郭重，李博學，張貝貝，杜鵬樂，教柳

（河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471000）

便攜式高速小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合檢測儀設(shè)計

郭重，李博學，張貝貝，杜鵬樂，教柳

（河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471000）

針對現(xiàn)階段弧齒錐齒輪檢查機存在的不足，研究設(shè)計了一種針對小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合質(zhì)量的檢測儀器。該儀器利用噪聲傳感器和加速度傳感器采集齒輪嚙合的噪聲和振動信號。通過USB接口將信號通輸入計算機中，經(jīng)過濾波后，利用LabVIEW對其進行時域和頻域分析并與標準值比較，以判斷齒輪的嚙合質(zhì)量。該檢查機可以調(diào)整轉(zhuǎn)速和載荷，并用磁柵尺保證被測齒輪的準確安裝，其檢查結(jié)果準確、可靠且攜帶方便。

弧齒錐齒輪；嚙合質(zhì)量；齒輪檢查機

小模數(shù)弧齒錐齒輪由于傳動平穩(wěn)，承載能力強，被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備的第一級減速，其轉(zhuǎn)速可以高達1～20000 r/min.在高轉(zhuǎn)速下，其嚙合品質(zhì)直接決定了工作系統(tǒng)的可靠性和壽命。因此，如何全面準確地評價齒輪嚙合品質(zhì)具有十分重大的意義。

目前小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合質(zhì)量的檢測主要有兩種方式。

一是，利用手搖式滾動檢查機，如天津第一機床總廠的Y9520型滾檢機。檢測人員在齒輪接觸區(qū)涂抹著色劑，通過嚙合接觸印痕和千分表，結(jié)合個人經(jīng)驗來判斷其嚙合質(zhì)量。

二是，利用大型滾動檢查機，如美國格里森公司600HTT型檢驗機，四川禧鑫機床廠YBK9580錐齒輪滾檢機等。此類檢查機檢測項目豐富，能夠直觀展現(xiàn)齒輪嚙合質(zhì)量。

但以上方式均有不足。手搖式滾檢機通過毫米尺來定位安裝，安裝距精度較低，且檢測結(jié)果主要憑檢測人員耳聽眼看和個人經(jīng)驗。檢測結(jié)果受各種隨機因素的影響較大，準確性難以保證。

目前自動滾檢機最高轉(zhuǎn)速不超過4 000 r/min，遠未達到實際工況轉(zhuǎn)速。低轉(zhuǎn)速下的檢測結(jié)果并不嚴謹、準確。如齒輪嚙合時，振動信號的三次諧波隨著轉(zhuǎn)速的增加呈先升高后降低的趨勢［1］。

同時，齒輪嚙合品質(zhì)的現(xiàn)場檢測近年來需求增多，如在設(shè)備維修、招標采購、齒輪修復等場合。手搖式滾檢機雖然輕便，但檢測精度不足；而自動滾檢機普遍體積較大、重量較重，只能置于實驗室中。

因此，計劃研制一種檢測高速小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合品質(zhì)的便攜式儀器。其設(shè)計體積較小，并廣泛采用鋁合金材質(zhì)，整機重量控制在20 kg之內(nèi)，尺寸接近小型手提箱，方便攜帶。

1　檢測方法及原理

研究表明［2］：錐齒輪副嚙合的振動、噪聲與錐齒輪的嚙合品質(zhì)直接相關(guān)。若錐齒輪副共軛曲面的壓力角或者螺旋角不相適應(yīng)，則嚙合頻率的各次諧波都很高。若接觸區(qū)過窄，基波的振動與噪聲較高；接觸區(qū)過寬，則二次濾波的振動和噪聲是主要的。三次濾波的產(chǎn)生主要與齒面的粗糙度和干涉有關(guān)。合格的齒輪嚙合時除一次諧波較高，其他諧波幅值都很低。高精齒輪的第四至六次諧波甚至可能完全消失［3］。

因此，齒輪嚙合的振動和噪聲可以綜合反映齒輪的加工精度是否合格和參數(shù)設(shè)計是否合理。同時，人機關(guān)系如今亦成為評價設(shè)備性能好壞的重要指標［4］。因而，噪聲、振動本身也成為評價嚙合質(zhì)量的因素之一。

2　硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1整體設(shè)計

底座中間沉底，便于收集潤滑油。主動箱、從動箱分居于底座兩角，用螺釘固定在底座上。蓋板通過螺釘與兩箱體連接，用來安裝電動機和磁滯制動器，同時提高結(jié)構(gòu)剛度。安裝完成后打定位銷。電機安裝板和制動器安裝板通過螺釘固定于蓋板上。電動機和制動器通過螺釘固定于對應(yīng)的安裝板上。

電機為無極調(diào)速低噪音電機，轉(zhuǎn)速可達6 000 r/min，同步帶輪傳動比為2，故最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，滿足不同齒輪副工作轉(zhuǎn)速需求。其工作噪聲不大于65 dB.

制動器扭矩可調(diào)，其最大扭矩為1 N·m.

外形尺寸：265 mm×220 mm×231 mm，尺寸接近于小型手提箱。由于底座、箱體、蓋板、安裝板材質(zhì)均為鋁合金，故整體質(zhì)量（含聲級計及支架）為20 kg左右。整體軸測圖如圖1所示。

圖1　整體裝置軸測圖

2.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1電機、制動器與軸的連接

主、從動軸通過同步帶與電機、磁滯制動器輸出、輸入軸連接。主、從動軸鍵較長，調(diào)整帶輪在鍵上的相對位置以安裝不同尺寸的齒輪。當帶輪位置調(diào)整合適后，旋進緊定螺釘以保證定位，示意圖如圖2所示。

圖2　電機、制動器與軸的連接

2.2.2軸的進給

主、從動軸的軸套上刻有齒條，主、從動箱體內(nèi)上側(cè)有齒輪槽，進給齒輪通過齒輪軸與箱體側(cè)面的進給旋鈕相連。主動軸行程為65 mm，從動軸行程為40 mm.主、從動軸通過導向鍵導向。主、從動軸被調(diào)整到合適位置后，旋進箱體側(cè)面的緊定螺釘，即可鎖緊軸。其示意圖如圖3所示。

圖3　軸的進給裝置

磁柵尺可以精確定位主動軸、從動軸的進給量。軸套側(cè)面銑有寬度為12 mm的平面，貼上磁帶；讀數(shù)頭安裝在箱體正面，可以保證安裝距誤差在1之內(nèi)。

2.2.3齒輪的裝夾

主、從動軸的端面采用彈性夾頭裝夾被測齒輪。該夾具可以快速更換、快速夾裝。

3　檢測系統(tǒng)的設(shè)計

3.1噪聲檢測系統(tǒng)

嚙合噪聲通常下在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)［5］。嚙合頻率計算公式如下：

式中，n為轉(zhuǎn)速（r/min）；z為齒數(shù)。

齒輪嚙合的噪聲、振動信號主要集中在回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率的六次以內(nèi)諧波［6］?；↓X錐齒輪小輪齒數(shù)一般小于15，故噪聲傳感器的頻率范圍：

選用重慶泰測科技有限公司TZ-2KA型噪聲傳感器來檢測齒輪副嚙合時的噪聲。其主要參數(shù)為［7］：頻率范圍：2～20 kHz，動態(tài)范圍：20～140 dB，靈敏度30 mV/Pa.采集到的信號經(jīng)過采集卡A/D轉(zhuǎn)換，通過USB總線輸入計算機中。

3.2振動檢測系統(tǒng)

嚙合振動頻率主要為回轉(zhuǎn)頻率、固有頻率、嚙合頻率及其高次諧波［8］。公式如下：回轉(zhuǎn)頻率：

式中，n為齒輪的轉(zhuǎn)速，z為齒輪的齒數(shù)。

齒輪的固有頻率：

對于形狀簡單的齒輪，其固有頻率可按中心固定的自由圓板彈性體振動理論公式近似計算［9］。

嚙合頻率及其高次諧波計算同公式（1）。

由于齒輪嚙合時既有軸向振動，又有徑向振動，故采用低阻抗（IEPE）三軸向加速度傳感器測量齒輪嚙合的加速度信號［10］。選用北京康泰電子有限公司的ULT2122型加速度傳感器。其主要參數(shù)為［11］：量程為±500 g，靈敏度為10 mv/g，頻率范圍為1～12 000 Hz.可以在高轉(zhuǎn)速（1 0000 r/min）下，對小輪齒數(shù)在12齒以下的齒輪副進行6次諧波分析。鑒于分析到六次諧波的情況較少，分析的重點是前三次諧波［12］，故該型加速度傳感器可基本滿足要求。加速度傳感器剛性固定在主動軸、從動軸前端蓋處。

3.3采樣方式及采集卡的選擇

3.3.1采樣方式的確定

由于該檢測系統(tǒng)中共采集到7個模擬信號輸入。為了滿足要求且控制成本，采用相差5us的準同步采集方式，最大相差為30 us，其電路簡單，成本低，功耗小［13］。

3.3.2采集卡的選擇

LabVIEW只支持NI公司的采集卡。選擇北京阿爾泰科技有限公司的USB2881數(shù)據(jù)采集卡。主要參數(shù)為［14］：分辨率：16 bit，量程：±10 V，最高采樣頻率250 kHz.

3.4對信號的處理及分析

3.4.1干擾信號的過濾

由于采集到的噪聲、振動信號中包括干擾信號［15］，因此還需要對采集到的信號做濾波處理。直接利用LabVIEW中提供的濾波器［16］保留回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率的六次以內(nèi)諧波的噪聲、振動信號。

3.4.2評判標準的建立

采集到的信號包括主動輪的三向振動，從動輪的三向振動和嚙合噪聲，共計七個信號。采集工作完成后，需要對這七個信號進行時域分析和頻域分析［17-18］。LabVIEW中的波形圖（Graph）控件可以呈現(xiàn)時域圖和頻譜圖。將結(jié)果數(shù)值與標準值比較，以判斷其嚙合質(zhì)量。標準值可以根據(jù)國家或行業(yè)相關(guān)標準查得［19-20］，也可以用高精度齒輪檢測結(jié)果作為參考標準。

（1）時域分析就是對噪聲、振動信號及的最大值、有效值進行分析，并與標準值比較。

（2）頻譜分析則是對噪聲、振動的各級諧波進行功率譜分析，得到各次諧波的頻率和幅值，并將結(jié)果與相關(guān)標準值比對。

通過時域和頻域分析，即可判斷齒輪副嚙合質(zhì)量的高低以及齒輪副的主要問題。

3.5其他要求

儀器的關(guān)鍵零部件均要求高精度，高剛度。還需要加防護罩作整體安全防護。防護罩采用鋼絲加有機玻璃制作。采用噴霧潤滑的方式為被測齒輪提供潤滑油。

4　檢測過程

首先計算被測齒輪副回轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率，設(shè)置合適的采樣、濾波頻率。隨后選用合適的夾頭裝夾齒輪，調(diào)整主、從動軸位置安裝齒輪。利用磁柵尺精確調(diào)整安裝距，并旋緊緊定螺釘。準備完成后，打開電腦，連接數(shù)據(jù)線，開啟電機、制動器，并根據(jù)齒輪設(shè)計要求調(diào)整轉(zhuǎn)速和負載。待齒輪運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，啟動噪聲、振動檢測裝置，采集信號。采集完成后，關(guān)閉電動機、制動器，卸下齒輪。最后在LabVIEW中處理信號，得出齒輪副嚙合的噪聲、振動及各級諧波的幅值、功率譜。將幅值、功率譜各項數(shù)據(jù)與標準值對比，即可判斷齒輪副嚙合品質(zhì)的好壞。

5　結(jié)束語

本儀器從實際檢測需要出發(fā)，設(shè)計的檢測儀便攜輕巧、操作方便、精確可靠，填補了相關(guān)檢測設(shè)備領(lǐng)域的空白。本儀器可以為工廠產(chǎn)品測試提供方便，為企業(yè)招標采購提供依據(jù)，為技術(shù)人員野外維修、設(shè)備測試提供支持。這對于高速小模數(shù)弧齒錐齒輪的性能評價和指導高性能小模數(shù)弧齒錐齒輪的生產(chǎn)具有重要實際應(yīng)用價值，擁有廣闊的市場。

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Design of Portable Meshing Tester for High Speed Small Module Spiral Bevel Gear

GUO Zhong，LI Bo-xue，ZHANG Bei-bei，DU Peng-le，JIAO Liu
（School of Mechanical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471000，China）

Concerning about the deficiency of current spiral bevel gear testers，this research designs an instrument to specifically detect the meshing quality of the small module spiral bevel gears.The instrument can collect the meshing noise and vibration signals by the sound level meter and the accelerometer.The collected signals are transmitted into the computer through the USB interface.After filtering，we can analyze them in both time domain and frequency domain by using LabVIEW.The result is compared with the reference value to judge the meshing quality of the gear.The rotational speed and load of the instrument can be adjusted for adapting to different gears. The accuracy of the installation is guaranteed by two Magnescales located on both spindles.The result of the test is accurate，reliable and the instrument itself is portable.

spiral bevel gear；meshing quality；gear tester

TH122

A

1672-545X（2016）08-0068-04

2016-05-14

河南科技大學2015SRTP項目資助（編號：2015002）

郭重（1994-），男，河南鄭州人，本科，研究方向：機械設(shè)計及其自動化。