齿轮的试验设备

齿轮试验技术
齿轮试验技术涉及的内容很多，从广义上讲，它是一切测定齿轮几何尺寸和性能参数的技术。但由于齿轮制造误差和运动精度测量已成为一门专业技术，因此，这里所谓的齿轮试验技术是指以齿轮强度为主的技术，包括如下内容：
1)试验的设计与规划，例如测定试验环境(台架或现场、工作介质状况等)，选择试验因素，决定直接或间接的试验对象和工作条件，主要参数的模拟和控制，合理制定试验程序和试验过程的实施细则，进行试验的统计设计等。
2)齿轮试验机的选择、设计和性能测定。
3)测试技术，例如齿轮整体或局部的运动学、动力学测试，试验中信号的变换、传输、测量和记录，齿轮寿命、强度和噪声的测试等。
4)齿轮损伤与失效的观察、分析和判断。
5)试验数据的收集与整理。

齿轮试验设备
进行齿轮试验的装备。除了有常规的轮齿静强度、轮齿弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度、齿面磨损、齿面胶合试验设备外，还包括一些影响参数和其他性能的测试设备，如齿轮效率、齿轮润滑、齿轮动载荷和噪声、轮齿载荷分布、齿面及本体温度、油膜厚度的测试等。这些试验，一般都在专门设计的齿轮试验设备上进行。由于试验目的和要求的不同，采用的试验方法也不同，相应采用了许多不同的试验设备。齿轮产品试验和实验室试验的试验设备也不完全相同。
试验设备通常分为非运转式和运转式两大类。

运转式齿轮试验设备
运转式齿轮试验设备是指齿轮副能在一定转速下进行试验的设备。这类设备一般都是由驱动装置、传动装置、加载装置、齿轮失效监护装置、润滑装置、测试装置六部分组成。

非运转式齿轮试验设备
非运转式齿轮试验设备是指齿轮或齿轮副只能在静止状态下进行试验的设备。例如静态加载的齿轮静强度试验设备、脉动加载的轮齿弯曲疲劳试验设备等。

脉动加载轮齿弯曲疲劳试验设备
属于非运转式齿轮试验设备。试验时，试验齿轮处于静止状态，而压在轮齿上的压头作脉动循环加载，使轮齿产生弯曲疲劳折断。
这种试验设备，虽然不能反映齿轮啮合过程中某些动态特性，却能很好适用于单参数快速对比性能试验，用以判断不同载荷、材料、齿形和其他一些因素对轮齿弯曲疲劳强度的影响。特别是对一些软齿面齿轮，由于接触疲劳强度低于弯曲疲劳强度，采用运转式齿轮试验设备进行弯曲疲劳强度试验，往往是困难的，因此，这时采用该设备就更为妥善。

功率开放式齿轮运转试验设备
属于运转式齿轮试验设备。
它由原动机、受试齿轮装置和耗能负载装置组成。其功率流由原动机流向耗能负载装置，是功率流开放型的试验设备。其主要优点是：结构简单，制造、安装方便；配置灵活，容易实现不同中心距或中心高的齿轮试件或齿轮箱产品的试验；能在无载下启动并能在运转过程中任意改变载荷。其缺点是：用耗能装置作为负载装置，供给试验台的功率消耗比试验齿轮功率大，因此原动机的容量相应要求较大。这种试验设备主要用于中小载荷、非长期运转的试验中，如齿轮的效率、噪声、动载荷等性能试验。模拟实际载荷的程序疲劳试验，也常采用功率开放式齿轮试验设备。

机械功率流封闭式齿轮运转试验设备
这种试验设备主要由电动机、试验齿轮箱、陪试齿轮箱、加载器(装置)等部件组成。在这种封闭系统中，功率从一端流出，又从同一端流入，形成循外封闭流，因此只要从外界输入不多的能量，便可维持整个系统正常运转。电动机供给的能量，主要是补偿封闭系统中各零部件在运转时的摩擦功率损失，其值约为封闭功率值的10%～15%左右。在封闭系统中，齿轮是主动还是从动，封闭功率的流动方向(顺时针或逆时针方向)和各个齿轮传递的功率大小都取决于加载方向和电动机的旋转方向；而各个齿轮的受力方向和轮齿的工作齿面，则只取决于加载方向。它比功率开放式齿轮运转试验机优越得多，最主要的优点是能耗小，因此得到广泛应用。德国FZG齿轮试验机和美国NASA齿轮试机具有典型的代表性。

电功率流封闭式齿轮运转试验设备
如图16-1所示，电封闭加载是把两台同型号的直流电机1、4，同时并接于电源，并用被试齿轮箱2(减速箱)和陪试齿轮箱3(增速箱)将两电机相联接。通电以后，两台电机各自转动。这时，联接两电机轴的齿轮啮合运转，但不传递功率而不受负载。若改变电机1的磁场强度，提高其转速，而电机4的磁场维持原状，这时由于两电机轴有齿轮联接，电机1就要迫使电机4超过其原有转速而进入发电状态运行，即由电动机变成发电机，它不仅输出电功率(注意观察电流表反向)，在转子上也产生了阻力矩，这个力矩就使联接两电机轴的齿轮加上了负载。由此可见，拧动电机磁场电阻旋扭就可以给被试齿轮加减负载。负载大小由电机转速差决定，转速差越大，齿轮上的负载越大。电机4始终与电源并接，它发出的电功率极性与电源一致，所以能反馈(送还)给电源电路。从加载能量转换的过程来看，电源的电能通过电机1变为机械能，经过机械传动(齿轮)和电机4又把机械能变为电能，并反馈给电源。故称为“电封闭加载”。这种加载方法在能源消耗方面与开式加载方法相比，大约可节约60%的电能。
将两台直流电机改为两台交流整流子电机，上述试验台就变成交流整子小电机式电封闭齿轮运转机。只要改变同相电刷在电刷转盘上的位置，就可以控制和改变电机的转速。
采用这类试验机的主要优点是：结构简单，调速和加载方便，可进行载荷谱模拟试验，运行稳定可靠，电路也不复杂，所用零部件均可外购，制造周期短。它的缺点是：电器功率必须大于试验齿轮所需的功率，电器调试要求高，投资较大。因此，这种试验设备适合于中小功率的齿轮运转试验。

FZG齿轮试验机
德国慕尼黑工业大学齿轮及齿轮机构研究所(FZG)的齿轮试验机主要是由电动机、试验齿轮箱、陪试齿轮箱和杠杆加载装置等组成的机械功率封闭分箱式齿轮运转设备。它的主要优点是，结构简单、能耗小，使用可靠、加载准确、可双向加载。但试验机不能空载启动，运转中不能改变载荷，实现程序控制和摸拟试验。这种试验机既可用于齿轮试件试验，也可用于齿轮箱产品的试验。G·Neiman和H·Winter等人设计了著名的FZG齿轮试验机，并编制了FZG的齿轮试验规程，做了大量试验，并提供了大量试验数据，已成为ISO齿轮承载能力计算标准的基础。
我国参考FZG齿轮试验机设计了CL-100，JG-150等型号的通用齿轮试验机，并投入批量生产。

NASA齿轮试验机
美国国家航空和宇航局(NASA)的Lewis研究所的齿轮试验机，是将试验齿轮和陪试齿轮装在同一箱体内，采用叶片式液压加载器，组成一个机械封闭的同箱式液压加载齿轮试验设备。该试验机用带传动进行增速和变速，用氩气增压式密封，还安装有振动传感器。它只适用于齿轮试件的试验，而不适用于齿轮箱产品运转试验，也不适用于齿轮噪声和动载荷性能试验。它是比较典型的中、高速齿轮运转试验机。与FZG齿轮试验机相比，有以下特点：可获得较大载荷，可空载启动，在运转过程中可改变载荷实现程序控制和模拟载荷试验；但结构较复杂，外形尺寸大，制造成本高，扭转角度小，要求试验封闭系统有足够的刚度和可靠的密封装置，否则容易造成润滑油泄漏，加载不准和污染环境。

滚子试验机
如图16-2所示的滚子试验机，上、下试件分别有不同的转速，可以获得纯滚动或既滑又滚的运动。它可以用于模拟齿轮传动和蜗杆传动的轮齿工作表面，进行疲劳点蚀、胶合和磨损的试验研究。滚子试验机上试验的结果，可以用来比较选择材料和润滑剂，以及在直接对比齿轮传动和蜗杆传动试验结果的基础上修改计算。试件可做成圆柱滚子、圆锥滚子或阶梯圆柱滚子。滚子可以单接触、双接触或三接触。

这种试验机的优点是：结构简单，外廓尺寸小，生产率高和试件形状简单，因此试验费用低。其缺点是：它与实际齿轮运转时的工作状态、应力状态有相当大的差别，因此不太可能获得满意的试验结果。

耗能负载装置
耗能负载装置是通过消耗能量的方式，使齿轮试件受载的一种特殊装置。它是开放式齿轮运转设备的关键部件，它在很大程度上决定了试验设备的性能和应用。目前采用的耗能负载装置有：机械制动器、流体制动器、电磁测功器等。

加载器
加载器又名加载装置，它是将载荷施加到试验齿轮工作齿面上，造成内力系统加载齿轮副的一种特殊装置。它是功率封闭式齿轮运转设备的关键部件。它在很大程度上决定了齿轮试验设备的性能和应用。对加载器的基本要求是：工作可靠、结构简单、能实现试验要求。
加载器可分为：内力型、外力型和力矩型三大类。

转矩转速传感器
转矩转速传感器有磁电式相位差和光电式相位差转矩转速传感器之分。下面介绍国内应用较多的JC型磁电式相位差转矩转速传感器的工作原理。
在弹性轴两端安装有两个齿轮。在齿轮上方分别有两条磁铁，磁钢上有一组信号线圈。当弹性轴转动时，由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变化，在信号线圈中分别感应出两个电势，在外加转矩为零时，这两个电势有一个恒定的初相位差。这个相位差只与两个齿轮在轴上安装的相对位置和两个磁钢相对位置有关。在外加转矩时，弹性轴产生扭转变形，在弹性范围内，其扭转角与外加转矩成正比。在扭转角变化的同时，两个电势的相位差发生相应的变化，这相位变化的绝对值与外加转矩大小成正比。由于这两个电势的频率与转速及齿轮齿数的乘积成正比，所以在齿数为固定值时，这两个电势的频率与转速成正比。
必须指出，转矩转速传感器要同转矩转速仪(二次仪表)配套使用。