基于变变位齿轮传动比实验装置研制

邵明辉，侯玉洁，韩继光

（江苏师范大学机电工程学院，江苏徐州 221116）

基于变变位齿轮传动比实验装置研制

邵明辉，侯玉洁，韩继光

（江苏师范大学机电工程学院，江苏徐州 221116）

为了研究不同状态下齿轮的运动学特性，搭建了变变位齿轮的传动比实验装置，为采集齿轮的传动信号提供了可靠的实体模型。通过基于C＃软件开发的信号采集系统，实现了对变变位齿轮和偏心渐开线齿轮的传动脉冲信号的采集和处理。实验结果表明，该装置能够实现对不同状态下传动信号的准确采集。

变变位齿轮；实验装置；传动比；C＃

齿轮在机械传动领域中有着广泛的应用，如数控机床［1］、风电机组［2－3］、液压马达［4］、插秧机［5］。齿轮传动具有传动准确可靠、效率高等特点。而随着工业水平的提高，工业生产对齿轮传动装置的性能和齿轮的使用寿命等方面的要求也在不断提高，其中传动比是齿轮传动装置的重要传动特性，瞬时传动比的恒定与否直接影响到整个传动机构的传动性能。所以对齿轮传动装置传动比特性的研究有着重要的生产实际意义，而机械设备传动比数据的获取又是其传动比特性研究的基础，也是齿轮设计、性能分析研究和应用的前提。机械设备传动比数据的获取本质是对啮合齿轮瞬时速度的获取，因此瞬时速度数据的采集是整个传动特性分析的首要前提。

本文针对变变位齿轮传动的运动学特性进行研究，搭建了变变位齿轮传动的传动比实验装置，并利用C＃软件开发传动比信号数据采集系统，实现了对变变位齿轮、偏心渐开线齿轮传动信号的有效采集。

1 变变位齿轮传动比实验装置设计

1．1 传动比实验装置原理

传动比，即机构中瞬时输入速度与输出速度的比值。通过测量主轴和从动轴的瞬时转速间接获得齿轮传动的瞬时传动比。齿轮传动比实验装置原理框图见图1。

图1 传动比实验装置原理框图

测试轴通过弹性联轴器与光电编码器相连，齿轮啮合传动中，光电编码器采集脉冲信号，通过数据采集卡将数据送入PC机进行相应的计算和处理，得到传动比数据。

1．2 机械系统

变变位齿轮传动比实验装置包括机械系统（见图2）和数据采集系统两部分。其中机械系统包括电动机、变频器、变变位齿轮等。机械系统是基于变变位齿轮构建的齿轮传动实验台，为开式齿轮实验台［6－8］，建台容易，安装调试方便。

图2 试验装置的机械系统

机械系统采用三相异步电动机作为动力装置，使用变频器进行调速，驱动齿轮传动。电动机、齿轮等均通过刚性连接固定在钢板上，其中变频器通过调节输入频率的大小，改变电动机的输出转速。实验装置的机械系统部件的基本参数见表1。

表1 试验装置机械系统部件的基本参数

我们选用2对齿轮对其传动比进行测试，以检测传动比测试系统的可靠性，2对齿轮分别为偏心渐开线齿轮和变变位齿轮［9］。其中变变位齿轮是将变系数移距变位法［10］应用在偏心齿轮齿廓的修正上，消除了偏心齿轮的侧隙，传动更平稳，其基本参数见表2。采用线切割对齿轮进行加工，保证相同的加工参数。

表2 齿轮的基本参数

1．3 数据采集系统

传动比实验装置的数据采集系统主要部件为增量式旋转编码器和数据采集卡，编码器通过弹性联轴器与被测试轴相连，用支架将其固定，安装方式如图3所示，输出脉冲信号；数据采集卡对脉冲信号进行采集，并输入计算机对信号进行处理。监测机械设备时传感器安装的位置分布如图4所示。编码器和数据采集卡的具体参数见表3。

图3 旋转编码器安装图

图4 安装位置图

表3 数据采集系统部件的具体参数

2 变变位齿轮传动比采集系统设计

数据采集卡USB5801支持多种语言进行软件后期开发，如VC、VB、Matlab、LabVIEW、C＃等，系统选用C＃对USB5801进行后期开发，以满足采集、分析数据［11］的需求。该系统的主要功能包括信号采集、信号处理、结果显示、数据的保存与读取等［12］。

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利用C＃开发的上位机脉冲信号采集界面如图5所示（图中黑色曲线为主动轴输出转速曲线，紫红色线为从动轴输出转速曲线）。界面包括开始采集数据、设置采样时间、转速显示、传动比显示、数据表格和退出系统等功能［12－13］。在界面上，可根据自己的需求设置采样时间，界面可实时显示采集时段的转速曲线以及传动比曲线，同时将数据保存在数据表格中，通过复制保存在Excle中，以便后期进行数据处理。

图5 数据采集界面

3 变变位齿轮传动比数据采集

实验以变变位齿轮、偏心渐开线齿轮在变频器不同输入频率下的传动状态作为重点研究对象，通过检测主动轴和从动轴的瞬时速度，获得齿轮的传动比曲线。由于实验所给的输入频率较多，限于篇幅，本文以变频器输入频率为3Hz时，旋转编码器采集的脉冲信号作为实验的数据来源。

3．1 变变位齿轮

设定采样时间为5ms，系统默认设置采集时间为1s。理论上电动机的输出转速是恒定不变的，而实际中主动轴转速不稳定，呈曲线变化。图6为变频器输入频率为3Hz时，变变位齿轮1s内啮合的速度变化曲线，其中黑色曲线代表主动轴的转速，红色曲线代表从动轴的转速。图7为变变位齿轮啮合的传动比曲线。

图6 变变位齿轮3Hz时啮合的速度变化曲线

图7 变变位齿轮频率为3Hz时的传动比曲线

由图7可以看出，传动比呈周期性变化，波动较小，在Matlab中采用最小二乘法对实验数据进行曲线拟合，得到传动比的拟合曲线见图8。

图8 传动比拟合曲线

为了验证采集的数据是否准确，在ADMAS中建立的变变位齿轮运动学仿真模型，变频器输入3Hz时，电动机转速平均接近200r／min，因此在仿真中将驱动速度设置为200r／min。图9所示为对其施加200r／min时1s内变变位齿轮传动的传动比曲线。

图9 变变位齿轮驱动为200r／min的传动比曲线

3．2 偏心渐开线齿轮

偏心渐开线齿轮由于存在齿侧间隙，传动较不平稳，我们采用相同的实验方法对其传动比进行测量。图10为测得的偏心渐开线齿轮啮合的传动比曲线。

图10 偏心渐开线齿轮频率为3Hz时的传动比曲线

在Matlab中采用最小二乘法对实验数据进行曲线拟合，采用与变变位齿轮拟合曲线相同的多项式阶数，得到的偏心渐开线齿轮的传动比拟合曲线见图11。

图11 传动比曲线拟合图

由图11可以看出，偏心渐开线齿轮的传动比数据波动较大。在ADMAS中建立的偏心渐开线齿轮的运动学模型并进行仿真。图12所示为主动轮上施加200r／min时1s内偏心渐开线齿轮传动的传动比曲线。综合图10—图12可以看出，偏心渐开线齿轮的实验研究结果与理论值相符。

图12 偏心渐开线齿轮驱动为200r／min的传动比曲线

通过对上述2对齿轮传动信号的分析，所得到的传动比曲线与ADMAS的仿真曲线相一致，且2对齿轮的运动学特性与理论分析相符，变变位齿轮传动较平稳，传动比曲线光滑、波动小；且随着转速的提高，所得传动比数据不变，与理论一致，证明了所搭建的传动比试验装置的可靠性。

4 结束语

本文搭建了齿轮的传动比试验装置，为采集齿轮的传动信号提供了可靠的实体模型。通过基于C＃软件开发的信号数据采集系统，实现了对变变位齿轮和偏心渐开线齿轮的传动脉冲信号的采集和处理。经过实验分析，该装置采集得到的传动比数据准确，为后续研究奠定了较好的基础。

（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］卢青，张璐，陈新．偏心齿轮在插秧机横移动机构上的应用［J］．中国农机化，2008（4）：89－91．［6］杨湘洪．多功能组合齿轮传动实验台设计［J］．组合机床与自动化加工技术，2004（5）：66，69．

［7］帅向群，张慧磊．多功能齿轮试验台数据采集系统研究［J］．合肥学院学报：自然科学版，2007，17（3）：49－52．

［8］卢行忠．齿轮传动实验台概况及发展［J］．现代机械，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］谭伟明．变系数移距变位方法及其在非圆齿轮传动中的应用［J］．机械工程学报，2003，39（4）：141－144．

［11］姜庆明，杨旭，甘永梅．一种基于光电编码器的高精度测速和测加速度方法［J］．微计算机信息，2004，20（6）：48－49，78．

［12］秦晓峰．机械传动试验台测控系统的设计［D］．重庆：重庆大学，2007．

［13］马晓波．C＃程序开发实用教程［M］．北京：清华大学出版社，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

国家自然科学基金委员会资助项目“变变位系数偏心渐开线齿轮传动的研究”（51075347）

邵明辉（1982—），男，江苏丰县，硕士，实验师，研究方向为数控技术与快速成型制造．

E－mail：15252108731＠163．com