齒輪傳動系統(tǒng)中各個零部件傳遞的扭矩如何測量

1、齒輪傳動系統(tǒng)中各個零部件傳遞的扭矩如何測量題目A班級： 姓名： 學(xué)號：一、齒輪傳動系統(tǒng)中各個零部件傳遞的扭矩如何測量？在電動執(zhí)行機構(gòu)中，齒輪傳動系統(tǒng)與扭矩測量系統(tǒng)是執(zhí)行機構(gòu)兩個重要組成部分。本文將簡述兩種不同的齒輪傳動系統(tǒng)以及對應(yīng)的兩種不同的扭矩測量方法。1齒輪傳動系統(tǒng)電動執(zhí)行機構(gòu)的動力來源是電機，一般電機的轉(zhuǎn)速非?？欤~定轉(zhuǎn)速一般為3000rpm或1500rpm），而輸出扭矩又非常小（一般介于0.5Nm20Nm之間），所以必須借助于齒輪系統(tǒng)傳動，利用其減速及放大扭矩的功能，一方面把輸出轉(zhuǎn)速降到理想速度，另一方面將較小的電機輸出扭矩放大到閥門操作所需要的較大的扭矩輸出。同時，齒輪傳動系統(tǒng)的傳動

2、特性也可用于執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩的測量。1.1蝸輪蝸桿傳動不同電動執(zhí)行機構(gòu)中采用的齒輪傳動型式各不相同，但一般都包含有蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)。蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點，例如單級傳動比大、輪系接觸面積大、承載能力強、傳動平穩(wěn)、特定螺旋角下可實現(xiàn)自鎖等，然而蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)因自身的結(jié)構(gòu)也同時存在這較大的缺點：1）傳動效率低：由于輪系接觸面積大，相對滑動摩擦較大，傳動效率一般僅為1020%。另外由于較大的滑動摩擦造成的齒面磨損也較大，輪系發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，需要較好的潤滑與散熱。2）蝸桿軸向力大：蝸輪蝸桿傳動相當(dāng)于螺旋傳動，當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)動帶動蝸輪傳動時，受反作用力的影響，在蝸輪轉(zhuǎn)動的同時，蝸桿會受到與蝸輪轉(zhuǎn)動方向

3、相反的軸向力。負載越大，軸向力越大。較大的軸向力會造成蝸桿支持部件的磨損，從而使蝸桿的軸向定位產(chǎn)生間隙，使系統(tǒng)傳動的精度降低，并且會產(chǎn)生傳動震蕩及噪音。 1.2行星齒輪傳動為了在利用蝸輪蝸桿傳動優(yōu)點的同時又盡量降低其缺點的影響，執(zhí)行機構(gòu)可采用兩級傳動，常用的選擇是采用行星齒輪傳動+蝸輪蝸桿傳動的組合型式。行星齒輪傳動的原理：行星齒輪系統(tǒng)由三個主要傳動部件組成：太陽輪、行星輪及齒圈。所有的行星輪一般固定在一個行星架上。行星齒輪系統(tǒng)的傳動有雙自由度的特性，即在三個傳動部件中，固定任意一個部件，另外兩個就可傳動與蝸桿相聯(lián)。這樣，在電機轉(zhuǎn)動時，太陽輪會驅(qū)動行星輪帶著行星架圍繞太陽輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動蝸桿轉(zhuǎn)

4、動，輸出動力。行星齒輪傳動的特性：行星齒輪傳動相對蝸輪蝸桿傳動有許多獨特的優(yōu)點，恰好彌補克服上述蝸輪蝸桿傳動的缺點：1）機構(gòu)緊湊：占用空間小，無軸向力。2）工作平穩(wěn)：震蕩及噪音小。3）滑動摩擦小：摩擦損耗小，傳動效率高。兩種傳動機構(gòu)結(jié)合使用，既能實現(xiàn)自鎖的性能，又能獲得較高的傳動效率，降低電機功率，減少能耗。下表即采用不同傳動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)比較。上表中可以看出，兩個型號的執(zhí)行機構(gòu)全行程時間基本相同，即傳動系統(tǒng)的減速比基本一樣，但對于同樣的輸出扭矩，所需要的電機功率及運行電流相差很大，這說明在電動執(zhí)行機構(gòu)中采用行星齒輪傳動可大大降低能耗。2.執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩的測量：電動執(zhí)行機構(gòu)在驅(qū)動閥門動

5、作時，其輸出扭矩隨負載（閥門操作扭矩）的變化而變化。當(dāng)閥門運行到終點（全開或全關(guān)）的位置或在運行過程中閥芯發(fā)生卡住不動的時候，執(zhí)行機構(gòu)的輸出扭矩會急劇升高。為了不至于損壞閥座密封面或閥桿，需要限制執(zhí)行機構(gòu)的最大輸出扭矩。而這就需要扭矩測量系統(tǒng)來實時測量執(zhí)行機構(gòu)的輸出扭矩。測量執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩一般有兩種途徑：利用蝸桿的軸向位移，或利用行星齒輪齒圈的周向位移。（還有一種測量方法是利用測量電機的速度來計算執(zhí)行機構(gòu)的輸出扭矩，屬于間接測量法，不在本篇論述之列。）2.1激光多普勒式扭矩測量法激光多普勒式扭矩測量法的工作原理是：由同一個激光器發(fā)出的激光通過分光鏡分成兩束相同的光并 供給兩個截面，截面間距為

6、 a；每一截面的光又被分成 兩束平行的激光投射到被測轉(zhuǎn)軸表面，平行光束的間 距為 d；轉(zhuǎn)軸表面的散射光沿原路返回，通過折射鏡后 到達光電檢測器上；與參考光束疊加形成多普勒差拍頻率并被檢測，其工作原理如圖所示激光多普勒式扭矩測量法的優(yōu)點是效率、靈敏度 及準(zhǔn)確度都很高，且為非接觸測量、不改變轉(zhuǎn)軸運行狀 態(tài)和不受轉(zhuǎn)軸形狀影響；其缺點是成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 安裝及調(diào)試難度大，不適合大規(guī)模應(yīng)用。2.2激光衍射式扭矩測量法將大小和形狀完全相同的兩個鋼質(zhì)圓盤安裝在彈性軸兩端，在圓盤表面開設(shè)兩條細小縫隙，且大小和角度完全相同，在彈性軸一端安裝激光源，所發(fā)出的激光 通過兩條縫隙后發(fā)生衍射。當(dāng)彈性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時兩

7、 條縫隙的公共區(qū)域變窄，激光通過的縫隙變小，根據(jù)光 的衍射原理，衍射產(chǎn)生的圓斑大小與激光通過的縫隙大 小相關(guān)；縫隙變小后，衍射產(chǎn)生的圓斑直徑變大，在彈性 軸的另一端用 CCD 傳感器接收衍射圖像，將成像數(shù)據(jù) 傳至計算機；通過測量衍射圓斑的直徑可以得到彈性軸所承受的扭矩大小，其工作原理如圖所示932221783654 激光衍射式扭矩測量法工作原理1.激光源；2.縫隙；3.圓盤；4.成像數(shù)據(jù)；5.CCD 傳感器；6.彈性軸；7.計算機；8.激光；9.外殼2.3磁電式轉(zhuǎn)矩儀測試法磁電式轉(zhuǎn)矩儀問世早、應(yīng)用面廣、數(shù)量多，是利用具有機械彈性的被測軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生彈性變形來測量轉(zhuǎn)矩的儀表。磁電式傳感器由轉(zhuǎn)

8、子和定子兩部份組成，轉(zhuǎn)子是固定在轉(zhuǎn)軸上的一對由磁性材料制造的齒輪，定子是基座上安裝的一對由磁鋼、磁極、線圈等組成的磁感應(yīng)器。因此，其原理就是變磁阻感應(yīng)發(fā)電式傳感器。當(dāng)彈性軸不受轉(zhuǎn)矩作用時，由于兩個齒輪安裝的差別，它們的齒之間存在一個初始角度，兩個線圈的感應(yīng)電動勢有一個起始相位差Z。當(dāng)彈性軸受到轉(zhuǎn)矩作用而產(chǎn)生彈性變形時，兩個齒輪齒的對應(yīng)位置又變化了一個角度，兩個線圈的感應(yīng)電動勢e1與e2間的相位差也隨之變化了一個角度：ZZTl/(GIp)由此式可見，兩電動勢之間的相位差 與轉(zhuǎn)矩T成正比。通過測量轉(zhuǎn)換電路，就可以將轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)矩成正比的電信號。由上述可見，兩個齒輪的相對運動是使得傳感器產(chǎn)生信號的必要

9、條件，因此傳感器適用于測量高轉(zhuǎn)速，且可以實現(xiàn)非接觸測量，但是在低轉(zhuǎn)速情況下精度會受影響。另外，磁感應(yīng)器是傳感器的磁路，容易受到測量環(huán)境中強電磁場的干擾，影響轉(zhuǎn)矩測量的精確度和可靠性。2.4蝸桿軸向位移測量法：蝸桿軸向位移測量系統(tǒng)由碟形彈簧、撥桿及微動開關(guān)組成。碟形彈簧頂在蝸桿的兩端，撥桿端部卡在蝸桿上。如前所述，在蝸輪蝸桿傳動過程中，蝸桿由于受軸向力的作用，會產(chǎn)生軸向位移。軸向位移的蝸桿會壓縮碟形彈簧，當(dāng)?shù)螐椈蓧嚎s產(chǎn)生的彈簧力與軸向力平衡時，蝸桿的軸向位移停止。負載（執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩）越大，蝸桿軸向位移越大，當(dāng)負載（輸出扭矩）達到執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定扭矩時，撥桿會觸動微動開關(guān)動作，從而切斷執(zhí)行機構(gòu)電

10、機的電源，執(zhí)行機構(gòu)停止轉(zhuǎn)動。蝸桿軸向位移測量扭矩的方法是一種簡單的測量方法，存在這一定的缺陷：1）測量精度差：由于機械結(jié)構(gòu)的要求，為了避免產(chǎn)生較大的振動及保持定位的準(zhǔn)確型，需要把蝸桿的軸向位移限制在一個較小的范圍內(nèi)，所以必須采用彈性模量較大的碟形彈簧。因而，單位彈簧形變對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩就會較大，測量精度不高。2）測量精度隨運行時間降低：蝸桿是高速旋轉(zhuǎn)部件，在動作過程中蝸桿、蝸輪、蝸桿支持部件及撥桿等部件均會發(fā)生磨損，因而會造成各種間隙的增大，測量精度也會隨之降低。 2.5行星齒輪齒圈周向位移測量法：行星齒輪齒圈周向位移測量系統(tǒng)由螺旋彈簧、撥桿及微動開關(guān)組成。螺旋彈簧頂在滑塊上，滑塊卡在齒

11、圈上。撥桿端部卡 在齒圈上。當(dāng)電機帶動太陽輪旋轉(zhuǎn)時，太陽輪驅(qū)動行星輪轉(zhuǎn)動，同時也會帶動齒圈轉(zhuǎn)動。齒圈的轉(zhuǎn)動會通過滑塊壓縮螺旋彈簧。當(dāng)彈簧形變產(chǎn)生的彈簧力與齒圈受到的周向力平衡時，齒圈就會停止轉(zhuǎn)動。負載（執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩）越大，齒圈周向位移越大，當(dāng)負載（輸出扭矩）達到執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定扭矩時，撥桿會觸動微動開關(guān)動作，從而切斷執(zhí)行機構(gòu)電機的電源，執(zhí)行機構(gòu)停止轉(zhuǎn)動。行星齒輪齒圈周向位移測量法相對于蝸桿軸向位移測量法有其獨特的優(yōu)勢：1）測量精度高：齒圈周向位移比蝸桿軸向位移大，螺旋彈簧彈性模量小，彈簧單位形變對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩變化相對小，因而測量精度較高。2）測量精度保持時間長：行星齒輪外圈不是高速旋轉(zhuǎn)

12、部件，摩擦磨損小，測量精度不隨執(zhí)行機構(gòu)運行時間增加而降低，可以實現(xiàn)長久的高精度測量。 總結(jié)：裝備有行星齒輪傳動系統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)要比單純使用蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)的傳動效率高，在同樣的輸出扭矩及操作時間的條件下，裝備有行星齒輪傳動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)電機功率小，能耗低。利用行星齒輪外圈周向位移要比利用蝸桿軸向位移的方法測量執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩精度高，更能實現(xiàn)持久可靠的測量。2、 輪齒齒根彎曲應(yīng)力如何測量、采集？1斜齒輪嚙合過程齒根應(yīng)力的實驗研究該裝置通過讀數(shù)顯微鏡上顯示的齒輪副上兩個指定輪齒間的距離來確定齒輪的嚙合位置。但這套實驗裝置較為復(fù)雜。本文介紹了一種簡便地測量斜齒輪副嚙合過程齒根彎曲應(yīng)力和變

13、形的實驗裝置,給出了設(shè)計原理和程序,并根據(jù)加工出的實驗臺完成了一對斜齒輪齒根應(yīng)力測量。1.1實驗臺的工作原理斜齒輪嚙合過程齒根靜態(tài)應(yīng)力測量實驗臺示意圖如圖所示。實驗臺在杠桿8上懸掛吊盤和祛碼,通過小齒輪(加載齒輪)3將載荷作用到被測大齒輪4上。法蘭盤5通過銷釘6固聯(lián)于被測齒輪上。在法蘭盤上銑去一塊,通過改變嵌人法蘭盤楔塊7的夾角達到確定齒輪的接觸線位置。作用的載荷經(jīng)楔塊傳人底盤l上。從而可達到測量齒輪在嚙合過程中不同接觸位置時齒根應(yīng)力和變形的目的。1.2斜齒輪嚙合過程各接觸線位置的確定 齒輪在嚙合過程中是沿齒輪嚙合線傳遞力和運動的,如圖2所示,其中N八:為理論嚙合線段長,盡BZ為實際嚙合線段長

14、。對于斜齒輪傳動,由于接觸線的傾斜,其實際嚙合線段要增加。設(shè)小齒輪為右旋,剛進人嚙合的接觸線在嚙合線上的投影為圖二根據(jù)齒輪嚙合原理 和這樣,大齒輪輪齒進人嚙合和很出嚙合壓力角即為被測輪齒嚙合過程各接觸線位置的確定是通過改變圖3中的角度由齒輪嚙合原理可得圖3中各角度間的關(guān)系為可以導(dǎo)出這樣通過不同夾角楔塊的正、反兩方向的放置,可以確定斜齒輪作用面上兩端對稱各接觸線的位置。進而得1.3各接觸位置加載臂長的確定 在齒輪嚙合過程中,齒輪傳遞的扭矩為一常數(shù)。因此就要保證實驗中作用在被動齒輪上的法向載荷凡在各接觸位置下是相等的。實驗臺加載裝置示意圖如圖4所示,將加載杠桿用鍵固聯(lián)在小齒輪回轉(zhuǎn)軸上。加載桿的加載

15、線通過與被測輪齒嚙合的小齒輪輪齒端面中心線。由齒輪嚙合原理和圖4中的幾何關(guān)系可得:1.4測量方法本文齒根應(yīng)力測量采用電阻應(yīng)變測量方法。應(yīng)變片的粘貼位置如圖7所示,在大齒輪被測輪齒的齒根部30。切線點部位粘貼基長X基寬為1.6X1.2的箱式電阻應(yīng)變片.按照圖6所示中間lB一幾五個截面,沿齒寬方向各貼有五片,兩側(cè)共計10片。由此可以同時測量受拉側(cè)與受壓側(cè)齒根應(yīng)力。在測量應(yīng)變時,被測輪齒兩側(cè)的10片應(yīng)變片用一個公共補償片進行補償,與電阻箱組成10路半橋測量電路,再接到靜態(tài)應(yīng)變儀.測量不同接觸位置的齒根拉、壓應(yīng)變。本文提出了一種簡便地測量斜齒輪嚙合過程靜態(tài)加載裝置。根據(jù)該裝置可以方便地測量斜齒輪在不同接觸位置的齒根應(yīng)力或變形。文中給出的程序(略)可供讀者設(shè)計不同齒輪參數(shù)的實驗臺。在本文參數(shù)下,齒根最大拉、壓應(yīng)力均發(fā)生在齒輪雙齒嚙合外界點附近,但最大應(yīng)