蜗杆传动模拟试验装置及方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN93103905.3

申请日:

1993.03.30

公开号:

CN1093165A

公开日:

1994.10.05

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

|||公开

IPC分类号:

G01L3/26

主分类号:

G01L3/26

申请人:

首钢总公司;

发明人:

李春元

地址:

100041北京市石景山区首钢

优先权:

专利代理机构:

首都钢铁公司专利代理事务所

代理人:

李本源

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内容摘要

本发明是一种蜗杆传动模拟试验装置和方法,用于对产品设计参数以及润滑效果的优化和研究。试验装置的结构是由调速电机、传动机构、床身、主动轴座、圆盘旋转头、转矩转速传感器、转矩转数测量仪、夹持座、加载机构以及润滑系统组成。用本发明试验方法提出的几何、运动、力学三个模拟量的六个运算公式,算出各参数的模拟值,调整模拟机构即可试验。本发明可以准确、方便、快速为产品设计提供实验依据或对已有设计产品的参数优劣进行评定。

权利要求书

1: 一种平面一次包络环面蜗杆传动模拟试验装置由驱动电机、传动机构、床身、导向键、主动轴座、圆盘旋转头、转矩转速传感器、转矩转数测量仪、尼龙绳联轴器、滑枕、试件夹持座、加载机构以及润滑系统组成。其特征在于模拟试验锥体的锥面与旋转圆盘平面接触滑动,锥体与旋转圆盘平面接触的力学量、运动量和几何量由加载机构、可调速驱动电机和试件夹持座调节,摩擦力矩值用转矩转速传感器测量,并由转矩转数测量仪显示测量结果,润滑油和温度由润滑系统调节。
2: 如权利要求1所述的平面一次包络环面蜗杆传动模拟试验装置,其特征在于试件夹持座中的试件夹持器可自动调整,提高接触精度和很方便地调整试件角度,夹持座上还设有吸震装置。
3: 如权利要求1或2所述的平面一次包络环面蜗杆传动模拟试验机,其特征在于试件夹持座和滑枕置于滚动导轨上,加载机构中的力载力臂顶部装置有水平仪。
4: 如权利要求1所述的平面一次包络环面蜗杆传动模拟试验装置,其特征在于试验装置的润滑系统装有调节润滑油的加热元件和油温信号装置。
5: 一种平面一次包络环面蜗杆传动模拟试验方法,将被模拟蜗杆传动副的设计参数(中心距、速比、母平面倾斜角、蜗杆输入转数、输出力矩)代入公式,计算得出三个模拟量,其特征在于: (一)运动模拟量公式 n=0.02K 1 an 1 转/分 (二)几何模拟量公式 ①润滑角 γ°=90°-(ψ°+δ°) ②诱导曲率半径 ρ=K 1 ·a/Sinφ 2 毫米 (三)力学模拟量 p=K2·M2·COSβ/K3·a 2.5 公斤/毫米 2
6: 如权利要求5所述的平面一次包络环面蜗杆传动模拟试验方法,其特征在于用算得的三个模拟量调整模拟试验机,由润滑系统向试验核心机构注入选定的润滑油,试验设计参数对蜗杆传动啮合性能的影响。

说明书


本发明属于蜗杆传动测定效率的装置,特别适用于模拟试验平面一次包络环面蜗杆传动,进行优化设计和实验研究。

    为观察蜗杆传动瞬时接触线与相对滑动速度之间的夹角(润滑角)变化对摩擦磨损影响的规律,前人已提出过蜗杆传动模拟试验,如苏联扎克(Zak·π·C)教授提出的凸面一平面相对滑动,德国尼曼(Niemann)教授设计了两个凸面夹住一个旋转的试盘,日本平野教授提出了滚柱圆柱面一旋转圆盘平面的试验方案。后来,于1975年,日本上野等人提出用一个旋转的圆片与旋转的圆盘接触滑动,通过上述各种蜗杆传动模拟试验所揭示的润滑角变化对摩擦磨损影响的规律,虽有普遍指导意义,但存在的共同问题是:

    一、没有明确具体模拟哪一种类型的蜗杆传动。

    二、因此,试验的模拟参数(几何模拟量、力学模拟量、运动模拟量)也就失去了针对性。

    三、更没有将被模拟的几何、力学、运动三个有关的参数联系起来试验,而在实际运行中,所述对应各参数休戚相关彼此制约。

    四、在给定条件下,也就不能以被模拟参数试验的结果,定量说明其对被模拟蜗杆传动性能影响的程度,评定产品的质量。

    除上述原因外,又由于平面包络环面蜗杆传动是一种与圆柱蜗杆传动不同类型的蜗杆传动,采用已有各模拟试验方法很难精确地解决平面一次包络环面蜗杆传动这一具体蜗杆传动类型地优化设计和实验研究等问题。

    本发明的目的是针对上述现有技术的不足,提供一种密切结合平面一次包络环面蜗杆传动,又简捷实用的模拟试验装置和方法。

    为实现这一目的,试验技术方案是:采用锥面-旋转圆板平面相对滑动的设计原理。如图1,根据平面一次包络环面蜗杆传动的啮合原理、运动关系和受力状况分析,本发明提出了模拟量计算公式。用提出的公式,确定被模拟接触线上一点处的几何、力学和运动三个模拟量。然后,以算得的值调整模拟机即可试验。

    本发明试验装置如图2所示,包括电动机1、与电动机联接的传动机构2、床身14、在床身14上设置导向键12、主动轴座11、主动轴10的扭矩输出端和圆盘旋转头6的扭矩输入端分别与转矩转速传感器4用尼龙绳联轴器3联接、滑枕8置于床身导轨13上、夹持座7置于滑枕8上、加载机构9置于床身14上。试验时将试件装卡在夹持座7内,圆盘试件装卡在圆盘旋转头6的主轴上。当加载机构9用法码15加载时,推动滑枕8连同其上的夹持座7沿导轨13向圆盘旋转头6靠近,并使锥面-旋转平面挤压接触、相对滑动产生摩擦。摩擦力矩值由转矩转速传感器4测量,并由转矩转数测量仪5显示记录。

    锥面-旋转平面之间的相对滑动速度需按试验要求而变化,为满足不同的试验速度,电动机1采用可调速电动机,滑枕8的中心线与圆盘旋转头6的中心线偏离Cmm。

    为保证模拟机的试验精度,在床身14上设置了与主动轴和圆盘旋转头6中心线联线平行的导向键12与导轨13。

    由于平面一次包络环面蜗杆传动瞬时接触线是直线,试验时为提高锥面-旋转圆板平面直线接触线的接触精度,在图3夹持座7中专门设计了可自动调整提高接触精度的试件夹持器16。

    加载试验时,滑枕8和导轨13之间的燕尾槽间隙,通过图3镶条17调整。调整后的间隙需要夹紧又要保持滑枕与导轨相对运动灵活。为此,导轨13设计采用滚动导轨。

    为提高试验时载荷精度,如图3所示,加载机构9的力臂的顶部装置有水平仪18。

    无波动、稳定的外载荷是提高试验精度所必需,为此,夹持座7上设有吸震装置19,以吸收消除试验运转过程中产生的震动。

    为试验蜗杆传动润滑方式、润滑油量、润滑油品种以及温度变化对润滑油性能的影响,如图2所示,专门配备设计了润滑系统23。

    加载机构9,力臂与阻力臂的长度按比例设计,力点承载处采用刀口装置20。

    为模拟不同润滑角,试验其对润滑效果的影响,夹持座转轴21可以很方便地利用度盘22调整所需角度。

    力学模拟量通过增减小法码15调整,当已知一蜗杆传动副的几何设计参数、传动功率和工作速度时,可先按本发明提出的下述六个公式算出各模拟量,按所得值调整模拟机,测得已知参数条件下的摩擦力矩。

    一、运动模拟量

    n=0.02K1an1……〈1〉

    式中    a-蜗杆传动副中心距(毫米)

    n1-蜗杆转数(转/分)

    K1-系数(表一)

    n-模拟试验机圆盘旋转头主轴转数(转/分)

    表1中    i-蜗杆传动副速比

    φ2-蜗轮转角(度)

    二、几何模拟量

    1.润滑角

    γ=90-(ψ+δ)……〈2〉

    ψ = t g-12 ( 1 + i C O S φ2t g β )i S i n 2 φ2S e c β〈 3 〉]]>

    式中    β-母平面倾斜角(度)

    αo-蜗杆计算圆压力角(度)

    K-蜗杆计算圆直径与中心矩的比值(k=0.3~0.45)

    i、φ2、K1同前

    2.诱导曲率半径

    ρ =K 1 aS i n φ2------------------〈 5 〉]]>

    式中    p-诱导曲率半径(毫米)

    三、力学模拟量

    P=K2 M2 COSβ/K3 a2.5-〈6〉

    式中    M2-输出力矩(公斤·米)

    p-接触应力(公斤/毫米2)

    K2、K3系数(表二、表三)

    β、a定义同前

    采用本发明的蜗杆传动模拟试验机和方法,可以密切结合平面一次包络环面蜗杆传动对设计产品的几何、力学、运动各参数进行单参数变量或多参数变量综合模拟试验,揭示有关参数变化对蜗杆传动性能影响的规律。在选定的几何、力学、运动参数条件下,也可对工艺参数(如表面粗糙度、淬火硬度)、杆轮不同材质配偶、润滑油油性等进行优劣对比,提供设计依据,评定设计质量。

    对大型平面一次包络环面蜗杆传动,按相似原理对有关参数处理后,即可采用本发明的装置和方法很方便地试验。

    由于平面直齿环面蜗杆传动和平面斜齿环面蜗杆传动同属平面包络蜗杆齿型,故用本发明试验所得结果,对这二种蜗杆传动同样具有实际意义。对平面二次包络环面蜗杆传动(SG-71型蜗轮副)也可参考。

    采用本发明的装置和方法,试验效果明显,可以大幅度缩短试验周期,节省试验费用,而且试验结果数据可靠。以其与中心距a=120毫米的蜗杆传动减速器,采用蜗轮试验台架装置和方法,作一种润滑油品试验为例进行比较。在试验参数相同的条件下,用台架装置试验周期长达125天;而用模拟装置和方法只需一周,仅仅是台架试验装置的1/18。台架试验仅试件费就需1300元,模拟试验试件费用不过百元。而且,又由于模拟试件材质、精度一致性好,试验数据离散性小,便于归纳,可靠性更高。

    实施例:作为实施例,下面介绍用本发明的设备和方法,模拟平面一次包络环面蜗杆传动。

    被模拟蜗杆传动副的主要参数:

    中心距a=120毫米、速比i=45、母平面倾斜角β=0°、蜗轮计算圆压力角αo=27.9°、蜗杆转数n1=920转/分、蜗轮轴输出力矩M2=80公斤/米。

    试验目的:

    模拟对比蜗轮转角φ2=28.22°,24.93°两个位置的诱导曲率半径与润滑角综合作用对设计产品润滑效果的影响?如诱导曲率半径不变,取润滑角为零度,与原来的润滑效果对比优劣?

    一、运动模拟量

    1.蜗轮转角φ2=28.22°

    n=0.02K1an1

    =0.02×0.217×120×920

    =479.136转/分

    取n=480转/分

    2.蜗轮转角φ2=24.93°

    n=0.02×0.218×120×920

    =481.34转/分

    取n=480转/分

    二、几何模拟量

    1.润滑角

    ①蜗轮转角φ2=28.22°

    ψ = t g-12 ( 1 + i C O S φ2t g β )i S i n 2 φ2S e c β]]>

    =tg-12/(45Sin2×28.22)

    =3.05°

    δ = t g-1t g ψ 〔1 - ( 1 - 0.5 k ) S i n αoS i n φ2K 1- 1〕]]>

    =tg-1tg3.05[ (1-(1-0.5*0.433)Sin27.9*Sin28.22)/0.217 -1]

    =tg-10.053〔 (1-0.7835*0.4679*0.4728)/0.217 -1〕

    =8.47°

    式中    k=0.433

    γ=90-(ψ+δ)

    =90-(3.05+8.47)

    =78.48°

    ②蜗轮转角φ2=24.93°

    ψ=tg-12/(45SIN2×24.93)

    =3.327°

    δ=tg-1tg3.327[ (1-(1-0.5*0.433)Sin27.9*Sin24.93)/0.218 -1]

    =tg-10.058〔 (1-0.7835*0.4679*0.4215)/0.218 -1〕

    =9.487°

    γ=90-(3.327+9.487)

    =77.19°

    2.诱导曲率半径

    ①蜗轮转角φ2=28.22°

    ρ =K1 aS i n φ2=0.217*120S i n 28.22°= 55.07]]>

    取ρ=55毫米

    ②蜗轮转角φ2=24.93°

    ρ= (0.218*120)/(Sin24.93) =62.06

    取ρ=62毫米

    三、力学模拟量

    ①蜗轮转角φ2=28.22°

    p=K2 M2 COSβ/K3 a2.5

    =1.385*80*104/0.3839*1202.5

    =18.29公斤/毫米2

    ②蜗轮转角φ2=24.93°

    p=1.385*80*104/0.3965*1202.5

    =17.71公斤/毫米2

    按算得的三个模拟量,调整模拟试验机。

    运动模拟量:

    圆盘旋转速度    n=480转/分

    几何模拟量:

    诱导曲率半径    ρ=55,62毫米

    润滑角    γ=78.48°,77.19°

    力学模拟量:

    p=18.29、17.71公斤/毫米2试验结果如下表4。

    可知:

    〈1〉位于转角φ2=24.93°处的接触线(诱导曲率半径ρ=62毫米、润滑角γ=77.19°)要比位于转角φ2=28.22°处的接触线(诱导曲率半径ρ=55毫米、润滑角γ=78.48°)几何参数综合作用对润滑效果好。

    〈2〉在同一转角位置的接触线,其它模拟量不变时,润滑角等于零度与对应的诱导曲率半径综合作用对润滑效果影响最差。

    为说明本发明试验结果的可靠性,现援引本发明开始谈到的几个关于润滑角大小对润滑效果影响模拟试验的一致结论,即:接触线与相对滑动速度方向的夹角(润滑角)接近90°时润滑效果最好。由本发明试验实例表4的数据可看出:润滑角γ=0°时,不论各个蜗轮转角位置的诱导曲率半径为何值,表现为摩擦系数的润滑效果都最差,这从润滑角的另一方向即角度的下限,得到了与前人一致的结论。证明本发明可靠。

    本发明无论对蜗杆传动的产品设计亦或是工艺设计,都是一个方便可靠的试验装置和方法,可以极简捷地对产品的几何、运动、力学各项参数进行评价和优选,也可对润滑、表面加工粗糙度、蜗杆和蜗轮的材料、硬度搭配…等试验对比和确定经济实用的工艺指标。所有这些如利用蜗轮试验台架,不仅试验时间长、试验所需费用昂贵,而且有些项目实际上无法在蜗轮台架上进行对比试验,如不同诱导曲率半径对蜗杆传动能力的影响,就不能一目了然的看出,因为用蜗轮试验台架试验所得的数据是整台蜗杆传动减速箱的综合结果,要想从综合结果中把诱导曲率半径的影响程度单独分析出来很难,如用模拟则极易解决。另外,即使有的项目能试验,与模拟相比较,也存在上述缺点。如某科研单位曾用了4个多月的时间,对一个中心距、一个速比、一种材料配合的蜗杆传动作过一些油品试验,并得到了一些有益的结果。可是大量的蜗杆传动是在各种特殊条件下工作,如低速、重载、冲击、高温等。若想通过蜗轮试验台架,改进这些蜗杆传动的润滑维护工作,就要耗用昂贵的试验费用,时间也要旷日持久。而用本发明的装置和方法,可以经济、迅速地解决。

    附图说明:

    图1    平面一次包络环面蜗杆传动模拟原理。

    图2    试验装置结构示意图。

    图3    试件夹持座。

    图4    加载机构。

    其中    1.电动机、2.传动机构、3.尼龙绳联轴器、4.转矩转速联轴器、5.转矩转数测量仪、6.圆盘旋转头、7.夹持座、8.滑枕、9.加载机构、10.主动轴、11.主动轴座、12.导向键、13.导轨、14.床身、15.法码、16.试件夹持器、17.镶条、18.水平仪、19.吸震装置、20.刀口装置、21夹持座转轴、22度盘、23润滑系统。

    

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本发明是一种蜗杆传动模拟试验装置和方法,用于对产品设计参数以及润滑效果的优化和研究。试验装置的结构是由调速电机、传动机构、床身、主动轴座、圆盘旋转头、转矩转速传感器、转矩转数测量仪、夹持座、加载机构以及润滑系统组成。用本发明试验方法提出的几何、运动、力学三个模拟量的六个运算公式,算出各参数的模拟值,调整模拟机构即可试验。本发明可以准确、方便、快速为产品设计提供实验依据或对已有设计产品的参数优劣进行。

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