邵明輝，侯玉潔，韓繼光

（江蘇師范大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

基于變變位齒輪傳動比實驗裝置研制

邵明輝，侯玉潔，韓繼光

（江蘇師范大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

為了研究不同狀態(tài)下齒輪的運動學(xué)特性，搭建了變變位齒輪的傳動比實驗裝置，為采集齒輪的傳動信號提供了可靠的實體模型。通過基于C＃軟件開發(fā)的信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對變變位齒輪和偏心漸開線齒輪的傳動脈沖信號的采集和處理。實驗結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對不同狀態(tài)下傳動信號的準確采集。

變變位齒輪；實驗裝置；傳動比；C＃

齒輪在機械傳動領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如數(shù)控機床［1］、風(fēng)電機組［2－3］、液壓馬達［4］、插秧機［5］。齒輪傳動具有傳動準確可靠、效率高等特點。而隨著工業(yè)水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)對齒輪傳動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，其中傳動比是齒輪傳動裝置的重要傳動特性，瞬時傳動比的恒定與否直接影響到整個傳動機構(gòu)的傳動性能。所以對齒輪傳動裝置傳動比特性的研究有著重要的生產(chǎn)實際意義，而機械設(shè)備傳動比數(shù)據(jù)的獲取又是其傳動比特性研究的基礎(chǔ)，也是齒輪設(shè)計、性能分析研究和應(yīng)用的前提。機械設(shè)備傳動比數(shù)據(jù)的獲取本質(zhì)是對嚙合齒輪瞬時速度的獲取，因此瞬時速度數(shù)據(jù)的采集是整個傳動特性分析的首要前提。

本文針對變變位齒輪傳動的運動學(xué)特性進行研究，搭建了變變位齒輪傳動的傳動比實驗裝置，并利用C＃軟件開發(fā)傳動比信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對變變位齒輪、偏心漸開線齒輪傳動信號的有效采集。

1 變變位齒輪傳動比實驗裝置設(shè)計

1．1 傳動比實驗裝置原理

傳動比，即機構(gòu)中瞬時輸入速度與輸出速度的比值。通過測量主軸和從動軸的瞬時轉(zhuǎn)速間接獲得齒輪傳動的瞬時傳動比。齒輪傳動比實驗裝置原理框圖見圖1。

圖1 傳動比實驗裝置原理框圖

測試軸通過彈性聯(lián)軸器與光電編碼器相連，齒輪嚙合傳動中，光電編碼器采集脈沖信號，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)送入PC機進行相應(yīng)的計算和處理，得到傳動比數(shù)據(jù)。

1．2 機械系統(tǒng)

變變位齒輪傳動比實驗裝置包括機械系統(tǒng)（見圖2）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。其中機械系統(tǒng)包括電動機、變頻器、變變位齒輪等。機械系統(tǒng)是基于變變位齒輪構(gòu)建的齒輪傳動實驗臺，為開式齒輪實驗臺［6－8］，建臺容易，安裝調(diào)試方便。

圖2 試驗裝置的機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)采用三相異步電動機作為動力裝置，使用變頻器進行調(diào)速，驅(qū)動齒輪傳動。電動機、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，改變電動機的輸出轉(zhuǎn)速。實驗裝置的機械系統(tǒng)部件的基本參數(shù)見表1。

表1 試驗裝置機械系統(tǒng)部件的基本參數(shù)

我們選用2對齒輪對其傳動比進行測試，以檢測傳動比測試系統(tǒng)的可靠性，2對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，傳動更平穩(wěn)，其基本參數(shù)見表2。采用線切割對齒輪進行加工，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)

傳動比實驗裝置的數(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；數(shù)據(jù)采集卡對脈沖信號進行采集，并輸入計算機對信號進行處理。監(jiān)測機械設(shè)備時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 變變位齒輪傳動比采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集卡USB5801支持多種語言進行軟件后期開發(fā)，如VC、VB、Matlab、LabVIEW、C＃等，系統(tǒng)選用C＃對USB5801進行后期開發(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采集、信號處理、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，還說景花廠這方小舞臺虛席以待，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，話筒嘟個不停。

利用C＃開發(fā)的上位機脈沖信號采集界面如圖5所示（圖中黑色曲線為主動軸輸出轉(zhuǎn)速曲線，紫紅色線為從動軸輸出轉(zhuǎn)速曲線）。界面包括開始采集數(shù)據(jù)、設(shè)置采樣時間、轉(zhuǎn)速顯示、傳動比顯示、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)置采樣時間，界面可實時顯示采集時段的轉(zhuǎn)速曲線以及傳動比曲線，同時將數(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 變變位齒輪傳動比數(shù)據(jù)采集

實驗以變變位齒輪、偏心漸開線齒輪在變頻器不同輸入頻率下的傳動狀態(tài)作為重點研究對象，通過檢測主動軸和從動軸的瞬時速度，獲得齒輪的傳動比曲線。由于實驗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，旋轉(zhuǎn)編碼器采集的脈沖信號作為實驗的數(shù)據(jù)來源。

3．1 變變位齒輪

設(shè)定采樣時間為5ms，系統(tǒng)默認設(shè)置采集時間為1s。理論上電動機的輸出轉(zhuǎn)速是恒定不變的，而實際中主動軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，呈曲線變化。圖6為變頻器輸入頻率為3Hz時，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軸的轉(zhuǎn)速，紅色曲線代表從動軸的轉(zhuǎn)速。圖7為變變位齒輪嚙合的傳動比曲線。

圖6 變變位齒輪3Hz時嚙合的速度變化曲線

圖7 變變位齒輪頻率為3Hz時的傳動比曲線

由圖7可以看出，傳動比呈周期性變化，波動較小，在Matlab中采用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到傳動比的擬合曲線見圖8。

圖8 傳動比擬合曲線

為了驗證采集的數(shù)據(jù)是否準確，在ADMAS中建立的變變位齒輪運動學(xué)仿真模型，變頻器輸入3Hz時，電動機轉(zhuǎn)速平均接近200r／min，因此在仿真中將驅(qū)動速度設(shè)置為200r／min。圖9所示為對其施加200r／min時1s內(nèi)變變位齒輪傳動的傳動比曲線。

圖9 變變位齒輪驅(qū)動為200r／min的傳動比曲線

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，傳動較不平穩(wěn)，我們采用相同的實驗方法對其傳動比進行測量。圖10為測得的偏心漸開線齒輪嚙合的傳動比曲線。

圖10 偏心漸開線齒輪頻率為3Hz時的傳動比曲線

在Matlab中采用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，采用與變變位齒輪擬合曲線相同的多項式階數(shù)，得到的偏心漸開線齒輪的傳動比擬合曲線見圖11。

圖11 傳動比曲線擬合圖

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

圖12 偏心漸開線齒輪驅(qū)動為200r／min的傳動比曲線

通過對上述2對齒輪傳動信號的分析，所得到的傳動比曲線與ADMAS的仿真曲線相一致，且2對齒輪的運動學(xué)特性與理論分析相符，變變位齒輪傳動較平穩(wěn)，傳動比曲線光滑、波動?。磺译S著轉(zhuǎn)速的提高，所得傳動比數(shù)據(jù)不變，與理論一致，證明了所搭建的傳動比試驗裝置的可靠性。

4 結(jié)束語

本文搭建了齒輪的傳動比試驗裝置，為采集齒輪的傳動信號提供了可靠的實體模型。通過基于C＃軟件開發(fā)的信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對變變位齒輪和偏心漸開線齒輪的傳動脈沖信號的采集和處理。經(jīng)過實驗分析，該裝置采集得到的傳動比數(shù)據(jù)準確，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．偏心齒輪在插秧機橫移動機構(gòu)上的應(yīng)用［J］．中國農(nóng)機化，2008（4）：89－91．［6］楊湘洪．多功能組合齒輪傳動實驗臺設(shè)計［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2004（5）：66，69．

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

［8］盧行忠．齒輪傳動實驗臺概況及發(fā)展［J］．現(xiàn)代機械，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中的應(yīng)用［J］．機械工程學(xué)報，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速和測加速度方法［J］．微計算機信息，2004，20（6）：48－49，78．

［12］秦曉峰．機械傳動試驗臺測控系統(tǒng)的設(shè)計［D］．重慶：重慶大學(xué)，2007．

［13］馬曉波．C＃程序開發(fā)實用教程［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)基金委員會資助項目“變變位系數(shù)偏心漸開線齒輪傳動的研究”（51075347）

邵明輝（1982—），男，江蘇豐縣，碩士，實驗師，研究方向為數(shù)控技術(shù)與快速成型制造．

E－mail：15252108731＠163．com