D01I:10.13374/i.issn1001053x.1981.04.005 北京钢铁学院学报 1981年第4期 封闭力流式齿轮试验台的静态和动态载荷特性 机械设计教研室朱孝录酱 摘 要 本文把封闭力流式齿轮试验台看成具有制造误差的实际机构,并且在静态和动 态的条件下,实测了齿轮试验台的载荷特性数据,从而提出了若干反映齿轮试验台 的精度等级的具体性能指标:一、静态精度指标一一静扭矩极差、静载荷波动率、 卸载率和静效率等,二、,动态精度指标一运转系数、载荷相对变动率、起动过载 ·系数和传动效率等。并且,还根据实测的数据,提出一些改善齿轮试验数据准确性 的具体办法。 一、绪 言 近年来,齿轮的台架试验日益受到人们的重视。这是因为机械工业的发展,对齿轮传动 的强度、寿命、重量和可靠性等方面,提出越来越高的要求,为了取得有关的数据,进行齿 轮台架试验的重要性和迫切性就更进一步为人们所认识了。 过去,人们对齿轮试验台的性能要求,注意力主要集中在封闭功率的容量、尺寸参数、 操作性能和一机多用等方面,而对齿轮试验台的制造精度、运转特性参数、试验数据的准确 性等方面有所忽视。事实上,试验台制成投入运转后,充分掌握试验台的运转特性,确保试 验结果数据的准确度就成为一个突出的问题。如果对试验台的制造精度、运转特点心中无 数,那末就谈不上试验结果数据的准确度,就不能得到反映客观实际、令人信服的结果。由 于齿轮试验台的式样繁多,差异很大,因此如何鉴定齿轮试验台的精度特性,规定具体的数 量指标,拟订出一个统一的规范,是一个很值得探讨的问题。本文以图1所示的机械封闭杠 杆加载式齿轮试验台为实例,根据多次电测静态和动态载荷特性的结果,对确定齿轮试验台 的综合精度、具体指标等提出一些看法,以期引起讨论和重视。 本文列举的各种实测数据,大多数都具有专用性质,但是,本文提出的确定试验台静态 和动态载荷特性的方法,原则上都适用于中、低速的其它型式的封闭力流式齿轮试验台(如 液压加载式、摇摆箱加载式等)。 “参加本谋题研究工作的还有食毅明、史铁军、王田、杨少是、王志杰、梁少英、白 俊英等。 50
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 封闭力流式齿轮试验台的静态和动态载荷特性 机械设 计教研 室 ‘ 朱李 录 井 摘 要 本 文把 封 闭力流 式齿 轮试 验 台看 成具 有制造误 差的实 际机构 , 并且在静态和 动 态 的条件下 , 实侧 了齿 轮试 验 台的载荷特性教 据 , 从 而提 出 了若干 反 映齿 轮试 验 台 的精度等级 的奥 体性能指标 一 、 静态精度 指标— 静 扭矩 极 差 、 静载荷波动率 、 卸载率和 静效率等, 二 、 动态精度指标— 运 转 系数 、 载荷相对 变动率 、 起 动过载 系数和传 动效率等 。 并且 , 还 根据实 测的数据 , 提 出一 些 改善齿轮试验 数 据准确性 的具体办法 。 一 、 绪 一连 口 近年来 , 齿轮的 台架试验 日益 受 到人们 的重视 。 这是 因为机械工业 的发展 , 对齿轮传动 的 强度 、 寿命 、 重 量和可靠性等方面 , 提出越 来越高的要求, 为了取 得有关的数据 , 进行齿 轮台架 试验 的重要性 和迫切性就 更进一 步为人们所 认识 了 。 过 去 , ” 人们对齿轮试 验台的 性能要求 , 注意 力主 要 集中在封 闭功率 的容量 、 尺 寸 参数 、 操 作比能和 一机 多用 等方 面 , 而对齿轮试验 台的 制造精度 、 运 转特性参数 、 试 验数据 的准确 性等方面 有所 忽视 。 事实上 , 试验 台制成投入 运转 后 , 充分掌握 试验 台的运 转 特性 , 确保试 验结果数据 的 准确 度就 成为一 个突出的问 题 。 如 果对试验 台 的制造精度 、 运转 特点心 中无 数 , 那 末就谈不 上 试验 结果数据 的准确度 , 就 不 能得到反 映客 观实际 、 令人信服 的结果 。 由 于齿轮试验 台的 式样繁 多 , 差 异 很大 , 因此如何 鉴定齿轮试验台的精度 特性 , 规定具体的数 里 指标 , 拟订 出一个统一 的规 范 , 是 一个很值得探 讨的 问题 。 本文 以图 所示 的机械封 闭杠 杆加载式 齿轮试验 台为实例 , 根据 多次电测 静态和 动态载荷特性的结果 , 对 确定齿轮 试 验 台 的综合 精度 、 具 体指 标等提 出一些 看 法 , 以 期 引起讨论和 重视 。 本 文 列 举 的 各种实测 数据 , 大 多数都具有专用 性质 , 但是 , 本 文提 出 的确定 试 验 台静态 和 动 态 载荷 特性 的方 法 , 原则 上都适 用于 中 、 低 速 的 其 它型 式 的封 闭力流式齿 轮试 验 台 如 液压 加 载式 、 描摆 箱加 载式 等 。 参加本 裸题 研 究工 作 的还 有食毅 明 、 史 铁军 、 王 田 、 杨少 是 、 王 志杰 、 梁少英 、 白 俊 英等 。 DOI :10.13374/j .issn1001—053x.1981.04.005
二、齿轮试验台的静态载荷特性 齿轮试验台的静态载荷特性主要是指:静效率、静扭矩极差、静载荷波动率和卸载率 等。这些指标只有通过实测才能最后确定。 典型的机械封闭杠杆加载式齿轮试验台的机构简图如图1所示。图中试验箱1和加载 器11的细部构造在文献〔1)中已作了较详细的描述,为节省篇幅,本文从略。 11 12 13 14 图1机械封闭杠杆加载式齿轮试验台简图 1-试验箱,2-试验齿轮,3-刚性联轴节,4-第I弹性轴,5-楷试箱,6一偕 试齿轮,7-联轴节,8-弹性联轴节,9-电动机,10-平衡马达支承,11-加 载器,12-第I弹性轴,13-传动轴,14-平衡力臂,a、b、c、d-四组电阻片 的粘贴位置 试验台的主要技术特性和试验、陪试齿轮的主要参数分别列于表1和表2。 表1 试验台主要技术特性 项 目 特 点 和 数 据 电源和电动机 交直流电动机组,直流电动机Z-1000,15千瓦,220伏 电机无级调速范围 470~2100转/分 弹性轴直径(可更换) 20、30、35、40毫米 封闭系统最大容许扭矩 250公斤力·米 润滑油、润滑方式和油温 50号机油,喷油循环润滑,40~50℃ 表2 试验齿轮和陪试齿轮主要参数 项 目 试验齿轮 陪试齿轮 齿形 标准渐开线 上II型圆弧齿轮 中心距a 150毫米 150毫米 齿数Z Z1=Z2=30 Z1=Z2=48 模数m 5毫米 3毫米 压力角a: 20° 30° 螺旋角B 0° 16°15'39" 齿宽b 20毫米 150毫米 齿轮精度 7级(GB179-60) 7级 材料及热处理 QT40-10铸态 45号钢调质 51
二 、 齿轮试 验 台的静态载荷特性 齿轮试验 台的静态 载荷特性 主 要是 指 静 效 率 、 静扭 矩极差 、 静 载荷 波 动 率和 卸载率 等 。 这 些 指标只 有通过实测才 能最后 确定 。 典型 的机械封闭杠杆 加载式齿轮试 验 台的机 构简图 如图 所示 。 图 中试验 箱 和加载 器 的细颤构造在文献 〔 〕中巳作了较详细 的描述 , 为节 省篇幅 , 本文 从略 。 又 击 了 胜召 之 山 图 机械封 闭杠杆加 载式齿轮试 验 台简 图 一 试验 箱 , 一 试 验 齿 轮 一 刚性联 轴节, 一 第 弹性轴, 一 陪试 箱, 一 陪 试 齿 轮 一联 轴节, 一 弹性联轴节, 一 电动机, 一 平衡 马达 支承, 一加 载器, 一第 弹性轴多 一 传 动轴多 一 平衡 力 肴, 、 、 、 一 四 组 电阻片 的枯贴位 置 试验 台的主 要技 术特性和 试验 、 陪试齿轮的主 要 参数分 别列于 表 和 表 。 表 试验 台主 要技术特性 项 目 特 点 和 数 据 电源和 电 动机 电机无级调 速 范围 弹性轴 直径 可 更换 封 闭系统最大容 许扭 矩 润 滑油 、 润滑方 式和 油温 交直 流 电动机组 , 直 流 电动机 一 , 巧千瓦 , 伏 转 分 、 、 、 毫米 公斤 力 · 米 号机油 , 喷油循 环润 滑 , ℃ 表 试验齿轮和 陪试齿轮主 要参数 项 目 … 试 验 齿 轮 齿形 标 准资开线 、 … 上 伞圆邓齿 轮 中 。 足巨“ 暴米 毫 米 性熬 亡 子 “ “ ” ” … ‘ 芬 “ “ 堡攀于 , “ 砰术 ” 萝术 ’ ‘ 竺刀孕份 ‘ “ 叮 二 姆旋 角 口 · “ … ’ ‘ ‘ 齿宽 卜 “ 毫米 ‘ 毫米 齿轮赞度 … 少 一 … 级 二 村料孕势处理 卜 铸态 号钢 调 质
为了测量封闭系统中的扭矩,在弹性轴【、【上分别贴上四组测扭电阻片,其粘贴位置 及编号(a、b、c、d)如图1所示。每根弹性轴上贴两组电阻片的目的是为便于取扭矩的 平均值,以提高测示数据的准确性和可靠性。同时还可以取得试验台封闭系统内有关扭振和 弹性波传递方面的信息。在测量时,各弹性轴上扭 矩的变化为电阻片所感受,并把信号通过集流装置 传送到YJD1型静态电阻应变仪:上,从而可读出与 扭矩相对应的微应变E值。在动态(试验台运转) 情况下,经过实测确定,由集流装置引起的测量误 差不超过25μe(相当于0.5公斤力·米).。电测时 试验台外观如图2所示。 按实测数据整理的微应变ε与扭矩T:(公斤 图2齿轮试脸台外观 力·米)的关系如图3、4所示。图3为4、,d测位 的μe一T图,增载和卸载直线重合。图4为b、c测位的μe一T图。由于摩擦力矩的影响,增 载和卸载直线不重合,其纵座标之差就是传动系统(包括轴承)的静摩擦力矩T:,从而可 求得静效率门 ·T n。=T+T≈0.94 (1) 式中:T一卸载时的扭矩。 应该指出,只有在十分仔细地进行增载和卸载操作时,静摩擦力矩才表现得明显影如果 采用振动加载法(即振动加载杠杆)加载,则摩擦力矩是一个不稳定值。因此,如果把图4 当作静标定线,则可取中间的平均线,如图中虚线所示。 T(kgf.m) T(kgf.m) 80 80 60 o 卸线 40 20 0 0 :000 2000 3000400 1000 2000 30004000 C 图3a、d测位的扭矩与微应变关系 图4b、c测位的扭矩与微应变关系 在作静态测定时,先在加载器上加上10公斤力·米的静力矩,拧紧螺栓,卸去砝码,然 后慢慢转动弹性轴,并且每转动20°(或30°),测一次扭矩T值,从而得到在名义静加载扭 矩T。=10公斤力·米下的扭矩与转角中的关系曲线(图5,下)。用同样方法可测得名义静 加载扭矩T。=25公斤力·米,T。=40公斤力·米时的T-p曲线,如图5的中上曲线所示。由 图可见,在不同转角甲下,弹性轴I、【的扭矩都稍有变化,略作正弦曲线状、以360°为一 52
为了侧最封闭系统中的扭矩 , 在弹性轴 、 上 分 别贴上 四 组测扭 电阻片 , 其粘贴位置 及编 号 、 、 。 、 如图 所示 。 每根 弹性轴上 贴 两组 电阻片的 目的是为便于取 扭 矩 的 平均值 , 以提 高测示数据的 准确性和可靠性 。 同时还可 以取 得试验 台封 闭系统 内有关扭振和 弹性波传递方面 的信息 。 在 测 量时 , 各弹性轴上扭 矩 的变化为电阻片所感受 , 并把 信 号通过 集流装 置 传送 到 一 型 静态 电阻应变仪上 , 从而可 读 出与 扭 矩 相对应 的微应 变 陌值 。 在 动态 试验 台运 转 情况 下 , 经 过实测 确定 , 由集流装 置 引起 的 测量误 差 不超过 林。 相 当于 公斤力 。 米 。 电 测时 试验台外观匆图厄所示 。 ‘ , 按实测数据游理 的微班甄卞 。 与扭矩 公斤 力 · 米 的关 系如图, 一 、 所示 。 图 为礴 、 、 测位 图 的 林。 一 图 , 增 载树卸载直线重合 。 图 为 、 测位的 卜。 一 图 。 载和 卸载直线 木重 合, 其 纵座标之差就是 传动 系统 包 括轴承 求得静效率 ” 。 , 」 齿 轮试脸乡外那 由于摩雄力矩的影响 , 增 的静摩擦力矩 ,, 从而可 , 干不 刽 时 式 中 一娜载时的扭 矩 。 〔 应该指 出 , 只 有在 十分仔细地进 行增载和 卸载操 作时 , 静摩擦力矩才表 现得明 显, 如果 采 用振动加 载捧 即振动加 载杠杆 加 载 , 则摩舞力矩是一个不 稳定值 · 因此, 如果把图 当作静标定线 , 则可取 中间的 平均线 , 如图 中虚线所示 。 一 尸 一一 一 了 广 勺尸 了 侧 翼 ,了 ’ 、 ‘切 卜‘ 几卜‘ 图 ‘ 、 测位 的扭矩 与徽应 变关系 图 、 测位 的 扭矩与微应 变关 系 在 作静态测定时 , 先在 加 载器上加 上 公斤力 , 米的静 力矩 , 拧紧螺栓 , 卸去祛 码 , 然 后 慢慢转动 弹性轴 , 并且每 转 动 。 或 。 , 测一 次扭 矩 值 , 从 而得 到在 名义 静加 载扭 矩 。 公斤力 米下的扭 矩 与转角甲 的关 系 曲线 图 , 下 。 用 同样方 法可测得 名义 静 加 载扭 矩 。 公斤力 米 , 。 二 公斤力 米时的 一 甲 曲线 , 如 图 的 中上 曲线所示 。 由 图可见 , 在 不 同转角甲 下 , 弹性轴 、 的扭 矩都稍有 变化 , 略作正 弦 曲线状 、 以 。 为一 万
T(kgf-m) 42 1轴 38 3 26 I轴 22 1轴 18 I轴 10 6 十轴 I轴 4080120160,200240280320360 图5扭矩一转角曲线 周期(齿数比u=1)。如果齿数比u+1,则小齿转360°为一周期。一个周期中扭矩的最 大值与最小值分别用Tmax和Tm:n表示,它们的差值 R=Tmax-Tmin (2) 称之为静扭矩极差。并称 e:=。×100% ·R (3) 为静载荷相对变动率。上述几项指标的具体数值列于表3。 表3 测得的Tm毒x、Tmin、R和ee值 T。(公斤力·米) 10 25 40 二数 据 轴 项 别 目 I I I Tma¥(公斤力米) 10.8 10.5 25.4 25.2 40.2 40.0 Tm:n(公斤力米) 9.5 9.1 23.7 23.7 38.8 38.7 R(公斤力米) 1.3 1.4 1.7 1.5 1.4 1.3 Ec (%) 13 14 6.8 6.0 3.5 2.6 :意由表3数据可以看出,静扭矩极差R是一个不随加载扭矩T。而变化的数值,它的大小具 有随机性(R=1.3~1.7公斤力·米)。这说明弹性轴上静载荷的波动是由试验台制造、安 装、变形等综合误差引起的,只有提高试验台零部件的制造精度和安装精度,才能减小静载 荷的波劫,否则极差R是无法消除的。这一点,已为该试验台进行大修后的实测数据所证 实。试验台经一次大修后,其静扭矩极差平均减小了大约30%,静载荷相对变动率平均减小 53
一 巨 巨厂 厂厂曰二 , 二砚 尸, 一 神书厂厂厂 「厂尸尸巴户 ‘ 孟 】 二 厂 世二】二二二刁 广 二「,叔 , 性竺 ,竺 ‘ 七到 厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 抽 日厂厂口 厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂一 厂厂日厂「口 「厂「厂厂厂厂厂厂门曰「厂厂厂厂厂门 厂厂「厂厂厂厂厂厂门曰「厂厂门厂「门 巨巨「巨「「「厂厂口门巨「庄口厂厂口 『厂厂厂厂巨匡巨巨厂 广一 「 尸 叙万厂厂日厂「口 一 「 , 中 巨卜卜 巴 一 , 卜甘 一 一 卜 ,一 卜‘ 二 丁 扭 产 卜臼日 匕 一厂厂口口口口 门门日厂门口厂尸介 口巴广〕「「【门 曰门曰「日口曰日日 口口口门门门 曰曰曰曰口口口口曰厅厂日曰口门门门厂 口「门门口口口曰门口厂口门门 门门门 曰厂门曰曰口日曰曰门日门门门门门 门「门曰门 门口口口口 门门 门 口护厄一 」口, 卜口叫护口‘ ,口口‘ — ,口一 叫曰口一 口门 曰门日门门 门 阳 , ,口 ,亡, , 一 ,门户 ‘ 目 ,户 州因吓今门门阴 口口口口口 口口口口口口 口口州 甲 图 扭矩— 转角 曲线 周 期 齿数 比 。 如 果齿数 比 粉 , 则小齿转 “ 大值与 最 小值 分 别用 和 ‘ 。 表示 , 它们 的差值 二 一 。 ‘ 称 之为静扭矩极差 。 并 称 为一周 期 。 一 个周 期 中扭 矩 的最 会 ‘ 。 。 “ 为 静载荷 相对 变动率 。 上述几 项指标 的具体数值列 于表 。 测得的 、 ‘ 、 和 。 。 值 。 公斤力 米 丹匕,自口八了 … , 月任厅了‘ 自,曰 匕八口 … 曰 匕口八曰 ︸任上月 ‘ … 人 ‘工 。 公斤力 米 ‘ 。 公斤力 · 米 公斤力 。 米 。 。 份,浪由表 数据可 以 看 出 , 静扭 矩极差 是一 个不 随加载扭 矩 。 而 变化的数值 , 它的大小具 有随机性代 一 公 斤 力 · 米 。 这说 明弹性轴上静载荷 的波 动是 由试 验 台制造 、 安 装 、 变形等综 合误 差 引起 的 , 只有提 高试 验 台零 部件的 制造精度和安装精度 , 才能减小静载 荷 的波勤户 屠则极差 是无 法 消除 的 。 这一点 , 巳为该试 验 台进 行大修后 的实测数据所证 实 。 试 验合经沁 次大修后 , 其静扭 矩极差 平均 减小 了大约 , 静载荷 相对 变动率 平均减小
了大约25%。这说明齿轮试验台的综合精度提高了,性能改善了,这一点,也为下面的动态 载荷测定所证实。很显然,静扭矩极差R可以作为齿轮试验台综合精度的重要指标之一。 齿轮试验台静态载荷特性的另一个指标是卸载率ε:。齿轮试验台加载运转一段时间t(小 时)后,封闭系统里的载荷将有所减少,这就是卸载现象。卸载现象是由于齿轮的磨损、结 合件(如花键、联轴器、螺纹联接等)的松动、零件的弹性滞后等原因引起的。不同类型的 齿轮试验台,其卸载的程度会有较大差别。严重的卸载将大大降低试验结果数据的准确性。 卸载的程度可用试验台的卸载率e,表示: T。-T1×100% e=T。 (4) 式中:T。一封闭系统中的原始扭矩, T,一一试验台运转t小时后测得的扭矩。 e,(%) &测位 d测 6 4 B 0 0 5 8t(h) 图6试验台的卸载率曲线 图1试验台的卸载率曲线如图6所示。该曲线是在下列条件下测得的:试验齿轮的轮 数和轮缘采用组合式联接结构,封闭系统中的原始扭矩T。=60公斤力·米,电动机转速·= 1480转/分,弹性轴总扭转角等于9.6°。由图6的曲线可见,试验台在运转开始后的最初两 小时内,由于系统内连接的松动,卸载率增加很快,此后转入正常磨损,卸载率就增加得很 慢了。为了保证试验数据的准确性,可以根据测得的卸载曲线合理地确定重新加载的时间, 使两次加载之间隔时间内,卸载率不超过规定值。因此,可以把卸载率作为齿轮试验台的性 能指标之一。 三、齿轮试验台的动态载荷特性 上面讨论的几个静态特性指标,主要是反映齿轮试验台的综合精度,它还不能说明试验 台在运转状态下,系统中载荷变动情况。实际上,运转状态下的载荷变动,对齿轮试验数据 的准确性具有决定性的意义。这就需要提出一个新的概念一试验台的动态精度(动态载荷 特性)问题,其中包括运转系数、载荷相对变动率、传动效率和起动过载系数等指标。 1.动衣戴荷测量方法 试验台加载运转后,封闭系统中的载荷变动,转变为弹性轴上a、b、c、d四组电阻片 的信号。此信号通过集流环引到外部的Y6D-3A型动态电阻应变仪,并用SC20型光线记录 54
了大约 。 这说 明齿轮试 验 台的综合情度提高了 , 性能改善了, 这一点 , 也为下面的动态 载荷测定所证实 。 很显 然 , 静扭 矩极差 可 以 作为齿轮试 验 台综合精度 的 重 要指标之一 。 齿轮试 验 台静态 载荷特性的 另一个指标是 卸载率 。 。 齿轮试验 台加载运转一段时 间 小 时 后 , 封 闭系统里 的载荷将 有所减少 , 这就 是 卸载现象 。 卸载现象是 由于齿轮的磨损 、 结 合件 如 花键 、 联 轴器 、 螺 纹联接等 的松动 、 零件的 弹性滞后 等原 因 引起的 。 不 同类型 的 齿轮试 验台 , 其 卸载的程 度会有较大差 别 。 严 重的 卸载将大大 降低 试 验结果数据 的 准确性 。 卸载的程度可用 试 验 台的 卸载率毛 表示 。 一 , 一一了了 一 式 中 。 — 封 闭系统 中的原始扭 矩, — 试 验 台运转 小时后 测得的扭 矩 。 七 · 一 州场, — 足 姻位 了 记于 护是 用位 口 时位 》 匕一一一月卜一 叫 互卜洲 产侧 尸口曰 , 月 日 ’ 必 图 试 验 台的卸载率 曲线 图 试 验 台的 卸载 率 曲线如 图 所示 。 该 曲线是在 下列 条 件下测得的 试 验齿轮的 轮 毅和 轮缘采用 组合 式联接结 构 , 封 闭系统 中的原始扭 矩 。 二 公斤力 。 米 , 电动机转速 转 分 , 弹 性轴 总扭 转角等于 “ 。 由图 的 曲线可见 , 试 验台在 运转开始后 的 最 初 两 小时内 , 由于 系统 内连 接的松动 , 卸载率 增加很快 , 此后转入正常磨损 , 卸载率就 增加得很 慢了 。 为 了保证试 验数 据 的 准确性 , 可 以根 据测得的卸载曲线合 理地确定重 新加 载的时 间 , 便两次加载之 间隔 时 间 内 , 卸载率 不超过规定值 。 因此 , 可 以把 卸载率作为齿轮试 验台的 性 能指标之一 。 三 、 齿 轮试验 台的动态载荷特性 上面讨论的几 个静态特性指标 , 主 要是反 映齿轮试 验台的综合 精度 , 它还不 能 说 明试 验 台在运转状态 下 , 系统 中载荷 变动情况 。 实际上 , 运 转状态 下的载荷 变动 , 对 齿轮试 验数据 的 准确性具有决定性的意义 。 这就 需要提 出一 个新的概念— 试验 台的动态精度 动态 载荷 特性 问题 , 其 中包 括运转系数 、 载荷相对 变动率 、 传动效率和起动过载系数 等指标 。 动奋级荷洲 方法 试脸台加载运 转后 , 封 闭系统 中的载荷 变动 , 转变为弹性轴上 、 、 、 四组电阻片 的信号 。 此信号通过集流环 引到外部的 一 型 动态 电阻应 变仪 , 并用 型光线记 录