齿轮传动系统中各个零部件传递的扭矩如何测量

1、齿轮传动系统中各个零部件传递的扭矩如何测量题目A班级： 姓名： 学号：一、齿轮传动系统中各个零部件传递的扭矩如何测量？在电动执行机构中，齿轮传动系统与扭矩测量系统是执行机构两个重要组成部分。本文将简述两种不同的齿轮传动系统以及对应的两种不同的扭矩测量方法。1齿轮传动系统电动执行机构的动力来源是电机，一般电机的转速非常快（额定转速一般为3000rpm或1500rpm），而输出扭矩又非常小（一般介于0.5Nm20Nm之间），所以必须借助于齿轮系统传动，利用其减速及放大扭矩的功能，一方面把输出转速降到理想速度，另一方面将较小的电机输出扭矩放大到阀门操作所需要的较大的扭矩输出。同时，齿轮传动系统的传动

2、特性也可用于执行机构输出扭矩的测量。1.1蜗轮蜗杆传动不同电动执行机构中采用的齿轮传动型式各不相同，但一般都包含有蜗轮蜗杆传动系统。蜗轮蜗杆传动系统具有很多的优点，例如单级传动比大、轮系接触面积大、承载能力强、传动平稳、特定螺旋角下可实现自锁等，然而蜗轮蜗杆传动系统因自身的结构也同时存在这较大的缺点：1）传动效率低：由于轮系接触面积大，相对滑动摩擦较大，传动效率一般仅为1020%。另外由于较大的滑动摩擦造成的齿面磨损也较大，轮系发热现象严重，需要较好的润滑与散热。2）蜗杆轴向力大：蜗轮蜗杆传动相当于螺旋传动，当蜗杆转动带动蜗轮传动时，受反作用力的影响，在蜗轮转动的同时，蜗杆会受到与蜗轮转动方向

3、相反的轴向力。负载越大，轴向力越大。较大的轴向力会造成蜗杆支持部件的磨损，从而使蜗杆的轴向定位产生间隙，使系统传动的精度降低，并且会产生传动震荡及噪音。 1.2行星齿轮传动为了在利用蜗轮蜗杆传动优点的同时又尽量降低其缺点的影响，执行机构可采用两级传动，常用的选择是采用行星齿轮传动+蜗轮蜗杆传动的组合型式。行星齿轮传动的原理：行星齿轮系统由三个主要传动部件组成：太阳轮、行星轮及齿圈。所有的行星轮一般固定在一个行星架上。行星齿轮系统的传动有双自由度的特性，即在三个传动部件中，固定任意一个部件，另外两个就可传动与蜗杆相联。这样，在电机转动时，太阳轮会驱动行星轮带着行星架围绕太阳轮旋转，从而带动蜗杆转

4、动，输出动力。行星齿轮传动的特性：行星齿轮传动相对蜗轮蜗杆传动有许多独特的优点，恰好弥补克服上述蜗轮蜗杆传动的缺点：1）机构紧凑：占用空间小，无轴向力。2）工作平稳：震荡及噪音小。3）滑动摩擦小：摩擦损耗小，传动效率高。两种传动机构结合使用，既能实现自锁的性能，又能获得较高的传动效率，降低电机功率，减少能耗。下表即采用不同传动系统的执行机构的参数比较。上表中可以看出，两个型号的执行机构全行程时间基本相同，即传动系统的减速比基本一样，但对于同样的输出扭矩，所需要的电机功率及运行电流相差很大，这说明在电动执行机构中采用行星齿轮传动可大大降低能耗。2.执行机构输出扭矩的测量：电动执行机构在驱动阀门动

5、作时，其输出扭矩随负载（阀门操作扭矩）的变化而变化。当阀门运行到终点（全开或全关）的位置或在运行过程中阀芯发生卡住不动的时候，执行机构的输出扭矩会急剧升高。为了不至于损坏阀座密封面或阀杆，需要限制执行机构的最大输出扭矩。而这就需要扭矩测量系统来实时测量执行机构的输出扭矩。测量执行机构输出扭矩一般有两种途径：利用蜗杆的轴向位移，或利用行星齿轮齿圈的周向位移。（还有一种测量方法是利用测量电机的速度来计算执行机构的输出扭矩，属于间接测量法，不在本篇论述之列。）2.1激光多普勒式扭矩测量法激光多普勒式扭矩测量法的工作原理是：由同一个激光器发出的激光通过分光镜分成两束相同的光并 供给两个截面，截面间距为

6、 a；每一截面的光又被分成 两束平行的激光投射到被测转轴表面，平行光束的间 距为 d；转轴表面的散射光沿原路返回，通过折射镜后 到达光电检测器上；与参考光束叠加形成多普勒差拍频率并被检测，其工作原理如图所示激光多普勒式扭矩测量法的优点是效率、灵敏度 及准确度都很高，且为非接触测量、不改变转轴运行状 态和不受转轴形状影响；其缺点是成本高，结构复杂， 安装及调试难度大，不适合大规模应用。2.2激光衍射式扭矩测量法将大小和形状完全相同的两个钢质圆盘安装在弹性轴两端，在圆盘表面开设两条细小缝隙，且大小和角度完全相同，在弹性轴一端安装激光源，所发出的激光 通过两条缝隙后发生衍射。当弹性轴发生扭转变形时两

7、 条缝隙的公共区域变窄，激光通过的缝隙变小，根据光 的衍射原理，衍射产生的圆斑大小与激光通过的缝隙大 小相关；缝隙变小后，衍射产生的圆斑直径变大，在弹性 轴的另一端用 CCD 传感器接收衍射图像，将成像数据 传至计算机；通过测量衍射圆斑的直径可以得到弹性轴所承受的扭矩大小，其工作原理如图所示932221783654 激光衍射式扭矩测量法工作原理1.激光源；2.缝隙；3.圆盘；4.成像数据；5.CCD 传感器；6.弹性轴；7.计算机；8.激光；9.外壳2.3磁电式转矩仪测试法磁电式转矩仪问世早、应用面广、数量多，是利用具有机械弹性的被测轴在转矩作用下产生弹性变形来测量转矩的仪表。磁电式传感器由转

8、子和定子两部份组成，转子是固定在转轴上的一对由磁性材料制造的齿轮，定子是基座上安装的一对由磁钢、磁极、线圈等组成的磁感应器。因此，其原理就是变磁阻感应发电式传感器。当弹性轴不受转矩作用时，由于两个齿轮安装的差别，它们的齿之间存在一个初始角度，两个线圈的感应电动势有一个起始相位差Z。当弹性轴受到转矩作用而产生弹性变形时，两个齿轮齿的对应位置又变化了一个角度，两个线圈的感应电动势e1与e2间的相位差也随之变化了一个角度：ZZTl/(GIp)由此式可见，两电动势之间的相位差 与转矩T成正比。通过测量转换电路，就可以将转换成与转矩成正比的电信号。由上述可见，两个齿轮的相对运动是使得传感器产生信号的必要

9、条件，因此传感器适用于测量高转速，且可以实现非接触测量，但是在低转速情况下精度会受影响。另外，磁感应器是传感器的磁路，容易受到测量环境中强电磁场的干扰，影响转矩测量的精确度和可靠性。2.4蜗杆轴向位移测量法：蜗杆轴向位移测量系统由碟形弹簧、拨杆及微动开关组成。碟形弹簧顶在蜗杆的两端，拨杆端部卡在蜗杆上。如前所述，在蜗轮蜗杆传动过程中，蜗杆由于受轴向力的作用，会产生轴向位移。轴向位移的蜗杆会压缩碟形弹簧，当碟形弹簧压缩产生的弹簧力与轴向力平衡时，蜗杆的轴向位移停止。负载（执行机构输出扭矩）越大，蜗杆轴向位移越大，当负载（输出扭矩）达到执行机构设定扭矩时，拨杆会触动微动开关动作，从而切断执行机构电

10、机的电源，执行机构停止转动。蜗杆轴向位移测量扭矩的方法是一种简单的测量方法，存在这一定的缺陷：1）测量精度差：由于机械结构的要求，为了避免产生较大的振动及保持定位的准确型，需要把蜗杆的轴向位移限制在一个较小的范围内，所以必须采用弹性模量较大的碟形弹簧。因而，单位弹簧形变对应的执行机构输出扭矩就会较大，测量精度不高。2）测量精度随运行时间降低：蜗杆是高速旋转部件，在动作过程中蜗杆、蜗轮、蜗杆支持部件及拨杆等部件均会发生磨损，因而会造成各种间隙的增大，测量精度也会随之降低。 2.5行星齿轮齿圈周向位移测量法：行星齿轮齿圈周向位移测量系统由螺旋弹簧、拨杆及微动开关组成。螺旋弹簧顶在滑块上，滑块卡在齿

11、圈上。拨杆端部卡 在齿圈上。当电机带动太阳轮旋转时，太阳轮驱动行星轮转动，同时也会带动齿圈转动。齿圈的转动会通过滑块压缩螺旋弹簧。当弹簧形变产生的弹簧力与齿圈受到的周向力平衡时，齿圈就会停止转动。负载（执行机构输出扭矩）越大，齿圈周向位移越大，当负载（输出扭矩）达到执行机构设定扭矩时，拨杆会触动微动开关动作，从而切断执行机构电机的电源，执行机构停止转动。行星齿轮齿圈周向位移测量法相对于蜗杆轴向位移测量法有其独特的优势：1）测量精度高：齿圈周向位移比蜗杆轴向位移大，螺旋弹簧弹性模量小，弹簧单位形变对应的执行机构输出扭矩变化相对小，因而测量精度较高。2）测量精度保持时间长：行星齿轮外圈不是高速旋转

12、部件，摩擦磨损小，测量精度不随执行机构运行时间增加而降低，可以实现长久的高精度测量。 总结：装备有行星齿轮传动系统的电动执行机构要比单纯使用蜗轮蜗杆传动系统的执行机构的传动效率高，在同样的输出扭矩及操作时间的条件下，装备有行星齿轮传动系统的执行机构电机功率小，能耗低。利用行星齿轮外圈周向位移要比利用蜗杆轴向位移的方法测量执行机构输出扭矩精度高，更能实现持久可靠的测量。2、 轮齿齿根弯曲应力如何测量、采集？1斜齿轮啮合过程齿根应力的实验研究该装置通过读数显微镜上显示的齿轮副上两个指定轮齿间的距离来确定齿轮的啮合位置。但这套实验装置较为复杂。本文介绍了一种简便地测量斜齿轮副啮合过程齿根弯曲应力和变

13、形的实验装置,给出了设计原理和程序,并根据加工出的实验台完成了一对斜齿轮齿根应力测量。1.1实验台的工作原理斜齿轮啮合过程齿根静态应力测量实验台示意图如图所示。实验台在杠杆8上悬挂吊盘和祛码,通过小齿轮(加载齿轮)3将载荷作用到被测大齿轮4上。法兰盘5通过销钉6固联于被测齿轮上。在法兰盘上铣去一块,通过改变嵌人法兰盘楔块7的夹角达到确定齿轮的接触线位置。作用的载荷经楔块传人底盘l上。从而可达到测量齿轮在啮合过程中不同接触位置时齿根应力和变形的目的。1.2斜齿轮啮合过程各接触线位置的确定 齿轮在啮合过程中是沿齿轮啮合线传递力和运动的,如图2所示,其中N八:为理论啮合线段长,尽BZ为实际啮合线段长

14、。对于斜齿轮传动,由于接触线的倾斜,其实际啮合线段要增加。设小齿轮为右旋,刚进人啮合的接触线在啮合线上的投影为图二根据齿轮啮合原理 和这样,大齿轮轮齿进人啮合和很出啮合压力角即为被测轮齿啮合过程各接触线位置的确定是通过改变图3中的角度由齿轮啮合原理可得图3中各角度间的关系为可以导出这样通过不同夹角楔块的正、反两方向的放置,可以确定斜齿轮作用面上两端对称各接触线的位置。进而得1.3各接触位置加载臂长的确定 在齿轮啮合过程中,齿轮传递的扭矩为一常数。因此就要保证实验中作用在被动齿轮上的法向载荷凡在各接触位置下是相等的。实验台加载装置示意图如图4所示,将加载杠杆用键固联在小齿轮回转轴上。加载杆的加载

15、线通过与被测轮齿啮合的小齿轮轮齿端面中心线。由齿轮啮合原理和图4中的几何关系可得:1.4测量方法本文齿根应力测量采用电阻应变测量方法。应变片的粘贴位置如图7所示,在大齿轮被测轮齿的齿根部30。切线点部位粘贴基长X基宽为1.6X1.2的箱式电阻应变片.按照图6所示中间lB一几五个截面,沿齿宽方向各贴有五片,两侧共计10片。由此可以同时测量受拉侧与受压侧齿根应力。在测量应变时,被测轮齿两侧的10片应变片用一个公共补偿片进行补偿,与电阻箱组成10路半桥测量电路,再接到静态应变仪.测量不同接触位置的齿根拉、压应变。本文提出了一种简便地测量斜齿轮啮合过程静态加载装置。根据该装置可以方便地测量斜齿轮在不同接触位置的齿根应力或变形。文中给出的程序(略)可供读者设计不同齿轮参数的实验台。在本文参数下,齿根最大拉、压应力均发生在齿轮双齿啮合外界点附近,但最大应