nc h a n g e i ti so f c o n s i d e r a b l es i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a li m p o r t a n c ef o re x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f e l a s t o h y d r o - d y n a m i c l u b r i c a t i o np a r a m e t e r s 。 t h ed r i v es y s t e m ，- h y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e ma n dl u b r i c a t i o ns y s t e mo fg e a rt e s t r i g w e r ed e s i g n e d i t st h e o r ya n a l y s i sa n dd e s i g nc a l c u l a t i o nw e r ep e r f o r m e d ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o nb o xw e r ep e r f o r m e db a s e d o ns o l i d w o r k s ，s od e s i g n i n g ，a s s e m b l i n go fp a r t sa n dt r a n s m i t t i n go fg e a r sw e r e t e s t e da n d e v a l u a t e d b yu s i n g s i m m e c h a n i c st o o l b o x e so fm a t l a b ， s i m m e c h a n i c sm o d e lo fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mw a sb u i l t a n d k i n e m a t i cs i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u t t h i sp a p e r d e v e l o p e dt h e m e t h o d so f t h e r m o c o u p l em e a s u r e m e n t so f t h eg e a rs u r f a c et e m p e r a t u r e ，a n dk i n e m a t i ca n a l y s i s o fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m a u t o m a t i o nc o n t i n u o u sl u b r i c a t i o n s y s t e mw e r ed e v e l o p e dt of o l l o wt h et r a c ko fg e a rm e s hw i ms i n g l e - p h a s ea n do i l - a i r t w o - p h a s ef l u i d k e yw o r d s ：g e a rt e s tr i g ；p l a n e tg e a rt r a n s m i s s i o n ；o i l - a i rl u b r i c a t i o n ； g e a rs u r f a c et e m p e r a t u r e ；s i m m e c h a n i c s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：刮踌t 日期：2 闪7 年月9 日 | 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：郭 l c 叁 日期： ) 岬年；月r 日 导师( 签字) ：缮参劾 砷年岁月j ，日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 课题来源是实际的工程项目，用于试验室测量在不同载荷和转速、不同 润滑条件下，行星齿轮传动中齿轮啮合区齿面温度、齿轮箱的传动效率等参 数，是机电液一体化课题。 齿轮传动是机械设备中最重要的一种传动方式，它在现代机器制造业中 应用极广，用于传递转矩和运动，而齿轮传动的润滑是齿轮传动中必不可少 的组成部分。随着齿轮传动向高速重载方向发展，齿轮传动的润滑就越显得 重要，它对于齿轮的承载能力和使用寿命起着极为重要的作用【】。 齿面间的润滑状态对于研究齿面的失效( 如点蚀、磨损和胶合等) ，及 与失效有关的如齿面上的压力分布及数值、齿面的摩擦及功率损失、油膜对 动载荷和噪音的影响等是十分重要的。要从本质上了解和解决齿轮的润滑问 题，就必须分析在各种工作条件下齿面间的润滑状态1 2 3 1 。齿轮试验是齿轮研 究的重要手段，如国际标准化组织( i s o ) 齿轮承载能力计算方法中的许多 系数都是在大量试验基础上确定的，因此，齿轮传动技术的进一步发展和解 决存在的问题，在很大程度上依赖于先进的试验技术的应用。 在实际生产中，齿轮作为机械传动的主要部件，它的失效将直接影响机 器的正常运行。为了使齿轮机构可靠地工作，需要对齿轮轮齿的弯曲强度、 齿面接触强度和胶合承载能力等进行测定，从而分析齿轮破坏的机理，为齿 轮传动的设计提供依据，象这样复杂的过程只能在齿轮试验台上进行【4 】。 齿轮润滑试验台可以综合测试：在不同的载荷和转速、不同润滑条件下， 齿轮啮合区齿面瞬时温度、输入输出转速和转矩。为提高齿轮的承载能力、 延长使用寿命和润滑条件的选择提供依据。 1 2 课题国内外研究动态 目前国内外广泛采用运转式的齿轮试验设备，进行齿轮各种承载能力的 哈尔滨工程大学硕十学位论文 试验研究。国际上最著名的齿轮研究机构是由g n i e m a n n 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 ) 【s 1 。这个试验室从建立时起就非常 重视试验研究，它设计了著名的f z g 齿轮试验机 6 - s ，由这个研究室提供的大 量试验数据，己成为i s o 齿轮承载能力计算标准的基础【9 】。我国真正全面开 展齿轮试验研究工作起步较晚，目前已有多种齿轮试验机经鉴定并投入批量 生产，如c l 1 0 0 t 和j g 1 5 0 等。随着汽车工业的发展用于齿轮箱试验的试 验台也在不断研制，并用于生产实际。 加载装置不同，试验台的性能也不同， 加载装置是试验台的重要组成部分， 试验台的精度、适用性和动力消耗等 也就不同。根据试验台的功率传递原理和加载方法的不同，运转式齿轮试验 设备主要分为功率流开放齿轮试验台、机械功率流封闭齿轮试验台和电功率 流封闭齿轮试验台三大类。 1 2 1 功率流开放齿轮试验台 功率流开放齿轮试验台通常由电动机、受试齿轮装置和耗能负载等组成。 齿轮传动所传递的功率由电动机传来，经过齿轮传动和试验装置中所有传动 件，最后传到耗能装置。功率的流向不是一个封闭的回路，而是开放的。 功率流开放齿轮试验台就是借助耗能装置给齿轮传动加载，因此，耗能 负载装置是关键部件，它很大程度上影响试验设备的性能和应用。目前常用 的耗能负载装置有机械制动器 w t 、磁粉制动器、电磁涡流消功器、水力涡流 消功器、液压加载器等，如图1 1 是功率流开放齿轮试验台。 1 一电动机2 一测扭仪3 一试验齿轮箱4 一加载装置 图1 1功率流开放齿轮试验台 这类试验台的优点是结构简单，制造、安装方便；配置灵活，容易实现 不同中心距或中心高的齿轮试件或齿轮箱产品的试验；加载方便，能在无载 下起动并能在运转过程中任意改变载荷。其缺点是能量消耗大，电动机的容 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 量相应要求较大。主要应用于中小载荷、非长期运转的齿轮试验中，如齿轮 的效率、噪声、动载荷等性能试验。 1 2 2 机械功率流封闭齿轮试验台 国内、外机械功率流封闭齿轮试验台( 1 l , 5 ) - 1 - 作原理基本相同，图1 2 是我 国生产的一种通用机械杠杆加载功率流封闭齿轮试验台，是目前进行齿轮试 验的常用设备。 1 、4 一热电偶；2 一油温指示器；3 转矩转速传感器：5 一陪试齿轮箱；6 一弹性联轴器； 7 一仪表；8 一控制柜；9 一电动机；1 0 一减速器；1l 一计数器；1 2 一刚性联轴器； 1 3 一弹性扭力轴；1 4 一加载器；1 5 试验齿轮箱；p 一封闭功率流向 图1 2 通用功率流封闭齿轮试验台 该试验台由陪试齿轮箱5 、试验齿轮箱1 5 、联轴器1 2 、弹性扭力轴1 3 和加载器1 4 组成一个机械封闭系统。加载器使弹性扭力轴1 3 产生一定的弹 性变形，封闭系统中试验齿轮副始终承受弹性扭力轴所施加的载荷。不同的 加载方向和不同的电动机旋转方向，封闭功率流的方向和大小有四种不同的 情况，使用时应正确判断，因为它影响试验数据的准确性。根据加载装置和 结构的不同，这类齿轮试验设备可以有多种多样，但其基本原理相同。如 d c s 1 5 0 型齿轮试验台 1 6 朋、c l 1 0 0 型齿轮试验台( i s 】、j g 1 5 0 型齿轮试验机、 z h d 8 2 a 型封闭齿轮试验台【1 9 】等。机械功率流封闭齿轮试验台具有能耗小的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 优点，但需有陪试齿轮箱，机械加载时不能在试验中改变载荷，适合于疲劳 试验等长期运转的场合。 1 2 3 电功率流封闭齿轮试验台 电功率流封闭齿轮试验台在结构上与功率流开放试验台类似，但加载的 一端不同，在实现加载功能的同时能够实现发电的功能。它由电动机带动传 动装置，再带动发电机发电。发电机发出的电力通过闭环系统提供给驱动端 的电机或反馈给电网1 2 0 】，从而形成封闭系统，如图1 3 为电功率流封闭齿轮 试验台。 5 商 _ j 1 一电动机；2 试验箱；3 一陪试箱；4 一发电机；5 一电气系统 图1 3电功率流封闭齿轮试验台 早期的电功率流封闭齿轮试验台都是采用直流电机、控制器输入与加载， 用彼此独立的模块化设计，这种方式结构简单，但由于加载电机发出的电通 过控制系统转化并入电网，对电网造成一定的干扰。目前逐步被交流模式所 取代，采用交流电机无级调速实现驱动和加载。这种试验台结构简单，调速 和加载方便，制造周期较短，但需要增速的陪试齿轮来满足发电机的要求。 适合于工厂齿轮箱的磨合、疲劳寿命、效率等试验。 综上所述，功率流开放齿轮试验台的最大优势就是无需陪试件，便于实 现自动控制且测试范围较宽，电动机和加载装置有成型产品可以选用。一方 面可减少试验台制造周期，另一方面自动化程度高，主要用于运转时间短的 性能试验。功率流封闭齿轮试验台以节约能源为其明显特点，但需有陪试件。 随着计算机技术及电子技术的发展，功率流封闭试验台自动化程度也越来越 高，常用来作疲劳试验。电功率流封闭试验台也可以实现能源再利用，同时 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l i i 也需要增速齿轮箱来达到负载电动机所要求的转速，一般采用与测试齿轮箱 相同的齿轮箱来增速。动力电机与加载电机一般采用自动控制，主要用于齿 轮箱总成的磨合、效率等试验。 1 3 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容包括对齿轮滑动试验台总体方案设计，试验齿轮 箱、液压加载系统、润滑系统结构设计和理论分析计算。 ( 1 ) 总体方案设计： ( 2 ) 试验行星传动齿轮箱结构设计、强度校核、建模与仿真； ( 3 ) 液压加载系统结构设计： ( 4 ) 油气润滑机理分析与润滑系统结构设计。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章齿轮润滑试验台总体设计 2 1 齿轮润滑试验台选型方案 根据对国内外研究动态分析，齿轮试验台主要有功率流开放、机械功率 流封闭和电功率流封闭三种形式，各有其优缺点和应用范围。因此，选择何 种形式是齿轮润滑试验台总体设计的关键。 1 主要技术目标 齿轮润滑试验台是一个实际的工程项目，用于实验室在不同润滑条件下 进行齿轮性能试验，其主要技术目标如下。 ( 1 ) 实现以齿轮节圆附近的温度作为评判指标的单相流体与气液两相流 体润滑对比试验。传动系统输入最高转速为1 5 0 0 r m i n ，输出最高转速为 1 5 0r m i n 。 ( 2 ) 实现转速、转矩和齿轮节圆附近齿面温度等信号输出。具有实时显 示、回放和打印输出等功能。 ( 3 ) 润滑系统确保试验台正常工作，并跟踪齿轮啮合区进行润滑。实现 对润滑系统润滑油的温度调节，进口温度小于2 5 。c ，出口温度小于8 0 。c 。 ( 4 ) 液压系统提供足够的功率满足加载要求，在齿轮测试区产生 0 1 0 0 0 n m 范围转矩，并闭环线性控制。 ( 5 ) 监控系统能实现对电机转速、加载系统、液压系统、润滑系统等工 作状态的监控。 2 齿轮润滑试验台类型的确定 通过对主要技术目标分析，试验台用于非长期运转的齿轮试验，试验齿 轮箱结构上要求跟踪齿轮啮合区润滑和齿面温度信号采集，且输入输出传动 比较大，因此，试验齿轮箱结构相对比较复杂。经分析论证选用功率流开放 齿轮试验台方案。其特点是在加载和整体结构上比较简单，通用性强，不需 陪试齿轮箱或增速齿轮箱，制造周期短，成本较低，并能实现动态自动加载， 满足试验要求，如图2 1 所示。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 一电动机；2 一联轴节：3 、5 转矩转速传感器；4 一试验齿轮箱：6 一加载装置 图2 1功率流开放齿轮试验台方案 2 2 齿轮润滑试验台加载方案 加载装置是试验台的重要部分，它决定齿轮润滑试验台的构成及控制方 式。 2 2 1 加载原理 齿轮润滑试验台采用功率流开放形式，常用加载装置有机械制动器、磁 粉制动器、电磁涡流测功机、水力涡流测功器、液压加载器等。其原理都是 借助耗能装置给试验齿轮加载。 1 加载方式的确定 电磁涡流测功机和水力涡流测功器多用于早期的试验设备上，目前使用 很少。机械制动器是利用固体之间的摩擦来耗能，存在着磨损严重、发热大、 加载不平稳等问题，对于加载准确性要求较高的试验不适用。磁粉制动器结 构简单，操作方便，动转平稳，能适用于高频加载，但这种制动器运转发热 量大，温度高，易引起激磁线圈内阻增加，从而使负载力矩不稳定，制动器 需要强制水冷。 液压加载器由于液压执行元件的功率重量比和转矩惯性比大，具有很 大的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单 元，系统功耗所产生的热量又可以由流体介质带到系统散热器耗散口t 1 。液压 加载目前已逐渐受到重视，特别是功率流封闭试验台中应用较多，但需有一 套液压系统。综上所述，齿轮润滑试验台采用液压加载方式，可实现闭环线 性控制，这也符合试验台技术目标要求。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 加载原理 液压加载方式的加载装置采用液压泵1 ，它与比例溢流阀2 、油箱3 等构 成电液比例控制系统，如图2 2 所示。试验台电机带动试验齿轮箱运转，齿 轮箱输出轴再带动液压泵l 工作。根据测试区加载转矩要求，通过控制比例 溢流阀2 的开度来调节液压泵出口压力，从而在液压泵上产生一个负载转矩。 液压泵的输入功率囊，即被试齿轮箱的输出功率架，在不计摩擦损耗时 等于液压泵的输出功率，即 帆2 幌2 p q 2 翥兀刀 ( 2 1 ) q = y n 6 0 ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 得 n ：丛 ( 2 3 ) 2 x 式中：泵液压泵输入功率，w 死广一液压泵输入转矩，即齿轮箱加载转矩，n - m r 液压泵输入转速， r m i n r 液压泵工作压力， p a 9 一液压泵实际流量， m 3 s 卜液压泵排量， m 3 r 由式( 2 3 ) 可以得出转矩n 与压力p 、液压泵排量y 的变化关系，而 对于选定的液压泵，其排量v 是定值。因此，调节压力p 可以对齿轮箱进行 加载。 1 一液压泵；2 一比例溢流阀；3 一油箱 图2 2 加载原理图 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 液压加载电液比例控制方案 根据上述加载原理，可以构成恒压力控制和恒转矩控制两种闭环线性控 制方案。 ( 1 ) 压力闭环控制方案 利用加载泵出口压力与输入转矩的关系，采用比例溢流阀与压力传感器 构成恒压调节系统，控制加载泵的出口压力，形成压力闭环控制，力矩开环 控制，即半闭环控制方案，如图2 3 所示。加载转矩和输入压力可以用计算 机程序实现转换，另外可依据采集的转矩信号，修正加载转矩输入，提高加 载精度。 图2 3 压力闭环控制方案 ( 2 ) 转矩闭环控制方案 利用加载泵出1 ：3 压力与输入转矩的关系，采用比例溢流阀与转矩传感器 构成恒转矩调节闭环控制系统，控制加载泵的出口压力，对被试验齿轮施加 恒定转矩，如图2 4 所示。 图2 4 转矩闭环控制方案 两种方案比较，压力闭环控制受到液压泵容积效率的影响，加载准确性 稍差，但可以利用与比例溢流阀相配套的电控制器，易于实现。转矩闭环控 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i mi i 制加载准确性较高，但需设计电控制器。从试验台技术目标分析，对加载转 矩准确性没有特别要求，因此，采用压力闭环控制，力矩开环控制方案能满 足加载要求。 2 2 2 基于行星轮系的加载方案 齿轮润滑试验台采用功率流开放形式，液压加载方案。根据试验齿轮输 入转速1 5 0 0 r r a i n ，输出转速1 5 0 r m i n ，以及齿轮测试区产生0 - 1 0 0 0 n m 转 矩的要求，采用一般定轴齿轮传动需2 级以上减速，其轴向尺寸较大：另外 跟踪齿轮啮合区的相应润滑装置结构较复杂；再加上需在旋转齿轮上布置温 度传感器，存在测量数据需要经滑环等传输，影响测量精度。因此，经分析 论证采用行星齿轮传动试验齿轮箱，使用单排即可达到转速和转矩的要求， 在结构上便于实现润滑装置和温度传感器的布置。整个试验台传动系统结构 紧凑，可纵向同轴布置，易于保证制造精度。 图2 5 是基于行星轮系的加载方案。试验齿轮箱采用行星传动齿轮型式， 太阳轮输入，行星架输出，齿圈固定，温度传感器布置在齿圈上。电动机6 通过联轴器、转矩转速传感器5 ，带动行星传动齿轮箱4 的输入轴旋转。行 星传动齿轮箱输出轴，通过联轴器3 、转矩转速传感器2 ，带动加载装置l 旋转，加载装置采用液压泵。 l 一加载装置；2 、5 一转矩转速传感器；3 一联轴节； 4 一试验行星齿轮箱； 6 一电动机；7 一比例溢流阀；8 一油箱；9 一测温传感器 图2 5 基于行星轮系的加载方案 输入和轴出轴的转矩和转速由转矩转速传感器检测，测试区的温度通过 温度传感器9 检测，输出轴的转速通过调节电机的速度来实现。 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 齿轮润滑试验台包括传动系统、液压加载系统、润滑系统、冷却系统、 监控系统，如图2 6 所示。传动系统主要由电动机、试验齿轮箱、转矩转速 传感器、加载装置和联轴器等组成，采取纵向串联排列，固定在一个机架上。 液压加载系统、润滑系统和监控系统分别通过管路或电器线路与传动系统相 应件相联接。 ( 1 ) 传动系统提供试验齿轮所需的转矩和转速，是试验台的主体； ( 2 ) 液压加载系统为试验齿轮施加载荷： ( 3 ) 润滑系统提供单相流体润滑或油气两相流体的润滑； ( 4 ) 冷却系统为加载系统和润滑系统提供冷却； ( 5 ) 监控系统实现电动机、加载系统、润滑系统自动控制，数据采集和 处理，以及试验台功能控制及工作状态监视。 图2 6 齿轮润滑试验台总体方案框图 2 3 齿轮润滑试验台传动系统设计 齿轮润滑试验台传动系统各零部件采用同轴联接，共同固定在一个机架 上，在行星传动齿轮箱处有传动比变换，因此，只要确定行星传动齿轮箱输 入和输出轴的速度和转矩，就可确定其它零部件的速度和转矩。图2 7 是齿轮 润滑试验台传动系统结构图。 传动系统中除行星传动齿轮箱需设计制造外，其它零部件如电动机、转 矩转速传感器、联轴器、加载液压泵等应优先选用现有定型产品，这样既能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有效缩短制造周期，又能提高可靠性。这些零部件的选择一方面要满足使用 性能指标要求，另一方面还要满足传递转矩和转速的要求。 1 一电动机；2 、5 一联轴节；3 、6 转矩转速传感器； 4 一试验行星齿轮箱；7 一加载装置；8 底座 图2 7 齿轮润滑试验台传动系统结构图 传动系统各零部件的转矩和转速是其选型的主要依据之一，因此，必须 初步确定其转矩和转速。 ( 1 ) 输入轴和输出轴转速 根据试验齿轮箱输入最高转速15 0 0 r m i n ，输出最高转速15 0 r m i n 的要 求，则齿轮箱输入端之前的电动机、输入转矩转速传感器、联轴器的最高转 速为n i = 1 5 0 0 r m i n ；齿轮箱输出端之后的输出转矩转速传感器、联轴器、加 载液压泵的最高转速为n 。= 1 5 0 r m i n 。 ( 2 ) 初定行星传动齿轮箱的传动比 根据行星传动齿轮箱输入轴和输出轴转速，由行星齿轮传动机构传动比 公式【：甜，计算行星传动齿轮箱的传动比为： i p = l 印= 1 + z b z a = n i n o = 1 5 0 0 1 5 0 = 1 0 ( 2 - 4 ) ( 3 ) 行星传动齿轮箱中加载转矩 试验中测试区选择在齿圈与行星轮啮合区上，因此，齿圈所传递的转矩 等于测试区加载转矩。根据测试区加载转矩0 - 1 0 0 0 n m 的要求，则齿圈传递 的最大转矩为t b = 1 0 0 0 n m 。 ( 4 ) 输入轴转矩计算 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 齿轮箱输入轴与太阳轮相联，因此，输入轴所传递的转矩与太阳轮上转 矩相等。根据公式死印乃计算太阳轮转矩为： 耻舡形( f 。- 1 ) = 1 0 0 0 9 n m = 1 1 1 n m ( 2 5 ) ( 5 ) 输出轴转矩计算 行星架与行星传动齿轮箱输出轴相联，因此行星架所传递的转矩就是输 出轴输出转矩。由下式计算。 t h = ( 1 印) 砰1 0 x 1 11 n m = 1 1 1 0 n m ( 2 6 ) ( 6 ) 电动机的选型 动力源采用交流三相异步电动机，使用交流变压变频器通过控制交流电 源的电压幅值和频率，实现试验台的调速要求。传动效率取r = 0 8 ，则负载所 需电动机功率： a ： 三亟! ! ：兰兰! ：! 兰兰! ! ! q 兰! ! q k w ：2 1 7 8 k w( 2 7 ) 6 0 x 1 0 0 0 r 6 0 1 0 0 0 0 8 根据电动机工况均匀平稳，加载装置轻微冲击，取使用系数k = i 2 5 ，计 算所需电动机功率为： n d = k n a = i 2 5 x 2 1 7 8 k w - - 2 7 2 3 k w 根据输入转速和计算的功率，查电动机产品目录，选择y 系列三相异步 电动机，型号为2 0 0 l - 4 ( j b t 9 6 1 6 1 9 9 9 ) ，功率3 0 k w ，同步转速1 5 0 0r m i n ， 机座号2 0 0 l ，b 3 安装形式。 2 4 数据采集方案 根据技术目标需要输出齿面温度、输入输出转矩和转速信号的要求，正 确选择传感器和确定传感器的测量方式是齿轮润滑试验台设计的关键。数据 信号的采集由监控系统来完成，图2 8 是数据采集方案，齿面温度由热电偶 经温度变送器送到温度采集单片机，转速和转矩数据由主控单片机采集。各 单片机对数据进行简单处理后，传送给计算机。 1 转矩转速传感器选型设计 在齿轮润滑试验台中，要实现在齿轮啮合区加载转矩的控制，以及测量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输入输出功率和齿轮箱效率，需使用转矩转速传感器测量齿轮箱输入输出的 转速和转矩。加载转矩测量是通过输出轴转矩间接测量得到，两者之间呈线 性关系，根据式( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) 可以得出两者关系为： n 气l + 乙，z b ) 瓦 ( 2 - 8 ) 图2 8 数据采集方案 综合考虑传动系统总体结构联接形式、测量精度及信号输出方式等因素， 选用北京三晶联合科技有限公司j n 3 3 8 a 型旋转式传感器，如图2 9 所示。 该传感器采用数字式输出，具有体积小、重量轻、安装方便，转矩转速测量 接口简单等特点。由上面式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 计算的结果和转速范围，输 入转矩转速传感器型号为j n 3 3 8 a - 5 0 0 ，输出转矩转速传感器型号为 , r n 3 3 8 a - 2 0 0 0 ，主要技术参数如表2i 所示。 根据转矩转速传感器的安装要求，输入转矩转速传感器前后采用l m 7 梅花型弹性联轴器，输出转矩转速传感器前后采用h i a 弹性柱销联轴器。 图29j n 3 3 8 a 型旋转式传感器 哈尔滨工稗大学硕+ 学位论文 表2 1j n 3 3 8 a 型旋转式传感器主要技术参数 项目技术参数 转矩准确度5 0 2 f s 过载能力 1 5 0 f s 绝缘电阻 2 0 0 m q 重复性郢1 f s 滞后郢1 f s 线性郢1 f s 应变计动态应变波的响应时间3 2 x 1 0 6 s 零转矩频率输出1 0 k h z 正向转矩满量程频率输出1 5 k h z 反向转矩满量程频率输出 5k h z 转速输出信号( 光电码盘式)6 0 1 2 0 个脉冲转 传感器信号输山 方波信号、幅值为5 v 、负载电流 1 5 m a 传感器功耗4 w 2 齿面温度测量方案 齿轮传动在传递运动和动力过程中，因摩擦和弹性变形滞后效应引起的 能耗转变为热能而导致温升。热源主要集中在工作齿面的啮合区，这一区域 通过啮合得到热量的周期性补充，其大小与载荷、速度、齿轮材料和表面特 性、润滑状态等均有密切的关系矧，齿面接触区的温度又是齿面胶合等失效 的决定因素。目前，齿面瞬时接触温度的测定方法有：热电偶法，红外线法， 氪化技术测温法等。热电偶法是应用较广的方法，包括直接热电偶法和动力 热电偶法。 直接热电偶法是用热电偶直接测定齿面瞬时接触温度，需在齿体上钻孔 设置热电偶，数据信号经滑环引出；动力热电偶法是利用相啮合的两齿轮构 成热电偶，直接测定齿面瞬时接触温度，为取得良好的热电效应，需要一定 的齿轮材料配对，这往往与工程实践中的齿轮材料性能有较大差异。但上述 各种测温方法都有一定的局限性，。 为了准确测量齿面瞬时接触温度，国内外学者作了大量研究试验工作 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 【2 5 3 0 。综合各种方法的优点，克服常用方法的不足。采用铠装式热电偶温度传 感器，直接输出信号的测量方法，简称“热电偶直接温度测量法”。较以往直 接热电偶法区别在于，测量的信号不经滑环传出，克服了信号弱和不稳定的 不足。选用北京昆仑海岸传感技术中心j w b 一体化温度变送器，型号为 j w b k k 2 ( m 8 x 1 5 ) 3 a 3 k 0 2 ，主要技术能数如表2 2 所示，图2 1 0 是其基本结构。 表2 2j w b 一体化温度变送器主要技术参数 项目技术参数 输出二线制4 2 0 m ad c 供电2 4 v d c ( 1 2 v 3 6 v d c ) 精度a 级0 2 b 级0 5 负载+ 6 5 0 q ( 2 4 vd c ) 输出保护最火2 3 m a 图2 10j w b 一体化温度变送器基本结构 需要测量的齿轮啮合区节圆处表面温度点在齿轮箱内部，并且齿轮是不 断进入啮合的，因此，必须解决将齿轮箱内信号引出箱体外部输出，以及考 虑齿轮节圆附件啮合点不同、齿在空间所处位置导致润滑油残留等对测量温 度的影响等问题。图2 1 1 是热电偶直接温度测量法简图。 热电偶直接温度测量法特点如下。 ( 1 ) 测量行星齿轮箱中齿圈上齿轮啮合点处齿面温度，在齿轮箱壳体上 对应齿圈温度测量区位置开口，使该区齿圈外圆面暴露在齿轮箱外面，这样 传感器可从外部装入，信号也可直接输出，解决了旋转零件上信号输出问题。 ( 2 ) 根据空间位置选择四个测量区，每个测量区选择节圆、节圆偏齿顶 和节圆偏齿根三个不同测量位置，解决了不同测量点对温度的影响。 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( 3 ) 热电偶直接测温法，具有温度测量直接，不经滑环的转换环节，同 时考虑了各种因素对温度的影响。 1 一齿轮箱壳；2 一齿圈；3 一固定卡套；4 一温度传感器 图2 1 1热电偶直接温度测量法简图 2 5 本章小结 根据试验台技术目标，设计了功率流开放齿轮润滑试验台的总体方案。 试验齿轮箱采取行星齿轮传动结构形式，便于转矩、转速和啮合区温度信号 采集和输出，加载系统根据加载要求采取液压自动加载，润滑系统可实现单 相流体和油气两相流体的润滑。设计了传动系统总体结构，并对其主要零部 件如电机、传感器和联轴器等进行选型计算，简述了监控系统的各部分作用。 在齿轮啮合区齿面温度测量方面，采用热电偶直接测量法，在齿面温度测量 上较以往有较大突破。 1 7 哈尔滨二广程大学硕士学位论文 第3 章润滑试验齿轮箱设计 3 1 齿轮箱传动型式确定 根据基于行星轮系的加载方案，试验齿轮箱采用行星齿轮传动形式。行 星齿轮传动与普通齿轮传动相比具有一系列突出优点：具有体积小、重量轻、 结构紧凑，传递功率大、承载能力高，传动比大，传动效率高，运动平稳、 抗冲击和振动的能力较强1 3 1 】。 1 行星齿轮传动类型的确定 行星齿轮传动的类型很多，有多种分类方法。目前已被普遍采用和接受 的是按基本构件代号分为2 k h 、3 k 、和k h v 三种基本类型，其中基本构 件代号为k 一中心轮，h 一转臂，v 一输出轴。在三种基本类型基础上，按传 动机构中齿轮的啮合方式再细分为许多传动型式，如n g w 、n w 、n n 、n g w n 等，其中n 一内啮合，w 一外啮合，e 一内外啮合公用行星齿轮【3 2 】。 2 k - h 类型中n g w 型行星齿轮传动，是动力传动中应用最多、传递功率 最大的一种行星齿轮传动，我国已制定了“n g w 型行星齿轮减速器标准 ( j b t 6 5 0 2 1 9 9 3 ) ”。它由内外啮合齿轮和公用行星轮组成，拥有两个中心 轮( 2 k ) ，一个转臂( h ) ，图3 1 是n g w 型行星齿轮传动简图。其特点 是结构简单、轴向尺寸小、工艺性好、效率高。因此，试验行星传动齿轮箱 选用n g w 型行星齿轮传动类型可满足要求。 出 1 一太阳轮；2 一行星轮；3 一齿圈：4 一行星架 图3 1n g w 行星齿轮传动机构 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 2 n g w 行星齿轮传动的传动比计算 行星齿轮传动的传动比分析大致可分为分析法和图解法两大类，其中分 析法包括相对速度法、列表法和能量法等；图解法包括速度图解法和矢量图 解法1 3 3 - 3 6 1 。 相对速度法又称转化机构法，是较多采用的一种方法。就是给整个行星 齿轮传动机构加上一个n 。转速( 门x _ 行星架转速) ，使整个机构转化为相当 于行星架不动的定轴线齿轮传动机构。这样就可用计算定轴轮系的传动比公 式计算转化机构的传动比，然后再进一步计算行星齿轮传动的传动比。对于 n g w 行星齿轮传动的传动比如下： 7 f 囊= 1 + 争 ( 3 1 ) z a 7 芝= 一争 ( 3 - 2 ) 弘专十盘 式中： f 知齿圈固定输入输出传动比 f 曼相对于行星架的太阳轮到行星轮的传动比 f 曼相对于行星架的太阳轮到齿圈的传动比 z a 一太阳轮齿数 磊齿圈齿数 z c 一太行星轮齿数 3 2 行星传动齿轮设计 ( 3 3 ) 1 行星轮数目的确定 根据齿轮润滑试验台总体计算中传动比为1 0 ，减速传动，再综合考虑箱 体内润滑和温度传感器的布置等因素，选用n g w 型行星齿轮传动型式，太 阳轮输入，行星架输出，齿圈固定，如图3 1 所示。 行星轮数目是行星齿轮传动的主要参数之一，因此，应正确选择。在传 1 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i 递动力时，行星轮数目越多越容易发挥行星齿轮传动的优点，但行星轮数目 的增加会使其载荷均衡困难，而且由于邻接条件限制又会减小传动比的范围。 根据n g w 型行星轮数目与传动比范围的关系f 3 2 】，行星轮数目为3 时， 传动比2 1 1 3 7 ，可以满足传动比l o 的要求，可以初步确定行星轮数目门。= 3 。 2 行星传动齿轮齿数的确定 行星传动各齿轮齿数选择，必须满足四个条件，即传动比条件、同心条 件、装配条件及邻接条件f 3 7 】。 传动比条件就是保证实现给定的传动比，传动比按公式( 3 1 ) 计算。 同心条件是为了保证内外齿轮和行星轮正确啮合，各对啮合齿轮之间的 中心距必须相等。对于n g w 型标准及高变位齿轮应满足下式： z a + z c = z b - z c 或z b = z a + 2z c ( 3 4 ) 装配条件是为了保证行星轮能均布地安装于两中心齿轮之间，并且与两 个中心轮啮合良好没有错位现象。一般为了简化计算和装配，应使太阳轮与 内齿轮的齿数和等于行星轮数目以。的整数倍，即 ( z z c ) n p = 整数 ( 3 5 ) 邻接条件是必须保证相邻两行星轮互不相碰，并留有大于o 5 倍模数的 间隙，即两相邻行星轮的中心距l 应大于它们的齿顶圆半径之和。 确定各齿轮齿数的方法，必须建立在满足前述四个必要条件基础之上， 通常采用计算法和查表法。计算法需根据配齿条件反复确定各齿轮的齿数， 并对相应其它条件进行验算，比较繁锁，但它是配齿的基本方法。 这里采用查表法，根据已初定的传动比1 0 和行星轮数目刀。= 3 ，查“n g w 型行星齿轮传动的齿数组合”表【3 2 】，初步选取表3 1 齿数组合方案。 表3 1 齿数组合方案 方案 z az cz b盘 l1 76 71 5 l9 8 8 2 4 21 97 71 7 3 l o 1 0 5 3 3 2 0 7 9 1 7 89 9 0 0 0 注：表中符合意义同前。 根据表中方案，再综合考虑最小不根切齿数、实际传动比的要求，最后 确定方案2 为采用的齿数组合。通过查表确定的齿数满足装配条件、同心条 2 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 件和邻接条件，且z z c 、2 z c 、z n p 、z b 怖无公因数，以利于提高传动平 稳性。 3 齿轮几何参数的计算 行星齿轮传动中采用渐开线圆柱直齿标准齿轮，模数取m = 5 ，计算行星 传动齿轮的几何参数如表3 2 所示。 表3 2 行星传动齿轮的几何参数 序 项目计算公式太阳轮行星轮 齿圈 号 l齿数z 1 97 71 7 3 2模数m 5 55 3 压力角a ( 。)2 02 02 0 4 分度圆直径d m md = - m z9 53 8 58 6 5 5 齿顶高h a m m 外齿j i z 。i 勘。+ m 内齿j i z a 2 = ( 。宰一a h 。幸) m 55 4 7 8 其中h a * = l ，玩+ = 7 5 5 z 6 齿根高h p t m mh f = ( h 。4 + 矿) m 6 2 56 2 56 2 5 7 全齿高h m m 矗= h 。+ h f 11 2 51 1 2 51 1 0 3 8齿项圆直径 外齿以l - 抖2 办。l 么m m内齿以2 = 一2 办。2 1 0 5 3 9 58 5 5 4 4 9齿根圆直径 外齿幽= 一2 办f l 州m m内齿如= 抖2 8 2 53 7 2 5 8 7 7 5 1 0 基圆直径d b m m d b = dc o s a 8 9 2 73 6 1 7 88 1 2 8 3 l l中心距a m m 萨( 小+ d ) 2 2 4 02 4 0 1 2 跨测齿数k查表确定392 0 1 3公法线长度陟，：胪朋 3 8 2 3 213 0 8 5 7 52 9 9 。9 4 7 5 w m m其中胪查表确定 1 4 齿顶圆压力角t i a = a r c c o s ( d d d a )3 1 7 72 3 6 71 8 1 6 ( 。) 1 5 端面重合度气 b a = z 1 ( t 9 0 【a l - - t g c t ) + z 2 1 6 81 9 0 ( t g c t a z - - t g a ) 】2 1 r 1 6 纵向重合度s be b = o o0 1 7 总重合度岛 岛2 1 6 81 9 0 注： 1 “”中上面的符号j = j 于外啮合，下面的符号用于内啮合：2 夕p 齿指太阳轮或行 星轮，内齿指齿圈；3 齿圈跨测齿数为跨测齿槽数。 4 齿轮材料与热处理 2 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 齿轮材料选择应综合考虑热处理类型、硬度、截面尺寸、模数大小及其 制造工艺等情况。 太阳轮和行星轮采用硬齿面齿轮，选用2 0 c r m n t i 渗碳齿轮用钢，渗碳 深度根据模数选为1 o 1 5 。其特点是齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐 磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生残余压缩应力，大大提 高了齿根强度；切削性能较好；热处理变形较大，热处理后应磨齿，可获得 高精度的齿轮。热处理工艺为渗碳+ 淬火+ 低温回火，齿面硬度范围是 5 6 6 2