郭重，李博學(xué)，張貝貝，杜鵬樂(lè)，教柳

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471000）

便攜式高速小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

郭重，李博學(xué)，張貝貝，杜鵬樂(lè)，教柳

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471000）

針對(duì)現(xiàn)階段弧齒錐齒輪檢查機(jī)存在的不足，研究設(shè)計(jì)了一種針對(duì)小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合質(zhì)量的檢測(cè)儀器。該儀器利用噪聲傳感器和加速度傳感器采集齒輪嚙合的噪聲和振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)USB接口將信號(hào)通輸入計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)濾波后，利用LabVIEW對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域分析并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以判斷齒輪的嚙合質(zhì)量。該檢查機(jī)可以調(diào)整轉(zhuǎn)速和載荷，并用磁柵尺保證被測(cè)齒輪的準(zhǔn)確安裝，其檢查結(jié)果準(zhǔn)確、可靠且攜帶方便。

弧齒錐齒輪；嚙合質(zhì)量；齒輪檢查機(jī)

小模數(shù)弧齒錐齒輪由于傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備的第一級(jí)減速，其轉(zhuǎn)速可以高達(dá)1～20000 r/min.在高轉(zhuǎn)速下，其嚙合品質(zhì)直接決定了工作系統(tǒng)的可靠性和壽命。因此，如何全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)齒輪嚙合品質(zhì)具有十分重大的意義。

目前小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合質(zhì)量的檢測(cè)主要有兩種方式。

一是，利用手搖式滾動(dòng)檢查機(jī)，如天津第一機(jī)床總廠的Y9520型滾檢機(jī)。檢測(cè)人員在齒輪接觸區(qū)涂抹著色劑，通過(guò)嚙合接觸印痕和千分表，結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷其嚙合質(zhì)量。

二是，利用大型滾動(dòng)檢查機(jī)，如美國(guó)格里森公司600HTT型檢驗(yàn)機(jī)，四川禧鑫機(jī)床廠YBK9580錐齒輪滾檢機(jī)等。此類檢查機(jī)檢測(cè)項(xiàng)目豐富，能夠直觀展現(xiàn)齒輪嚙合質(zhì)量。

但以上方式均有不足。手搖式滾檢機(jī)通過(guò)毫米尺來(lái)定位安裝，安裝距精度較低，且檢測(cè)結(jié)果主要憑檢測(cè)人員耳聽眼看和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果受各種隨機(jī)因素的影響較大，準(zhǔn)確性難以保證。

目前自動(dòng)滾檢機(jī)最高轉(zhuǎn)速不超過(guò)4 000 r/min，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際工況轉(zhuǎn)速。低轉(zhuǎn)速下的檢測(cè)結(jié)果并不嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確。如齒輪嚙合時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的三次諧波隨著轉(zhuǎn)速的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)［1］。

同時(shí)，齒輪嚙合品質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)近年來(lái)需求增多，如在設(shè)備維修、招標(biāo)采購(gòu)、齒輪修復(fù)等場(chǎng)合。手搖式滾檢機(jī)雖然輕便，但檢測(cè)精度不足；而自動(dòng)滾檢機(jī)普遍體積較大、重量較重，只能置于實(shí)驗(yàn)室中。

因此，計(jì)劃研制一種檢測(cè)高速小模數(shù)弧齒錐齒輪嚙合品質(zhì)的便攜式儀器。其設(shè)計(jì)體積較小，并廣泛采用鋁合金材質(zhì)，整機(jī)重量控制在20 kg之內(nèi)，尺寸接近小型手提箱，方便攜帶。

1　檢測(cè)方法及原理

研究表明［2］：錐齒輪副嚙合的振動(dòng)、噪聲與錐齒輪的嚙合品質(zhì)直接相關(guān)。若錐齒輪副共軛曲面的壓力角或者螺旋角不相適應(yīng)，則嚙合頻率的各次諧波都很高。若接觸區(qū)過(guò)窄，基波的振動(dòng)與噪聲較高；接觸區(qū)過(guò)寬，則二次濾波的振動(dòng)和噪聲是主要的。三次濾波的產(chǎn)生主要與齒面的粗糙度和干涉有關(guān)。合格的齒輪嚙合時(shí)除一次諧波較高，其他諧波幅值都很低。高精齒輪的第四至六次諧波甚至可能完全消失［3］。

因此，齒輪嚙合的振動(dòng)和噪聲可以綜合反映齒輪的加工精度是否合格和參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。同時(shí)，人機(jī)關(guān)系如今亦成為評(píng)價(jià)設(shè)備性能好壞的重要指標(biāo)［4］。因而，噪聲、振動(dòng)本身也成為評(píng)價(jià)嚙合質(zhì)量的因素之一。

2　硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1整體設(shè)計(jì)

底座中間沉底，便于收集潤(rùn)滑油。主動(dòng)箱、從動(dòng)箱分居于底座兩角，用螺釘固定在底座上。蓋板通過(guò)螺釘與兩箱體連接，用來(lái)安裝電動(dòng)機(jī)和磁滯制動(dòng)器，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)剛度。安裝完成后打定位銷。電機(jī)安裝板和制動(dòng)器安裝板通過(guò)螺釘固定于蓋板上。電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器通過(guò)螺釘固定于對(duì)應(yīng)的安裝板上。

電機(jī)為無(wú)極調(diào)速低噪音電機(jī)，轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，同步帶輪傳動(dòng)比為2，故最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，滿足不同齒輪副工作轉(zhuǎn)速需求。其工作噪聲不大于65 dB.

制動(dòng)器扭矩可調(diào)，其最大扭矩為1 N·m.

外形尺寸：265 mm×220 mm×231 mm，尺寸接近于小型手提箱。由于底座、箱體、蓋板、安裝板材質(zhì)均為鋁合金，故整體質(zhì)量（含聲級(jí)計(jì)及支架）為20 kg左右。整體軸測(cè)圖如圖1所示。

圖1　整體裝置軸測(cè)圖

2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1電機(jī)、制動(dòng)器與軸的連接

主、從動(dòng)軸通過(guò)同步帶與電機(jī)、磁滯制動(dòng)器輸出、輸入軸連接。主、從動(dòng)軸鍵較長(zhǎng)，調(diào)整帶輪在鍵上的相對(duì)位置以安裝不同尺寸的齒輪。當(dāng)帶輪位置調(diào)整合適后，旋進(jìn)緊定螺釘以保證定位，示意圖如圖2所示。

圖2　電機(jī)、制動(dòng)器與軸的連接

2.2.2軸的進(jìn)給

主、從動(dòng)軸的軸套上刻有齒條，主、從動(dòng)箱體內(nèi)上側(cè)有齒輪槽，進(jìn)給齒輪通過(guò)齒輪軸與箱體側(cè)面的進(jìn)給旋鈕相連。主動(dòng)軸行程為65 mm，從動(dòng)軸行程為40 mm.主、從動(dòng)軸通過(guò)導(dǎo)向鍵導(dǎo)向。主、從動(dòng)軸被調(diào)整到合適位置后，旋進(jìn)箱體側(cè)面的緊定螺釘，即可鎖緊軸。其示意圖如圖3所示。

圖3　軸的進(jìn)給裝置

磁柵尺可以精確定位主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的進(jìn)給量。軸套側(cè)面銑有寬度為12 mm的平面，貼上磁帶；讀數(shù)頭安裝在箱體正面，可以保證安裝距誤差在1之內(nèi)。

2.2.3齒輪的裝夾

主、從動(dòng)軸的端面采用彈性?shī)A頭裝夾被測(cè)齒輪。該夾具可以快速更換、快速夾裝。

3　檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1噪聲檢測(cè)系統(tǒng)

嚙合噪聲通常下在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)［5］。嚙合頻率計(jì)算公式如下：

式中，n為轉(zhuǎn)速（r/min）；z為齒數(shù)。

齒輪嚙合的噪聲、振動(dòng)信號(hào)主要集中在回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率的六次以內(nèi)諧波［6］?；↓X錐齒輪小輪齒數(shù)一般小于15，故噪聲傳感器的頻率范圍：

選用重慶泰測(cè)科技有限公司TZ-2KA型噪聲傳感器來(lái)檢測(cè)齒輪副嚙合時(shí)的噪聲。其主要參數(shù)為［7］：頻率范圍：2～20 kHz，動(dòng)態(tài)范圍：20～140 dB，靈敏度30 mV/Pa.采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)采集卡A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)USB總線輸入計(jì)算機(jī)中。

3.2振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

嚙合振動(dòng)頻率主要為回轉(zhuǎn)頻率、固有頻率、嚙合頻率及其高次諧波［8］。公式如下：回轉(zhuǎn)頻率：

式中，n為齒輪的轉(zhuǎn)速，z為齒輪的齒數(shù)。

齒輪的固有頻率：

對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的齒輪，其固有頻率可按中心固定的自由圓板彈性體振動(dòng)理論公式近似計(jì)算［9］。

嚙合頻率及其高次諧波計(jì)算同公式（1）。

由于齒輪嚙合時(shí)既有軸向振動(dòng)，又有徑向振動(dòng)，故采用低阻抗（IEPE）三軸向加速度傳感器測(cè)量齒輪嚙合的加速度信號(hào)［10］。選用北京康泰電子有限公司的ULT2122型加速度傳感器。其主要參數(shù)為［11］：量程為±500 g，靈敏度為10 mv/g，頻率范圍為1～12 000 Hz.可以在高轉(zhuǎn)速（1 0000 r/min）下，對(duì)小輪齒數(shù)在12齒以下的齒輪副進(jìn)行6次諧波分析。鑒于分析到六次諧波的情況較少，分析的重點(diǎn)是前三次諧波［12］，故該型加速度傳感器可基本滿足要求。加速度傳感器剛性固定在主動(dòng)軸、從動(dòng)軸前端蓋處。

3.3采樣方式及采集卡的選擇

3.3.1采樣方式的確定

由于該檢測(cè)系統(tǒng)中共采集到7個(gè)模擬信號(hào)輸入。為了滿足要求且控制成本，采用相差5us的準(zhǔn)同步采集方式，最大相差為30 us，其電路簡(jiǎn)單，成本低，功耗?。?3］。

3.3.2采集卡的選擇

LabVIEW只支持NI公司的采集卡。選擇北京阿爾泰科技有限公司的USB2881數(shù)據(jù)采集卡。主要參數(shù)為［14］：分辨率：16 bit，量程：±10 V，最高采樣頻率250 kHz.

3.4對(duì)信號(hào)的處理及分析

3.4.1干擾信號(hào)的過(guò)濾

由于采集到的噪聲、振動(dòng)信號(hào)中包括干擾信號(hào)［15］，因此還需要對(duì)采集到的信號(hào)做濾波處理。直接利用LabVIEW中提供的濾波器［16］保留回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率的六次以內(nèi)諧波的噪聲、振動(dòng)信號(hào)。

3.4.2評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的建立

采集到的信號(hào)包括主動(dòng)輪的三向振動(dòng)，從動(dòng)輪的三向振動(dòng)和嚙合噪聲，共計(jì)七個(gè)信號(hào)。采集工作完成后，需要對(duì)這七個(gè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析［17-18］。LabVIEW中的波形圖（Graph）控件可以呈現(xiàn)時(shí)域圖和頻譜圖。將結(jié)果數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以判斷其嚙合質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)值可以根據(jù)國(guó)家或行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得［19-20］，也可以用高精度齒輪檢測(cè)結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

（1）時(shí)域分析就是對(duì)噪聲、振動(dòng)信號(hào)及的最大值、有效值進(jìn)行分析，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較。

（2）頻譜分析則是對(duì)噪聲、振動(dòng)的各級(jí)諧波進(jìn)行功率譜分析，得到各次諧波的頻率和幅值，并將結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)。

通過(guò)時(shí)域和頻域分析，即可判斷齒輪副嚙合質(zhì)量的高低以及齒輪副的主要問(wèn)題。

3.5其他要求

儀器的關(guān)鍵零部件均要求高精度，高剛度。還需要加防護(hù)罩作整體安全防護(hù)。防護(hù)罩采用鋼絲加有機(jī)玻璃制作。采用噴霧潤(rùn)滑的方式為被測(cè)齒輪提供潤(rùn)滑油。

4　檢測(cè)過(guò)程

首先計(jì)算被測(cè)齒輪副回轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率，設(shè)置合適的采樣、濾波頻率。隨后選用合適的夾頭裝夾齒輪，調(diào)整主、從動(dòng)軸位置安裝齒輪。利用磁柵尺精確調(diào)整安裝距，并旋緊緊定螺釘。準(zhǔn)備完成后，打開電腦，連接數(shù)據(jù)線，開啟電機(jī)、制動(dòng)器，并根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)要求調(diào)整轉(zhuǎn)速和負(fù)載。待齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，啟動(dòng)噪聲、振動(dòng)檢測(cè)裝置，采集信號(hào)。采集完成后，關(guān)閉電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器，卸下齒輪。最后在LabVIEW中處理信號(hào)，得出齒輪副嚙合的噪聲、振動(dòng)及各級(jí)諧波的幅值、功率譜。將幅值、功率譜各項(xiàng)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，即可判斷齒輪副嚙合品質(zhì)的好壞。

5　結(jié)束語(yǔ)

本儀器從實(shí)際檢測(cè)需要出發(fā)，設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀便攜輕巧、操作方便、精確可靠，填補(bǔ)了相關(guān)檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域的空白。本儀器可以為工廠產(chǎn)品測(cè)試提供方便，為企業(yè)招標(biāo)采購(gòu)提供依據(jù)，為技術(shù)人員野外維修、設(shè)備測(cè)試提供支持。這對(duì)于高速小模數(shù)弧齒錐齒輪的性能評(píng)價(jià)和指導(dǎo)高性能小模數(shù)弧齒錐齒輪的生產(chǎn)具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，擁有廣闊的市場(chǎng)。

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Design of Portable Meshing Tester for High Speed Small Module Spiral Bevel Gear

GUO Zhong，LI Bo-xue，ZHANG Bei-bei，DU Peng-le，JIAO Liu
（School of Mechanical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471000，China）

Concerning about the deficiency of current spiral bevel gear testers，this research designs an instrument to specifically detect the meshing quality of the small module spiral bevel gears.The instrument can collect the meshing noise and vibration signals by the sound level meter and the accelerometer.The collected signals are transmitted into the computer through the USB interface.After filtering，we can analyze them in both time domain and frequency domain by using LabVIEW.The result is compared with the reference value to judge the meshing quality of the gear.The rotational speed and load of the instrument can be adjusted for adapting to different gears. The accuracy of the installation is guaranteed by two Magnescales located on both spindles.The result of the test is accurate，reliable and the instrument itself is portable.

spiral bevel gear；meshing quality；gear tester

TH122

A

1672-545X（2016）08-0068-04

2016-05-14

河南科技大學(xué)2015SRTP項(xiàng)目資助（編號(hào)：2015002）

郭重（1994-），男，河南鄭州人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。