基于變變位齒輪傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置研制

邵明輝，侯玉潔，韓繼光

（江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

基于變變位齒輪傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置研制

邵明輝，侯玉潔，韓繼光

（江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

為了研究不同狀態(tài)下齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，搭建了變變位齒輪的傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置，為采集齒輪的傳動(dòng)信號(hào)提供了可靠的實(shí)體模型。通過基于C＃軟件開發(fā)的信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變變位齒輪和偏心漸開線齒輪的傳動(dòng)脈沖信號(hào)的采集和處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同狀態(tài)下傳動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確采集。

變變位齒輪；實(shí)驗(yàn)裝置；傳動(dòng)比；C＃

齒輪在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如數(shù)控機(jī)床［1］、風(fēng)電機(jī)組［2－3］、液壓馬達(dá)［4］、插秧機(jī)［5］。齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠、效率高等特點(diǎn)。而隨著工業(yè)水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的性能和齒輪的使用壽命等方面的要求也在不斷提高，其中傳動(dòng)比是齒輪傳動(dòng)裝置的重要傳動(dòng)特性，瞬時(shí)傳動(dòng)比的恒定與否直接影響到整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能。所以對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比特性的研究有著重要的生產(chǎn)實(shí)際意義，而機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)比數(shù)據(jù)的獲取又是其傳動(dòng)比特性研究的基礎(chǔ)，也是齒輪設(shè)計(jì)、性能分析研究和應(yīng)用的前提。機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)比數(shù)據(jù)的獲取本質(zhì)是對(duì)嚙合齒輪瞬時(shí)速度的獲取，因此瞬時(shí)速度數(shù)據(jù)的采集是整個(gè)傳動(dòng)特性分析的首要前提。

本文針對(duì)變變位齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行研究，搭建了變變位齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置，并利用C＃軟件開發(fā)傳動(dòng)比信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變變位齒輪、偏心漸開線齒輪傳動(dòng)信號(hào)的有效采集。

1 變變位齒輪傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1．1 傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置原理

傳動(dòng)比，即機(jī)構(gòu)中瞬時(shí)輸入速度與輸出速度的比值。通過測(cè)量主軸和從動(dòng)軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速間接獲得齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比。齒輪傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖見圖1。

圖1 傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖

測(cè)試軸通過彈性聯(lián)軸器與光電編碼器相連，齒輪嚙合傳動(dòng)中，光電編碼器采集脈沖信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得到傳動(dòng)比數(shù)據(jù)。

1．2 機(jī)械系統(tǒng)

變變位齒輪傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械系統(tǒng)（見圖2）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。其中機(jī)械系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、變頻器、變變位齒輪等。機(jī)械系統(tǒng)是基于變變位齒輪構(gòu)建的齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，為開式齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)［6－8］，建臺(tái)容易，安裝調(diào)試方便。

圖2 試驗(yàn)裝置的機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)采用三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，使用變頻器進(jìn)行調(diào)速，驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)。電動(dòng)機(jī)、齒輪等均通過剛性連接固定在鋼板上，其中變頻器通過調(diào)節(jié)輸入頻率的大小，改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械系統(tǒng)部件的基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)裝置機(jī)械系統(tǒng)部件的基本參數(shù)

我們選用2對(duì)齒輪對(duì)其傳動(dòng)比進(jìn)行測(cè)試，以檢測(cè)傳動(dòng)比測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，2對(duì)齒輪分別為偏心漸開線齒輪和變變位齒輪［9］。其中變變位齒輪是將變系數(shù)移距變位法［10］應(yīng)用在偏心齒輪齒廓的修正上，消除了偏心齒輪的側(cè)隙，傳動(dòng)更平穩(wěn)，其基本參數(shù)見表2。采用線切割對(duì)齒輪進(jìn)行加工，保證相同的加工參數(shù)。

表2 齒輪的基本參數(shù)

1．3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳動(dòng)比實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要部件為增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和數(shù)據(jù)采集卡，編碼器通過彈性聯(lián)軸器與被測(cè)試軸相連，用支架將其固定，安裝方式如圖3所示，輸出脈沖信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，并輸入計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備時(shí)傳感器安裝的位置分布如圖4所示。編碼器和數(shù)據(jù)采集卡的具體參數(shù)見表3。

圖3 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝圖

圖4 安裝位置圖

表3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部件的具體參數(shù)

2 變變位齒輪傳動(dòng)比采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡USB5801支持多種語言進(jìn)行軟件后期開發(fā)，如VC、VB、Matlab、LabVIEW、C＃等，系統(tǒng)選用C＃對(duì)USB5801進(jìn)行后期開發(fā)，以滿足采集、分析數(shù)據(jù)［11］的需求。該系統(tǒng)的主要功能包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)的保存與讀取等［12］。

阿花有一股韌勁，仍源源不斷給我信息，說她非常欣賞我的才能和人品，說景花廠非常需要我這樣的人才，說我做了廠長，待遇保證比在大發(fā)廠強(qiáng)，還說景花廠這方小舞臺(tái)虛席以待，非我莫屬。她唱主角，我唱配角，我們珠聯(lián)璧合，雙駕齊驅(qū)，一定能讓景花廠錦上添花。阿花說得天花亂墜，我打著晃兒，像個(gè)不倒翁，依然立于不敗之地。我說阿花，我珍惜我們的友誼，在你需要我的時(shí)候，我一定全力去幫你，但我不能去景花廠，我不想讓這份友誼過早地夭折。太多的故事告訴我，朋友是有情的，而老板是無情的。阿花久久不說話。然后我聽到一聲嘆息，話筒嘟個(gè)不停。

利用C＃開發(fā)的上位機(jī)脈沖信號(hào)采集界面如圖5所示（圖中黑色曲線為主動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)速曲線，紫紅色線為從動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)速曲線）。界面包括開始采集數(shù)據(jù)、設(shè)置采樣時(shí)間、轉(zhuǎn)速顯示、傳動(dòng)比顯示、數(shù)據(jù)表格和退出系統(tǒng)等功能［12－13］。在界面上，可根據(jù)自己的需求設(shè)置采樣時(shí)間，界面可實(shí)時(shí)顯示采集時(shí)段的轉(zhuǎn)速曲線以及傳動(dòng)比曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)表格中，通過復(fù)制保存在Excle中，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 數(shù)據(jù)采集界面

3 變變位齒輪傳動(dòng)比數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)以變變位齒輪、偏心漸開線齒輪在變頻器不同輸入頻率下的傳動(dòng)狀態(tài)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，通過檢測(cè)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的瞬時(shí)速度，獲得齒輪的傳動(dòng)比曲線。由于實(shí)驗(yàn)所給的輸入頻率較多，限于篇幅，本文以變頻器輸入頻率為3Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器采集的脈沖信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來源。

3．1 變變位齒輪

設(shè)定采樣時(shí)間為5ms，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置采集時(shí)間為1s。理論上電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速是恒定不變的，而實(shí)際中主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，呈曲線變化。圖6為變頻器輸入頻率為3Hz時(shí)，變變位齒輪1s內(nèi)嚙合的速度變化曲線，其中黑色曲線代表主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，紅色曲線代表從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。圖7為變變位齒輪嚙合的傳動(dòng)比曲線。

圖6 變變位齒輪3Hz時(shí)嚙合的速度變化曲線

圖7 變變位齒輪頻率為3Hz時(shí)的傳動(dòng)比曲線

由圖7可以看出，傳動(dòng)比呈周期性變化，波動(dòng)較小，在Matlab中采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到傳動(dòng)比的擬合曲線見圖8。

圖8 傳動(dòng)比擬合曲線

為了驗(yàn)證采集的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，在ADMAS中建立的變變位齒輪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，變頻器輸入3Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平均接近200r／min，因此在仿真中將驅(qū)動(dòng)速度設(shè)置為200r／min。圖9所示為對(duì)其施加200r／min時(shí)1s內(nèi)變變位齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比曲線。

圖9 變變位齒輪驅(qū)動(dòng)為200r／min的傳動(dòng)比曲線

3．2 偏心漸開線齒輪

偏心漸開線齒輪由于存在齒側(cè)間隙，傳動(dòng)較不平穩(wěn)，我們采用相同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其傳動(dòng)比進(jìn)行測(cè)量。圖10為測(cè)得的偏心漸開線齒輪嚙合的傳動(dòng)比曲線。

圖10 偏心漸開線齒輪頻率為3Hz時(shí)的傳動(dòng)比曲線

在Matlab中采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，采用與變變位齒輪擬合曲線相同的多項(xiàng)式階數(shù)，得到的偏心漸開線齒輪的傳動(dòng)比擬合曲線見圖11。

圖11 傳動(dòng)比曲線擬合圖

由圖11可以看出，偏心漸開線齒輪的傳動(dòng)比數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。在ADMAS中建立的偏心漸開線齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并進(jìn)行仿真。圖12所示為主動(dòng)輪上施加200r／min時(shí)1s內(nèi)偏心漸開線齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比曲線。綜合圖10—圖12可以看出，偏心漸開線齒輪的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與理論值相符。

圖12 偏心漸開線齒輪驅(qū)動(dòng)為200r／min的傳動(dòng)比曲線

通過對(duì)上述2對(duì)齒輪傳動(dòng)信號(hào)的分析，所得到的傳動(dòng)比曲線與ADMAS的仿真曲線相一致，且2對(duì)齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與理論分析相符，變變位齒輪傳動(dòng)較平穩(wěn)，傳動(dòng)比曲線光滑、波動(dòng)??；且隨著轉(zhuǎn)速的提高，所得傳動(dòng)比數(shù)據(jù)不變，與理論一致，證明了所搭建的傳動(dòng)比試驗(yàn)裝置的可靠性。

4 結(jié)束語

本文搭建了齒輪的傳動(dòng)比試驗(yàn)裝置，為采集齒輪的傳動(dòng)信號(hào)提供了可靠的實(shí)體模型。通過基于C＃軟件開發(fā)的信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變變位齒輪和偏心漸開線齒輪的傳動(dòng)脈沖信號(hào)的采集和處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，該裝置采集得到的傳動(dòng)比數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為后續(xù)研究奠定了較好的基礎(chǔ)。

（References）

［1］Yu Yingliang，Ding Fengqin，Miao ZhiYi．Application research of NC machining of circular－arc aligned gear［J］．Advanced Materials Research，2011，317／318／319：264－268．

［2］Ekwaro－Osire，Jang S，Stroud T H A．Gear with asymmetric teeth for use in wind turbines［C］／／Society for Experimental Mechanics－SEM Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics．2010：932－938．

［3］E Jia－Qiang，Dong Jiangdong，Liu Guan－Lin．Contact simulation and analysis on planetary gear of megawatt wind turbines yawing reducer［J］．Advanced Materials Research，2012，455／456：187－193．

［4］Xu Qin，Huang Yuanyue．Development and application of non－circular gear emulsion motor［J］．Advanced Materials Research，2011，317／319：134－137．

［5］盧青，張璐，陳新．偏心齒輪在插秧機(jī)橫移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用［J］．中國農(nóng)機(jī)化，2008（4）：89－91．［6］楊湘洪．多功能組合齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004（5）：66，69．

［7］帥向群，張慧磊．多功能齒輪試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［J］．合肥學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，17（3）：49－52．

［8］盧行忠．齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)概況及發(fā)展［J］．現(xiàn)代機(jī)械，1986（1）：23－28，43．

［9］Chuanyan Z，Jiguang H．Establishment of Tooth Profile Curve Mayhematical Model of Varying－coefficient－shift－modification Gears［J］．Applied Mechanics and Materials，2013，391：172－177．

［10］譚偉明．變系數(shù)移距變位方法及其在非圓齒輪傳動(dòng)中的應(yīng)用［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（4）：141－144．

［11］姜慶明，楊旭，甘永梅．一種基于光電編碼器的高精度測(cè)速和測(cè)加速度方法［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2004，20（6）：48－49，78．

［12］秦曉峰．機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］．重慶：重慶大學(xué)，2007．

［13］馬曉波．C＃程序開發(fā)實(shí)用教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2013．

Development of experimental device with transmission ratio based on varying－coefficient－shift－modification gear

Shao Minghui，Hou Yujie，Han Jiguang

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China）

An experimental device with transmission ratio is built to research the kinematics characteristics of gears under different conditions，which provides a reliable entity model for the acquisition of gear transmission signals．A signal collection system is developed based on the C＃software，and the data acquisition and analysis are carried out to obtain drive signals of varying－coefficient－shift－modification gears and eccentric involutes gears．The results show that the equipment can obtain the accurate transmission signals of gears under different conditions．

varying－coefficient－shift－modification gear；experimental device；transmission ratio；C＃

TH132．41－33

A

1002－4956（2015）3－0106－04

2014－07－03 修改日期：2014－09－01

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目“變變位系數(shù)偏心漸開線齒輪傳動(dòng)的研究”（51075347）

邵明輝（1982—），男，江蘇豐縣，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)與快速成型制造．

E－mail：15252108731＠163．com