一种蜗轮蜗杆油评定台架.pdf

本发明目的是提供一种蜗轮蜗杆油专用评定台架，用于测定蜗轮蜗杆
油的效率、胶合、磨损及极压性能等性能。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案是这样的：蜗轮蜗杆油评定
台架由电动机、试验箱、输入转速转矩传感器、输出转速转矩传感器、磁
粉制动器、联轴器等组成，试验箱中有蜗轮蜗杆试件，测温传感器和加热
器，蜗轮蜗杆油放置于试验箱中进行性能测试。控制系统由计算机、转速
转矩仪、D/A板和测温板、电气控制柜组成。

电动机为台架提供动力，使试验台架恒速运转，试验为超负荷强化试
验，电动机功率应选用较大功率。

输入和输出转速转矩传感器是为了取得蜗轮蜗杆箱输入端和输出端的
转速值和转矩值的电信号，并将电信号送到计算机控制部分，经过处理获
得试验的转速、转矩和效率值。转速转矩的测量采用磁电式相位差转速转
矩传感器，其特点是测量准确，价格适当，也可以选择应变片式传感器，
但精度稍差。选用相位差式传感器，安装调整灵活方便，并配有二次仪表。
为满足台架要求，保证测试数据的可靠性，每两年应进行一次标定。本发
明选用湖南仪器仪表总厂动力测试仪器厂生产的JC型转速转矩传感器，
输入转速转矩传感器型号为JC₁A和JC₁B，精度等级0.2，额定转矩
50N.m，标定温度10℃，工作转速0～6000rpm；输出转速
转矩传感器型号为JC₂B，精度等级0.1，额定转矩1000N.m，标
定温度10℃，工作转速0～4000rpm。

磁粉制动器的功能是产生阻力矩，使试验箱中的蜗轮和蜗杆带负荷运
转，蜗轮蜗杆的负载就是磁粉制动器的阻力矩。磁粉制动器的工作原理是
在激磁电流作用下，使定子与转子之间产生磨擦，从而形成阻力矩。它具
有结构简单，操作方便，运转平稳的特点，可实现空载起动，并能在运转
中改变转矩的大小，最低转速可达每分钟1转。又由于磁粉制动器的激磁
电流和传递转矩在一定范围内为线性关系，因此加载精度高，波动小，还
有响应速度快，有利于计算机自动控制的优点。本发明选用CZ-100
型磁粉制动器，额定转矩为1000N.m，激磁电流为0～3A。

考虑到评定台架的最大载荷为860N.m，因此选定磁粉制动器的额定转
矩为1000N.m，激磁电流为0～3A，还有与之配用的稳流电源，该稳流
电源配有0～5V的接口，与计算机连接，控制加载。

联轴器的作用是将电动机、输入转速转矩传感器和试验箱中的蜗杆连
接在一起，将磁粉制动器、输出转速转矩传感器和试验箱中的蜗轮连接在
一起，实现运动和动力的传递。    

为了提高测量和运动精度，就要保证联轴器有较高的同轴度，减少不
同轴引起的经向力。评定台架采用柔性联结，即可保证同轴度的要求，又
由于柔性作用，减少了联轴器不同轴产生的经向力，还方便了试验箱中蜗
轮和蜗杆的安装调整。柔性联结是采用尼龙绳将联轴器的两部分捆在一起，
亦可采用牛皮绳联结，用牛皮绳联结比较好。

试验箱是进行蜗轮蜗杆油评定的主体部件。蜗轮蜗杆油是注入试验箱
内进行评定试验的，在试验箱中，蜗轮蜗杆在试验油的润滑下带负荷运转，
通过测量试验油的效率、胶合及磨损，来确定试验油的性能指标。

为保证试验数据的一致性，同时为减少能耗和进行强化试验，蜗轮蜗
杆中心距在80～150mm范围内取一个确定值。为增加箱体强度和刚
度，箱体壁厚一般为8～13mm。为便于观察试验过程和结果，蜗轮上
置，并在箱体上开有观察孔，孔上安有有机玻璃观察窗。为获得油的温度
值和控制油温，在蜗杆以下装有铂膜热电阻温度传感器，其温度测量范围
为0～400℃，该测温传感器具有重量轻、体积小、热容量低，热响应
时间短的优点。在试验箱的底部装有电阻丝加热器，功率为500～10
00W，加热器的加热功率过大，使局部温度扩散不及时，而使油温过高，
功率过小则加温过程缓慢。蜗杆两端安装有轴承，蜗杆通过轴承支承在箱
体二侧壁上，轴承为园锥滚子轴承，可满足试验台较高运转精度，还可承
受蜗杆较大的轴向力和正反向运转。

为对蜗轮蜗杆油进行测试，润滑方式选用油池润滑，当试验箱中注入
蜗轮蜗杆油时，油面位于蜗杆的轴线处。

蜗轮蜗杆是评定试验中的试验件，其作用是为被评定的蜗轮蜗杆油创
造一个与实际使用工况相当，甚至更为苛刻的条件，为评定试验的测量打
下基础。

蜗轮蜗杆试验件分为A型和B型两种。A型试验件用于蜗轮蜗杆油的
效率评定试验，为保证效率的区分性，经试验确定为法向直廓，蜗杆头数
为1～3，蜗轮蜗杆齿数比为30～40，模数m为2～5，蜗杆表面硬
度为洛氏硬度50～55，为保证效率试验的重复性，蜗轮蜗杆的制造精
度为5～6级，表面光洁度Ramax为0.10～0.32。B试验件用于胶合
试验，除满足A试验件要求外，为保证胶合试验的一致性和敏感性，使用
材料做了适当调整。A型和B型试验件的蜗轮采用不同型号的锡青铜合金。
A型和B型试验件的蜗杆使用材料相同，均采用含Cr的合金结构钢。

蜗杆的加工工艺规程为：    

铸造→粗车→调质→精车→齿面粗加工→钳作→齿部高频淬火→研磨
中心孔→粗磨轴颈及齿顶园→插键槽→钳作→精磨齿面→检验。

蜗轮的加工工艺规程为：

离心浇铸→粗车钻孔→精车→插键槽→钳作→精密滚齿→钳作→检验。

计算机的作用是实施对评定台架的自动控制，通过屏幕汉字化菜单式
人机对话，对试验过程数据进行采集、处理、作图、打字和显示。

微机的配置应具有二个串行口和2～5个扩展槽，内存2～4MB，
硬盘80～560MB，显示器VGA，两个软驱和一个并行口。

计算机通过两个串行口接收转速转矩值，根据数值试验台运行状态。
如不正常，试验机自动停机保护，正常则对数据进行处理、显示和记录，
并根据数值的变化对试验载荷进行动态调整。

计算机接收扩展槽中的测温板温度信号，以便通过D/A板对试验箱内
油温进行控制。计算机通过D/A板对试验机的起动，加热，停止加热，停
机进行控制。

转速转矩测量仪是与输入和输出转速转矩传感器配套的仪表，作用是
将传感器送来的相位信号转换成数字信号，并显示出来，其通过串行口与
计算机连接，为计算机输送转速转矩数值。

测温板的作用是将蜗轮蜗杆试验箱中的测温传感器送来的电信号转换
成数字信号，送给计算机处理、显示和记录。测温板温度测量范围为-2
00～400℃，灵敏度为0.0625℃/W，测量通道为8路。该板采用数字
校零，用计算法和连续式非线性A/D转换法进行线性化，从根本上消除了
放大器和ADC漂移产生的误差，稳定性好，其精度取决于传感器的精度。

本发明蜗轮蜗杆油评定台架的总体性能如下：

1.电动机功率    4～6KW，

2.电动机转速    700～2100rpm，    

3.最大输出载荷  1000N.m，

4.载荷波动      ±3～4N.m，

5.加载特性      动态加载，

6.转矩测量误差  ＜1％，

7.温度测量误差  ＜±1℃，

8.控制方法      计算机全试验过程自动控制。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

在图2中，试验箱3为上面有观察窗15的金属密闭箱体16，箱体
16内有蜗轮10，蜗杆12，测温传感器13和加热器14。蜗轮10
位于蜗杆12的上方，蜗杆12位于靠近试验箱体16的中线位置，蜗杆
12两端通过轴承11支承在箱体16的两侧面上，测温传感器13和加
热器14位于蜗杆12的下方，加热器14接近箱体16的底部。

在图3蜗轮蜗杆油评定台架结构示意图中，电动机1通过联轴器6同
输入转速转矩传感器2相连接，输入转速转矩传感器2通过联轴器7同试
验箱3中的蜗杆12相连接。磁粉制动器5通过联轴器9同输出转速转矩
传感器4相连接，输出转速转矩传感器4通过联轴器8同试验箱3中的蜗
轮10相连接。联轴器6、7、8、9均为柔性连接。电动机1、输入转
速转矩传感器2、试验箱3、输出转速转矩传感器4和磁粉制动器5放置
在同一个试验平台17上面。

蜗轮蜗杆油评定台架的试验过程如下：

1.首先将待评定的蜗轮蜗杆油注入试验箱3中。

2.打开动力电源和计算机，打开转速转矩仪。然后在计算机上执行试
验程序，并按屏幕汉字提示输入试验参数。

3.计算机自动启动电动机1，并开始控制加热器14加热蜗轮蜗杆油，
当油温达到设定值时，计算机开始控制磁粉制动器5对蜗轮10加载，加
载到指定数值。

4.输入转速转矩传感器2和输出转速转矩传感器4不断将转速和转矩
信号输送给计算机，由计算机进行数字处理。

5.加载结束后，计算机自动监控评定台架的运转情况，并进行处理。
根据试验要求，对蜗轮蜗杆油转速转矩和温度进行定时测量、处理、显示
和记录。

6.试验结束时，计算机自动关闭电动机1和加热器14，保存试验数
据，以便作图和打印结果。

采用本发明的蜗轮蜗杆油评定台架可以对各种粘度(150～650C_st)的蜗
轮蜗杆油进行效率、胶合及磨损性能指标的评定。通过120次试验和7
个炼油厂23个油样的筛选和对比试验，最后对国外参比油和国内新产品
品样共计19种蜗轮蜗杆油进行了正式台架评定。结果表明，效率评定的
重复性误差不超过0.6％，胶合误差在±30N.m以内，完全满足台架评定
的试验要求。

该评定台架的加载精度为±3N.m，加载范围为10～1000N.
m，温度测量精度为±1℃，台架可以用计算机控制进行试验，也可用人
工控制进行试验。采用微机控制，可以对评定台架进行保护，如超载保护，
温度、速度、载荷异常保护，通信中断保护等。

该台架设计合理，结构紧凑，操作简单方便，采用多项先进技术，实
现了数据自动采集和汉化菜单式程序管理。

本发明填补了国内外蜗轮蜗杆油评定台架的空白，具有新颖性、创造
性和实用性。