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    1. 正基元齒輪 齒輪的試驗設備

      齒輪試驗技術
      齒輪試驗技術涉及的內容很多,從廣義上講,它是一切測定齒輪幾何尺寸和性能參數的技術。但由于齒輪制造誤差和運動精度測量已成為一門專業技術,因此,這里所謂的齒輪試驗技術是指以齒輪強度為主的技術,包括如下內容:
      1)試驗的設計與規劃,例如測定試驗環境(臺架或現場、工作介質狀況等),選擇試驗因素,決定直接或間接的試驗對象和工作條件,主要參數的模擬和控制,合理制定試驗程序和試驗過程的實施細則,進行試驗的統計設計等。
      2)齒輪試驗機的選擇、設計和性能測定。
      3)測試技術,例如齒輪整體或局部的運動學、動力學測試,試驗中信號的變換、傳輸、測量和記錄,齒輪壽命、強度和噪聲的測試等。
      4)齒輪損傷與失效的觀察、分析和判斷。
      5)試驗數據的收集與整理。

      齒輪試驗設備
      進行齒輪試驗的裝備。除了有常規的輪齒靜強度、輪齒彎曲疲勞強度、齒面接觸疲勞強度、齒面磨損、齒面膠合試驗設備外,還包括一些影響參數和其他性能的測試設備,如齒輪效率、齒輪潤滑、齒輪動載荷和噪聲、輪齒載荷分布、齒面及本體溫度、油膜厚度的測試等。這些試驗,一般都在專門設計的齒輪試驗設備上進行。由于試驗目的和要求的不同,采用的試驗方法也不同,相應采用了許多不同的試驗設備。齒輪產品試驗和實驗室試驗的試驗設備也不完全相同。
      試驗設備通常分為非運轉式和運轉式兩大類。

      運轉式齒輪試驗設備
      運轉式齒輪試驗設備是指齒輪副能在一定轉速下進行試驗的設備。這類設備一般都是由驅動裝置、傳動裝置、加載裝置、齒輪失效監護裝置、潤滑裝置、測試裝置六部分組成。

      非運轉式齒輪試驗設備
      非運轉式齒輪試驗設備是指齒輪或齒輪副只能在靜止狀態下進行試驗的設備。例如靜態加載的齒輪靜強度試驗設備、脈動加載的輪齒彎曲疲勞試驗設備等。

      脈動加載輪齒彎曲疲勞試驗設備
      屬于非運轉式齒輪試驗設備。試驗時,試驗齒輪處于靜止狀態,而壓在輪齒上的壓頭作脈動循環加載,使輪齒產生彎曲疲勞折斷。
      這種試驗設備,雖然不能反映齒輪嚙合過程中某些動態特性,卻能很好適用于單參數快速對比性能試驗,用以判斷不同載荷、材料、齒形和其他一些因素對輪齒彎曲疲勞強度的影響。特別是對一些軟齒面齒輪,由于接觸疲勞強度低于彎曲疲勞強度,采用運轉式齒輪試驗設備進行彎曲疲勞強度試驗,往往是困難的,因此,這時采用該設備就更為妥善。

      功率開放式齒輪運轉試驗設備
      屬于運轉式齒輪試驗設備。
      它由原動機、受試齒輪裝置和耗能負載裝置組成。其功率流由原動機流向耗能負載裝置,是功率流開放型的試驗設備。其主要優點是:結構簡單,制造、安裝方便;配置靈活,容易實現不同中心距或中心高的齒輪試件或齒輪箱產品的試驗;能在無載下啟動并能在運轉過程中任意改變載荷。其缺點是:用耗能裝置作為負載裝置,供給試驗臺的功率消耗比試驗齒輪功率大,因此原動機的容量相應要求較大。這種試驗設備主要用于中小載荷、非長期運轉的試驗中,如齒輪的效率、噪聲、動載荷等性能試驗。模擬實際載荷的程序疲勞試驗,也常采用功率開放式齒輪試驗設備。

      機械功率流封閉式齒輪運轉試驗設備
      這種試驗設備主要由電動機、試驗齒輪箱、陪試齒輪箱、加載器(裝置)等部件組成。在這種封閉系統中,功率從一端流出,又從同一端流入,形成循外封閉流,因此只要從外界輸入不多的能量,便可維持整個系統正常運轉。電動機供給的能量,主要是補償封閉系統中各零部件在運轉時的摩擦功率損失,其值約為封閉功率值的10%~15%左右。在封閉系統中,齒輪是主動還是從動,封閉功率的流動方向(順時針或逆時針方向)和各個齒輪傳遞的功率大小都取決于加載方向和電動機的旋轉方向;而各個齒輪的受力方向和輪齒的工作齒面,則只取決于加載方向。它比功率開放式齒輪運轉試驗機優越得多,最主要的優點是能耗小,因此得到廣泛應用。德國FZG齒輪試驗機和美國NASA齒輪試機具有典型的代表性。

      電功率流封閉式齒輪運轉試驗設備
      齒輪的試驗 - 齒輪知識:正基元如圖16-1所示,電封閉加載是把兩臺同型號的直流電機1、4,同時并接于電源,并用被試齒輪箱2(減速箱)和陪試齒輪箱3(增速箱)將兩電機相聯接。通電以后,兩臺電機各自轉動。這時,聯接兩電機軸的齒輪嚙合運轉,但不傳遞功率而不受負載。若改變電機1的磁場強度,提高其轉速,而電機4的磁場維持原狀,這時由于兩電機軸有齒輪聯接,電機1就要迫使電機4超過其原有轉速而進入發電狀態運行,即由電動機變成發電機,它不僅輸出電功率(注意觀察電流表反向),在轉子上也產生了阻力矩,這個力矩就使聯接兩電機軸的齒輪加上了負載。由此可見,擰動電機磁場電阻旋扭就可以給被試齒輪加減負載。負載大小由電機轉速差決定,轉速差越大,齒輪上的負載越大。電機4始終與電源并接,它發出的電功率極性與電源一致,所以能反饋(送還)給電源電路。從加載能量轉換的過程來看,電源的電能通過電機1變為機械能,經過機械傳動(齒輪)和電機4又把機械能變為電能,并反饋給電源。故稱為“電封閉加載”。這種加載方法在能源消耗方面與開式加載方法相比,大約可節約60%的電能。
      將兩臺直流電機改為兩臺交流整流子電機,上述試驗臺就變成交流整子小電機式電封閉齒輪運轉機。只要改變同相電刷在電刷轉盤上的位置,就可以控制和改變電機的轉速。
      采用這類試驗機的主要優點是:結構簡單,調速和加載方便,可進行載荷譜模擬試驗,運行穩定可靠,電路也不復雜,所用零部件均可外購,制造周期短。它的缺點是:電器功率必須大于試驗齒輪所需的功率,電器調試要求高,投資較大。因此,這種試驗設備適合于中小功率的齒輪運轉試驗。

      FZG齒輪試驗機
      德國慕尼黑工業大學齒輪及齒輪機構研究所(FZG)的齒輪試驗機主要是由電動機、試驗齒輪箱、陪試齒輪箱和杠桿加載裝置等組成的機械功率封閉分箱式齒輪運轉設備。它的主要優點是,結構簡單、能耗小,使用可靠、加載準確、可雙向加載。但試驗機不能空載啟動,運轉中不能改變載荷,實現程序控制和摸擬試驗。這種試驗機既可用于齒輪試件試驗,也可用于齒輪箱產品的試驗。G·Neiman和H·Winter等人設計了著名的FZG齒輪試驗機,并編制了FZG的齒輪試驗規程,做了大量試驗,并提供了大量試驗數據,已成為ISO齒輪承載能力計算標準的基礎。
      我國參考FZG齒輪試驗機設計了CL-100,JG-150等型號的通用齒輪試驗機,并投入批量生產。

      NASA齒輪試驗機
      美國國家航空和宇航局(NASA)的Lewis研究所的齒輪試驗機,是將試驗齒輪和陪試齒輪裝在同一箱體內,采用葉片式液壓加載器,組成一個機械封閉的同箱式液壓加載齒輪試驗設備。該試驗機用帶傳動進行增速和變速,用氬氣增壓式密封,還安裝有振動傳感器。它只適用于齒輪試件的試驗,而不適用于齒輪箱產品運轉試驗,也不適用于齒輪噪聲和動載荷性能試驗。它是比較典型的中、高速齒輪運轉試驗機。與FZG齒輪試驗機相比,有以下特點:可獲得較大載荷,可空載啟動,在運轉過程中可改變載荷實現程序控制和模擬載荷試驗;但結構較復雜,外形尺寸大,制造成本高,扭轉角度小,要求試驗封閉系統有足夠的剛度和可靠的密封裝置,否則容易造成潤滑油泄漏,加載不準和污染環境。

      滾子試驗機
      齒輪的試驗 - 齒輪知識:正基元如圖16-2所示的滾子試驗機,上、下試件分別有不同的轉速,可以獲得純滾動或既滑又滾的運動。它可以用于模擬齒輪傳動和蝸桿傳動的輪齒工作表面,進行疲勞點蝕、膠合和磨損的試驗研究。滾子試驗機上試驗的結果,可以用來比較選擇材料和潤滑劑,以及在直接對比齒輪傳動和蝸桿傳動試驗結果的基礎上修改計算。試件可做成圓柱滾子、圓錐滾子或階梯圓柱滾子。滾子可以單接觸、雙接觸或三接觸。

      這種試驗機的優點是:結構簡單,外廓尺寸小,生產率高和試件形狀簡單,因此試驗費用低。其缺點是:它與實際齒輪運轉時的工作狀態、應力狀態有相當大的差別,因此不太可能獲得滿意的試驗結果。

      耗能負載裝置
      耗能負載裝置是通過消耗能量的方式,使齒輪試件受載的一種特殊裝置。它是開放式齒輪運轉設備的關鍵部件,它在很大程度上決定了試驗設備的性能和應用。目前采用的耗能負載裝置有:機械制動器、流體制動器、電磁測功器等。

      加載器
      加載器又名加載裝置,它是將載荷施加到試驗齒輪工作齒面上,造成內力系統加載齒輪副的一種特殊裝置。它是功率封閉式齒輪運轉設備的關鍵部件。它在很大程度上決定了齒輪試驗設備的性能和應用。對加載器的基本要求是:工作可靠、結構簡單、能實現試驗要求。
      加載器可分為:內力型、外力型和力矩型三大類。

      轉矩轉速傳感器
      轉矩轉速傳感器有磁電式相位差和光電式相位差轉矩轉速傳感器之分。下面介紹國內應用較多的JC型磁電式相位差轉矩轉速傳感器的工作原理。
      在彈性軸兩端安裝有兩個齒輪。在齒輪上方分別有兩條磁鐵,磁鋼上有一組信號線圈。當彈性軸轉動時,由于磁鋼與齒輪間氣隙磁導的變化,在信號線圈中分別感應出兩個電勢,在外加轉矩為零時,這兩個電勢有一個恒定的初相位差。這個相位差只與兩個齒輪在軸上安裝的相對位置和兩個磁鋼相對位置有關。在外加轉矩時,彈性軸產生扭轉變形,在彈性范圍內,其扭轉角與外加轉矩成正比。在扭轉角變化的同時,兩個電勢的相位差發生相應的變化,這相位變化的絕對值與外加轉矩大小成正比。由于這兩個電勢的頻率與轉速及齒輪齒數的乘積成正比,所以在齒數為固定值時,這兩個電勢的頻率與轉速成正比。
      必須指出,轉矩轉速傳感器要同轉矩轉速儀(二次儀表)配套使用。


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