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附錄A 英文翻譯
非線性動(dòng)力學(xué)齒輪系統(tǒng)的兩個(gè)階段與嚙合剛度波動(dòng)、軸承的
靈活性和反彈
摘要：
這項(xiàng)工作調(diào)查研究線性動(dòng)力學(xué)齒輪系統(tǒng)的兩個(gè)階段涉及到反彈和與實(shí)踐相關(guān)的嚙合剛度。本文主要包括建立一個(gè)12度的自由齒輪動(dòng)態(tài)模型。該模型包括兩個(gè)階段的齒輪、三個(gè)軸和兩個(gè)代表負(fù)載、主要推動(dòng)者和三個(gè)軸承的慣量。齒輪接觸的特點(diǎn)是剛度和反彈的周期性變化，這個(gè)可以導(dǎo)致接觸的損失。
非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)的研究多虧線性化技術(shù)，?這個(gè)技術(shù)將非線性系統(tǒng)分解為滿足一些條件的線性系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)得以解決是由于紐馬克迭代算法。結(jié)果獲得似乎是齒輪接觸的損失的現(xiàn)象，因?yàn)橄到y(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和接收組件之間的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)性的。
1、簡(jiǎn)介：
齒輪是許多先進(jìn)機(jī)器中最常見(jiàn)和最??重要的機(jī)械部件之一。理解振動(dòng)信號(hào)的一種的改進(jìn)，需要對(duì)起動(dòng)齒輪故障做早期檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)高可靠性。在機(jī)械工程中齒輪系統(tǒng)是一個(gè)重要的組成部分。他們已經(jīng)知道了一些技術(shù)的進(jìn)步變得越來(lái)越具有可靠性和持久抵抗性。由于齒輪機(jī)制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，齒輪機(jī)制已被發(fā)明并在現(xiàn)代能量傳輸系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。在能量傳輸和檢測(cè)儀表領(lǐng)域中使用的齒輪，變得幾乎無(wú)處不在，因?yàn)楸仨殑?dòng)態(tài)模型足夠的好，使它們有穩(wěn)定數(shù)值。
齒輪系統(tǒng)被用來(lái)降低轉(zhuǎn)速，增加可利用的扭矩，改變能量傳輸?shù)姆较蚝秃驮谝恍C(jī)器間分散可利用的能量。
Litak和Friswell研究的一個(gè)單一齒輪階段的純扭轉(zhuǎn)模型的動(dòng)態(tài)行為。齒輪彈性模型通過(guò)時(shí)間改變，這最有代表性的是真實(shí)現(xiàn)象，其特征通過(guò)隨著時(shí)間接觸的齒輪數(shù)量決定。目前，一些研究企圖描述鋼針齒輪系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)影響了當(dāng)處的外部激勵(lì)。事實(shí)上，線性模型不足以來(lái)描述真正的機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為。隨著非線性動(dòng)態(tài)的非線性特點(diǎn)(如反彈)，已成為最有趣的研究課題。Kahraman and Singh提出扭轉(zhuǎn)影響模型。在數(shù)學(xué)模型中，彈性齒輪已被建模通過(guò)彈簧與時(shí)間變化的剛度，因?yàn)榻佑|的齒輪數(shù)量隨著時(shí)間而改變。此外，問(wèn)題在于非線性，因?yàn)榻佑|失去典型的共振操作。因此，嚙合剛度由于多樣的齒輪接觸而隨時(shí)間變化，齒輪間的反彈使結(jié)構(gòu)的復(fù)雜行為變得更難。由于這一缺陷，齒輪系統(tǒng)可以有規(guī)律或不根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)振動(dòng)。
在任何齒輪系統(tǒng)中反沖壓力是已被發(fā)現(xiàn)的最常見(jiàn)的故障，盡管有些反沖是任何齒輪系統(tǒng)最近本的。有很多關(guān)于齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)的論文，并已取得許多重要成果。此外，一些不同的模型已被用于具有其他非線性特征的齒輪動(dòng)態(tài)力學(xué)中，如滑動(dòng)摩擦的齒輪動(dòng)力學(xué)嚙合阻尼。
本文的主要目標(biāo)是：（1）發(fā)明一個(gè)分析性模型用于兩個(gè)階段的正齒輪系統(tǒng)，包括基本機(jī)的變形如齒輪，軸和軸承。（2）齒輪間反彈的非線性，由于彈性齒輪負(fù)荷連續(xù)函數(shù)，（3）研究非線性動(dòng)力學(xué)行為系統(tǒng)。
2、兩個(gè)階段的齒輪系統(tǒng)的非線性模型
齒輪細(xì)聽(tīng)被用于工業(yè)部門（汽車，機(jī)械和直升機(jī)）由兩個(gè)或多個(gè)階段確保最小的減速比率和最大兩的接收轉(zhuǎn)矩。在本文中，非線性動(dòng)力學(xué)模型兩個(gè)階段的齒輪減速考慮到齒輪的可變形性和非線性特征來(lái)自在工作中出現(xiàn)的齒輪接觸損失現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)模型和相關(guān)的物理模型在圖一中已列出。齒輪通過(guò)集中大量數(shù)據(jù)得以建模，因?yàn)槊總€(gè)齒輪有其預(yù)算的準(zhǔn)確度（除了預(yù)先的每個(gè)等級(jí)的齒輪）。軸承齒輪通過(guò)齒輪計(jì)劃的線性彈簧得以建模。軸預(yù)算了不良的彈性。
廣義坐標(biāo)向量的非線性動(dòng)力學(xué)模型包括12個(gè)自由度，可以定義通過(guò)
這里xj和yj是軸承位移是齒輪的動(dòng)態(tài)角位移，hi (i = 1, ...,4)是電機(jī)和閘的動(dòng)態(tài)角位移。
本文中所研究的非線性動(dòng)力學(xué)模型的特點(diǎn)是由12個(gè)自由度決定，它根據(jù)每個(gè)階段定義的兩個(gè)齒輪變量個(gè)變根據(jù)線性行為預(yù)設(shè)，并可以表達(dá)為
這里ri是齒輪基地半徑，表示壓力角。
3.齒輪接觸造型
從以上表述，齒輪系統(tǒng)不僅具有分段線性剛度，而且有時(shí)間變化參量。在本文中，研究拓展到非線性系統(tǒng)，當(dāng)齒輪接觸根據(jù)線性行為通過(guò)時(shí)間變化剛度得以建模時(shí)，這考慮到一對(duì)或兩對(duì)齒輪接觸變化的選擇。
圖1。兩個(gè)階段的齒輪系統(tǒng)的物理模型和動(dòng)態(tài)模型研究
時(shí)間的不同勵(lì)磁是網(wǎng)格頻率周期輪。齒嚙合剛度勵(lì)磁變化的平均值根據(jù)齒輪的類型考慮。幾個(gè)數(shù)值方法，包括有限元的工作，已發(fā)展到計(jì)算這個(gè)值。在每一個(gè)階段，嚙合剛度的變化，可以模擬一個(gè)周期性的方波函數(shù)（圖2）。
隨時(shí)間變化的齒輪嚙合剛度的極值定義為
這里s明確指定階段性數(shù)字（s=1:2），指定在階段的接觸率，這是齒輪的幾何特征，一般需要在1和2之間提供一個(gè)可觀值。然而，帕克等人。使用的整數(shù)值最小的振動(dòng)水平，因?yàn)樵谶@種特殊情況下，接觸齒輪的對(duì)數(shù)隨時(shí)間保持不變。這兩個(gè)網(wǎng)格的頻率是彼此相關(guān)的
這里Z2和Z3代表齒輪2和3 的齒數(shù)。
本文中考慮到的第二個(gè)勵(lì)磁是反彈和齒輪之間的。反彈距離是局限性的確保潤(rùn)滑，消除干擾和擦傷。反彈被定義為超過(guò)一顆齒粒的厚度空間而變位。同樣可以被描述為在每個(gè)齒輪階段中心位置的變化。反彈指不能被夸大其工作需求，但它應(yīng)該對(duì)潤(rùn)滑有足夠的創(chuàng)造空間。
簡(jiǎn)介反彈進(jìn)入模型的缺陷，我們直接研究彈性嚙合力接觸損失根據(jù)被定義嚙合力連續(xù)性建模。圖3根據(jù)齒輪偏差了顯示了這種非連續(xù)性。
是由于反彈非線性均勻的功能沒(méi)有零值，被定義如下
這里2*bs呈現(xiàn)了在嚙合前齒輪間的反彈，如圖3所示
非線性功能定義在三個(gè)域。實(shí)際上，每個(gè)齒輪的接觸以三個(gè)方案齒輪組合為特征。三個(gè)方案總結(jié)在表1中。
圖2。齒輪嚙合剛度KS（T）的方波形式。
圖3。聯(lián)絡(luò)損失造型
齒輪之間引入反彈引起的接觸損失，特別是用于沒(méi)有或略有加載系統(tǒng)。這種影響的結(jié)果來(lái)自激烈的振動(dòng)，噪聲和巨大的動(dòng)態(tài)負(fù)載。它決定的齒輪系統(tǒng)的保真度和壽命。
4、非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的公式
這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程中存在反彈，成為極端地非線性。另一個(gè)重要的困難來(lái)自一次接觸齒輪對(duì)數(shù)的數(shù)量，造成等效變化齒輪嚙合剛度。在分析和解釋數(shù)值結(jié)果中，引入并合并這兩個(gè)因素。
拉格朗日形式主義用于列出非線性微分方程，支配動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的兩個(gè)階段齒輪的運(yùn)動(dòng)減少每一個(gè)系統(tǒng)的自由程度。這12個(gè)非線性系統(tǒng)的自由度一般矩陣形式被定義為：
這里是質(zhì)量矩陣，指定的軸承和軸的固定剛度矩陣。
是非線性隨時(shí)間變化的嚙合剛度矩陣，它依賴于三個(gè)齒輪構(gòu)造。在第一個(gè)案例里這是空的，那里齒輪偏值包括和接觸損失的領(lǐng)域。
非線性時(shí)變嚙合剛度矩陣定義
在最重要的工作中, 一直認(rèn)為一種粘性阻尼可以減少振動(dòng)的水平。的表達(dá)等效粘性阻尼的表達(dá)已給出（Rayleigh阻尼）：
這里和是阻尼系數(shù)，和是系統(tǒng)的平均剛度矩陣。系統(tǒng)的內(nèi)部勵(lì)磁矢量是
非線性運(yùn)動(dòng)方程的解決方案已獲得并通過(guò)線性化技術(shù)，這其中包括打破了非線性系統(tǒng)的方程式，在一些線性系統(tǒng)下檢查方程式的一些條件（見(jiàn)表1）。本文所研究的非線性差異系統(tǒng)打破了在模型中一個(gè)反彈案例靜茹三個(gè)線系統(tǒng)和兩個(gè)反彈進(jìn)入九個(gè)線性系統(tǒng)。每個(gè)線性系統(tǒng)的分辨率的得出感謝一步步迭代Newmark的放法[12]。初始條件定義為
這些條件暗示著齒輪接觸損失，當(dāng)條件無(wú)效時(shí)，我們根據(jù)案例里每個(gè)階段齒輪撓度改變系統(tǒng)的公程式（表一）。方案京城是通過(guò)Newmark[12]的方法提出。每從一個(gè)案件到另一個(gè)與減少計(jì)算步驟有關(guān)，這將是最初的一步的100倍小于，因此，誤差最小化。
5、數(shù)值模擬及研究
實(shí)際上，這樣結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量軸承水平上用加速度。在本文中，我們對(duì)代表網(wǎng)格負(fù)載的動(dòng)態(tài)組件很感興趣，通過(guò)計(jì)算算法對(duì)軸承加速度和角速度推導(dǎo)速度。
5.1一次反彈的案例
圖4代表第一個(gè)齒輪隨著時(shí)間在第一階段的反彈存在偏轉(zhuǎn)波動(dòng)?！敖佑|損失代表當(dāng)齒輪偏轉(zhuǎn)反彈的一半的損失。 0.02秒后，在接觸中齒輪經(jīng)常留有接觸損失現(xiàn)象會(huì)使其加速。第二顆齒輪偏轉(zhuǎn)圍繞零上下波動(dòng)，但第一個(gè)非線性波動(dòng)和頂部反彈的一半有關(guān)。
圖5所示，分別對(duì)每個(gè)齒輪接觸的網(wǎng)格負(fù)載的頻譜。網(wǎng)格負(fù)載被定義為非線性對(duì)稱函數(shù)。通過(guò)得以定義。我們清楚地看到在??每一個(gè)信號(hào)存在的幾個(gè)波峰。這些波峰對(duì)應(yīng)的兩個(gè)網(wǎng)頻率FE1=1500 Hz和FE2=1000赫茲和他們的第一個(gè)諧波。
非線性頻譜的特點(diǎn)是增加了一個(gè)亮點(diǎn)，相應(yīng)的固有頻率F1，F(xiàn)3和F5的系統(tǒng)。
圖6分別代表輸入和輸出軸承加速度頻譜。我們看到了存在的幾個(gè)峰對(duì)應(yīng)的兩個(gè)網(wǎng)頻率分別為FE1=1500 Hz和FE2=1000Hz和他們的第一個(gè)諧波。非線性頻譜的特點(diǎn)是增加了對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的固有頻率。
圖7角的線性和非線性輸入齒輪、中間齒輪和輸出齒輪的角度波動(dòng)速度。系統(tǒng)的線性速度和傳輸速度有關(guān)。在開(kāi)始的時(shí)候，第一個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和齒輪（2，3，4）和輸出輪保持靜止。經(jīng)過(guò)一個(gè)小的時(shí)間段后，由于反彈，齒輪（2，3，4）與輸出齒輪將加速并影響動(dòng)周圍的線性角速度的波動(dòng)。
表2 研究分兩個(gè)階段齒輪系統(tǒng)的參數(shù)
研究Walha等。 /機(jī)理及機(jī)械原理44（2009）1058至1069年
圖4。牙齒的時(shí)空偏轉(zhuǎn)波動(dòng)（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為。）：（一）第一顆牙的撓度和（乙）第二顆偏轉(zhuǎn)。
0.02秒后，線性和非線性響應(yīng)變得非常密切，速度的波動(dòng)將得到減弱。反彈的影響，最顯眼的是，當(dāng)系統(tǒng)的方向速率受到非連續(xù)運(yùn)動(dòng)的頻繁逆轉(zhuǎn)時(shí)的情況。屬于這種類型的機(jī)制，包括增加機(jī)器人操作器和檢測(cè)故障嚴(yán)重降低他們的效果并變得越來(lái)越重要。
圖8代表時(shí)間速度相對(duì)齒輪的波動(dòng)，在案例中一個(gè)反彈位于第一層面的第一階段的齒輪和第二齒輪的網(wǎng)格接觸。我們得出這樣的結(jié)論：與非線性速度相比，線性速度幅度增加。但是，只有在第一顆齒輪的接觸，我們清楚地看到接觸損失的現(xiàn)象時(shí)，相對(duì)的齒輪位移高于反彈的一半的值。
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圖5。每個(gè)牙齒接觸網(wǎng)負(fù)荷譜（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為）：（一）第一網(wǎng)格負(fù)載譜和（二）第二網(wǎng)格負(fù)載頻譜
圖6。攀枝花鋼鐵集團(tuán)和輸出軸承加速度頻譜（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為。）：（一）第一軸承的頻譜第三軸承加速度的加速度和（b）頻譜。
圖7。線性和非線性的角速度波動(dòng)（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為。）。
圖8。相對(duì)牙齒的波動(dòng)速度以下，在位于第一階段齒輪間隙的情況下，牙齒位移：（一）第一個(gè)齒輪嚙合接觸及（B）第二齒輪嚙合接觸。
5.2反彈的兩種情況
圖9顯示了每個(gè)相對(duì)的齒輪位移的時(shí)間波動(dòng)。通過(guò)比較圖4B和9A，我們觀察到，第一個(gè)接觸的齒輪保持第一個(gè)案例所研究的形式相同。但第二顆偏轉(zhuǎn)改變了形式，我們得出結(jié)論，當(dāng)齒輪偏轉(zhuǎn)是反彈b2。0.02秒后，齒輪始終保持接觸和接觸損失的現(xiàn)象將被突破。在每一個(gè)階段，偏轉(zhuǎn)線性出輪圍繞零波動(dòng)，但非線性波動(dòng)的是頂部反彈的一半。
第二次反彈也影響到網(wǎng)格負(fù)載的非線性對(duì)稱函數(shù)。圖10顯示每增加兩網(wǎng)負(fù)荷不反彈的頻譜信號(hào)。頻譜上出現(xiàn)的波峰對(duì)應(yīng)兩個(gè)頻率，他們的第一個(gè)諧波和固有頻率和。
當(dāng)有沒(méi)有反彈，在齒輪之間沒(méi)有沖擊，因此信號(hào)幅度較低。小波紋是由于齒輪的彈性。但是，一旦引入非常低的反彈，網(wǎng)格負(fù)荷的振幅更高。關(guān)于這些波形的頻譜，我們總結(jié)兩個(gè)顯著特點(diǎn)：波峰突起較低時(shí)有反彈，幅度表明在存在反彈會(huì)傳播更快。這些都是直接沖擊現(xiàn)象的結(jié)果。
以同樣的方式，在系統(tǒng)中引入第二個(gè)反彈將延遲第二個(gè)齒輪網(wǎng)格接觸的轉(zhuǎn)體動(dòng)作的傳遞。第二次反彈影響齒輪的角速度，特別是在延遲現(xiàn)象出現(xiàn)在齒輪（4）角速度上，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)小的工作時(shí)間段后的第二個(gè)階段，動(dòng)能不轉(zhuǎn)移（圖11）。打開(kāi)系統(tǒng)后，一段時(shí)間后的永久速度關(guān)系到第一個(gè)和第二個(gè)反彈的值。
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圖9。牙齒的時(shí)空偏轉(zhuǎn)波動(dòng)（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為。）：（一）第一顆牙的撓度和（乙）第二顆偏轉(zhuǎn)
在齒輪反彈檢測(cè)的情況下，預(yù)計(jì)一個(gè)恒定的方波勵(lì)磁的齒輪的動(dòng)態(tài)影響與反彈量會(huì)有所不同（即與配合面之間的間隙牙齒反彈）。這是因?yàn)榍鍧嵲S可證“風(fēng)”的傳動(dòng)齒輪和增加其動(dòng)能能源。
圖12顯示時(shí)間相關(guān)牙齒的速度波動(dòng)，隨著兩種反彈的情況而產(chǎn)生位移，就是第一和第二階段齒輪的反彈。我們得出這樣的結(jié)論：線性振幅速度相比非線性振幅線性速度是有增加速的。以同樣的方式，我們清楚地看到，當(dāng)每個(gè)相關(guān)的齒輪位移高于反彈值得一半時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)接觸損失的現(xiàn)象。從這些結(jié)果，我們得出這樣的結(jié)論：傳動(dòng)齒輪反彈的增加，將沖擊加載齒輪更大的初始速度，并會(huì)有更多的能量消散。
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圖10。每個(gè)牙齒接觸網(wǎng)負(fù)荷譜（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為）：（一）第一網(wǎng)格負(fù)載譜和（二）第二網(wǎng)格負(fù)載頻譜。
圖11。線性和非線性的角速度波動(dòng)（（ - ）：線性的行為，（...）：非線性行為。
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圖12。牙齒速度相對(duì)波動(dòng)后牙位移的兩個(gè)位于兩個(gè)階段的齒輪抵制的情況下：（一）第一齒輪嚙合聯(lián)系和（b）第二齒輪嚙合接觸。
6、總結(jié)
本文發(fā)明兩個(gè)階段的齒輪系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)模型，介紹了齒輪、軸承和軸的可變形性。非線性的起源是在工作齒輪之間的接觸損失。這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為的特點(diǎn)是其復(fù)雜性，復(fù)雜性主要來(lái)源于耦合時(shí)周期之間齒輪間反彈情況下網(wǎng)格反剛度的變動(dòng)。該系統(tǒng)的非線性行為能得以分析研究，由于線性化的新技術(shù)，非線性系統(tǒng)的組成可分解成滿足一定條件的若干線性系統(tǒng)。線性分辨率要感謝紐馬克迭代算法。
對(duì)于低轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，這是由于非連續(xù)地輸入齒輪和輸出接收輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)移。最后，我們的研究豐富了當(dāng)前文學(xué)上的非線性分析模型，因?yàn)橹饕姆蔷€性不同微分方程與自由系統(tǒng)的單一度是不同的。本文推導(dǎo)出的結(jié)果可以由加速度計(jì)注冊(cè)的結(jié)果，可以與通過(guò)在軸承的加速裝置所記載的結(jié)果相比，這將在齒輪系統(tǒng)的維護(hù)階段使用。
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[14] K.J.黃，T.S.劉的動(dòng)態(tài)剛度的方法，聲音與振動(dòng)雜志234（2000）311-329齒輪的動(dòng)態(tài)分析。
[15] Shena華，S.揚(yáng)加，十Liub，基于增量諧波平衡的一個(gè)齒輪對(duì)時(shí)變剛度和間隙非線性動(dòng)力學(xué)法，國(guó)際機(jī)械科學(xué)48（2006）1256年至1263年的雜志。
[16]鋁shyyaba，多meshgear列車使用多諧波平衡法的非線性動(dòng)態(tài)分析A. Kahramanb：周期一議案，聲音與振動(dòng)雜志284（2005）151-172。
[17] S. Theodossiades，S. Natsiavas，對(duì)齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)定期剛度和間隙，聲雜志和振動(dòng)229（2）（2000）287-310。
[18]正達(dá)羅杰斯，H.H. Mabie，C.F. reinholtz，生成的正齒輪與齒輪刀具，機(jī)制和機(jī)械原理25（6）（1990）623-634設(shè)計(jì)。
[19]; Walha，J. Louati，T. Fakhfakh，M. Haddar，兩個(gè)階段的齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)損壞牙齒缺陷，機(jī)械動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)問(wèn)題29（3）（2005）107-124。
英文原文
32
XXXXXXX
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
設(shè)計(jì)（論文）題目： 齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué) 號(hào)： XXXXXXX 學(xué)生姓名 XXXXXXX 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師姓名（職稱）： XXXXXXX（副教授）
機(jī)電 系（教研室）主任： 周 友 行
一、主要內(nèi)容及基本要求：
（1）分析齒輪傳動(dòng)效率測(cè)試的基本原理及構(gòu)思實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方案。
（2）完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。繪制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的裝配圖及主要的零件圖。要求圖紙工作量2.5張A0圖紙以上（AutoCAD繪圖）。
（3）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，電子文檔一份。
（4）英文文獻(xiàn)，翻譯資料一份。要求：3000個(gè)單詞以上，復(fù)印原稿，與翻譯稿（打印）同冊(cè)裝訂。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題：
（1）齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)的原理研究。
（2）齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析。
（3）齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載裝置設(shè)計(jì)。
三、進(jìn)度安排
各階段完成的內(nèi)容
起止時(shí)間
1
收集資料、查詢相關(guān)文獻(xiàn)
2011年1月8日～2月20日
2
弄懂原理進(jìn)行方案構(gòu)思與設(shè)計(jì)
2011年2月21日～ 3月8日
3
完成方案設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)、繪制原理圖
2011年3月9日～ 3月31日
4
繪制裝配圖和零件圖草圖
2011年4月1日～5月2日
5
完成裝配圖和零件圖的設(shè)計(jì)
2011年5月3日～5月15日
6
撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文及英文文獻(xiàn)翻譯
2011年5月16日～ 5月26日
7
交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文及軟件，準(zhǔn)備答辯
2011年5月 27 日～ 5月28日
五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
主要的收集資料有：機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、以往實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)資料 [1]張維凱，王曙光. AutoCAD2007中文版標(biāo)準(zhǔn)教程．北京:清華大學(xué)出版社，2007. [2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）.北京：高等教育出版社，2007.
[3]徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．2版．第1、2、3、4、5卷．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[4]吳宗澤．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[5]朱孝錄. 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.
[6]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．4版．第1、2、3、4、5卷．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
[7]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
[8]吳宗澤，羅圣國(guó).【機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)】.第三版.北京：高等教育出版社.2006.
[9]周良德，朱泗芳.【現(xiàn)代工程圖學(xué)】.第1、21章.湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社.2002.
[10]孫恒，陳作模，葛文杰.【機(jī)械原理】第10章.第七版.北京：高等教育出版社.2005.
[11]齒輪手冊(cè)編委會(huì).【齒輪手冊(cè)上冊(cè)】.第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006.
XXXXXXX
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) XXXXXXX 姓名 XXXXXXX 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
評(píng)閱人：
2012年5月 日
XXXXXXX
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目： 齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： XXXXXXX
姓 名： XXXXXXX
指導(dǎo)教師： XXXXXXX
完成日期： 2012年5月24日
目 錄
第一章 概述…………………………………………………………………1
1選題的依據(jù)…………………………………………………………… 1
2研究齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的意義………………………………………… 1
3國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展…………………………………………………… 1
第二章 整體方案的選擇…………………… ………………………… 2
方案一……… ………………… ……………………………………… 2
方案二…………………………………………………………………… 2
方案的對(duì)比及確定……………………………………………………… 2
第三章 封閉式齒輪試驗(yàn)臺(tái)的主要特性及用途…………………… 3
1 主要特性……………………………………………………………… 3
2 組成部分及工作原理………………………………………………… 3
3 其他說(shuō)明……………………………………………………………… 3
第四章 加載器的方案選擇…………………………………………… 4
方案一…………………………………………………………………… 4
方案二…………………………………………………………………… 4
方案的對(duì)比及確定……………………………………………………… 5
第五章 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算…………………………………… 6
一 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………… 6
1材料的選擇…………………………………………………………6
2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)………………………………………………6
3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)………………………………………………7
4幾何尺寸計(jì)算………………………………………………………8
5驗(yàn)算…………………………………………………………………8
6齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………8
二 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………10
1取材……… …………… ……………………………………… 10
2按許用扭應(yīng)力初步估算軸徑…………………………………… 10
3軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 10
三 滾動(dòng)軸承的選擇與壽命計(jì)算……………………………………… 15
四 聯(lián)軸器的選擇……………………………………………………… 16
1概述……………………………………………………………… 16
2彈性柱銷聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)………………………………………… 16
第六章 傳感器的選擇…………………………………………………… 17
1概述……………… …………………………………………………… 17
2傳感器的分類……………………………………………… ………… 18
3傳感器的選用及其特性……………… ……………………………… 19
4使用特別注意事項(xiàng)……………………………………………………… 22
總結(jié)及致謝…………………………………………………………………… 23
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………… 24
齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)
摘要：齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是用試驗(yàn)的方法研究齒輪傳動(dòng)的各種失效形式并測(cè)定其承載能力、傳動(dòng)效率及有關(guān)性能的基本手段，齒輪是各種機(jī)器上必不可少的傳動(dòng)零件，對(duì)齒輪的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試是保證機(jī)器性能的重要途徑。針對(duì)齒輪傳動(dòng)綜合性能測(cè)試的研究已成為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。構(gòu)建齒輪傳動(dòng)綜合測(cè)試系統(tǒng)同樣對(duì)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究具有重要理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
本文對(duì)齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)作出了方案比較并采取了最優(yōu)方案來(lái)對(duì)齒輪試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對(duì)其關(guān)鍵零部件齒輪、軸、齒輪箱、加載器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)軸承、聯(lián)軸器、傳感器進(jìn)行了選取，通過(guò)各部件之間的相互配合，可測(cè)定齒輪的承載能力、傳動(dòng)效率及有關(guān)性能。
關(guān)鍵詞：齒輪、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、承載能力、傳動(dòng)效率等。
Gear transmission test rig
Summary：Gear transmission test sets of the basic means of the various failure modes of determination of their carrying capacity, the transmission efficiency and performance test method of the gear transmission, gear transmission parts is essential for a variety of machines, all the gearperformance testing is an important way to ensure that the machine performance. Comprehensive performance testing of the gear transmission has become an important research direction of the modern testing technology.。The gear drive test system is constructed to the same mechanical equipment development and research has important theoretical value and economic value。
In this paper, Of gear test rig Make the program compare And take the optimal solution to design the gear test rig，The interaction between the various components，Determination of the carrying capacity of gear、Transmission efficiency And related performance。
Keyword：Gear test rig, carrying capacity, transmission efficiency.
第一章 概述
1選題的依據(jù)
隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和科研水平的不斷提高，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)手段不斷提出了更高的要求。傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是用試驗(yàn)的方法研究機(jī)械傳動(dòng)的各種失效形式并測(cè)定其承載能力、傳動(dòng)效率及有關(guān)性能的基本手段。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的研制基本上還停留在傳統(tǒng)的人工方式水平上，主要類型為以機(jī)械力或液壓力加載的機(jī)械功率流開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)，機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺(tái)和用發(fā)電機(jī)作負(fù)載的電功率封閉式試驗(yàn)臺(tái)。這些試驗(yàn)臺(tái)或由于節(jié)能或由于加載方面各具特色，但都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是自動(dòng)化程度低，很難按事先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)法模擬實(shí)際工況對(duì)各種機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況總免有相當(dāng)距離，這在很大程度上影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的指導(dǎo)作用。傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)大多采用人工操縱方式，試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理都較麻煩且準(zhǔn)確性低，不易實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動(dòng)控制和失效判定。
2研究齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的意義
隨著科技的不斷發(fā)展，人們創(chuàng)造了各種各樣的機(jī)械以達(dá)到減輕體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)率的目的。針對(duì)機(jī)械傳動(dòng)綜合性能測(cè)試的研究已成為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。構(gòu)建機(jī)械傳動(dòng)綜合測(cè)試系統(tǒng)同樣對(duì)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究具有重要理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。齒輪是各種機(jī)器上必不可少的傳動(dòng)零件，對(duì)齒輪的各種性能進(jìn)行測(cè)定是保證齒輪可靠使用的必經(jīng)之路。
3國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展
隨著機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)各種機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品在室內(nèi)距離定載荷壽命試驗(yàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果有很大的差距，因此國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者一直致力于在實(shí)驗(yàn)室模擬機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的實(shí)際工況進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的壽命和性能試驗(yàn)。比如自1989年以來(lái)，德國(guó)大眾公司、美國(guó)GM公司和斯太爾公司都在研制能模擬汽車行駛工況的傳動(dòng)系綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，日本也有人在從事有直流電機(jī)模擬發(fā)電機(jī)載荷的研究并申請(qǐng)了專利。國(guó)內(nèi)目前這方面的研究正處于起步階段，從事這方面研究的局限于高等院校，如重慶大學(xué)，重慶工學(xué)院等相繼建立了機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。目前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)只能進(jìn)行恒定載荷加載或簡(jiǎn)單的程序控制階梯加載，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試依然有較大的差距。
第二章 整體方案的選擇
方案一：開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)
試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備由原動(dòng)機(jī)、齒輪裝置和耗能負(fù)載三部分組成。所謂開(kāi)放式功率流，就是齒輪傳動(dòng)所傳遞的功率由電動(dòng)機(jī)傳來(lái)，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)和實(shí)驗(yàn)裝置中的所有傳動(dòng)件，最后傳到耗能裝置，即加載裝置。開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)加載之后，所需功率全部消耗在加載中，損失功率大，它只適合用于小功率短周期工作的齒輪實(shí)驗(yàn)裝置。
方案二：封閉式試驗(yàn)臺(tái)
封閉式試驗(yàn)臺(tái)分為電封閉式與機(jī)械封閉式兩大類。電封閉式試驗(yàn)臺(tái)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)齒輪箱，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)再返回到電動(dòng)機(jī)，形成封閉系統(tǒng)，它可以節(jié)約50%的電能，但是電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率至少與實(shí)驗(yàn)齒輪箱的功率相等。因此，電封閉式試驗(yàn)臺(tái)也不適用大功率實(shí)驗(yàn)裝置。適用于大功率實(shí)驗(yàn)裝置的是機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)。機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)由電動(dòng)機(jī)、陪試齒輪箱、被試齒輪箱、加載裝置、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器五大部分組成，所有實(shí)驗(yàn)臺(tái)零部件都安裝在工作臺(tái)上，再設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)相同的被試齒輪。一個(gè)減速，一個(gè)加速，且速比相同。當(dāng)被測(cè)對(duì)象的中心距不同時(shí)，改變的僅僅是兩個(gè)被試齒輪的中心距，而對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)路線不會(huì)產(chǎn)生影響。這種加載方法具有簡(jiǎn)單可靠，操作方便，加載范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
方案的對(duì)比及確定
綜上所述：封閉式試驗(yàn)裝置相對(duì)于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)裝置有著明顯的優(yōu)越性。機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)于電封閉式試驗(yàn)臺(tái)適用范圍更廣。因此，本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械封閉式實(shí)驗(yàn)裝置，技術(shù)指標(biāo)為整套系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。
第三章 封閉式齒輪試驗(yàn)臺(tái)的主要特性及用途
1 主要特性
本試驗(yàn)臺(tái)為封閉功率，采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，能在運(yùn)行中進(jìn)行雙向加載。
本試驗(yàn)臺(tái)的最大封閉功率為4KW，如該為單向加載最大封閉功率可達(dá)6KW。轉(zhuǎn)速取1000r/min。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)配有測(cè)量封閉扭矩及電動(dòng)機(jī)扭矩的傳感器。這種傳感器靜態(tài)標(biāo)定誤差滿載時(shí)低于0.2%。
本試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行以下試驗(yàn)
a 齒輪效率。
b齒輪的承載能力（可按載荷譜模擬實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度及壽命試驗(yàn)）。
2 組成部分及工作原理
齒輪箱：被試驗(yàn)齒輪及陪試齒輪箱為結(jié)構(gòu)及尺寸基本相同，傳動(dòng)比為1:1的兩個(gè)齒輪箱，均安裝在同一底板上。
加載器：用套筒滾珠及左右螺旋輪組成機(jī)械式加載器。用專用鉤子，扳手旋動(dòng)加載螺旋通過(guò)軸承及拉桿拉動(dòng)套筒而使左右旋的螺旋輪作反向旋轉(zhuǎn)從而使齒輪加載。
扭矩傳感器：扭矩傳感器的軸上安裝有兩組旋轉(zhuǎn)變壓器，其中一組傳遞電源，另一組傳遞扭矩信號(hào).旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變橋檢測(cè)到的mＶ級(jí)扭矩信號(hào)被高精度儀表放大器放大后,再經(jīng)過(guò)Ｖ/Ｆ轉(zhuǎn)換器變換成與扭矩成正比的方波信號(hào)。通過(guò)軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器,非接觸地傳遞到軸外接受器上，從而輸出同扭矩成正比的方波頻率的數(shù)字信號(hào)。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)：本試驗(yàn)臺(tái)采用4KW直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)由可控硅無(wú)極調(diào)速設(shè)備控制。
3 其他說(shuō)明：
一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)求效率，可認(rèn)為兩齒輪效率相等，用下式求效率（η）是足夠精確。
η==
式中T封——封閉扭矩
T電——電機(jī)扭矩
η總——總效率
兩齒輪的材料或工藝等條件不同時(shí)，可先用此法求得陪試齒輪箱的效率，再更換被試齒輪測(cè)效率，則
η=
做強(qiáng)度或壽命試驗(yàn)時(shí)，由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，為了防止由于振動(dòng)等原因引起加載器螺旋旋松動(dòng)而使載荷下降，應(yīng)用專用的內(nèi)六角扳手，擰緊加載螺旋端的內(nèi)六角螺旋釘使用螺旋與螺母鎖緊。
第四章 加載器的方案選擇
方案一：加重式機(jī)械加載器
結(jié)構(gòu)原理
加重式機(jī)械加載器結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。由圖可知，試驗(yàn)臺(tái)空載時(shí)，懸臂齒輪箱的杠桿通常處于水平位置，當(dāng)加上一定載荷之后，懸臂齒輪箱會(huì)產(chǎn)生一定角度的翻轉(zhuǎn)，這時(shí)扭力軸將有一力矩T9作用于齒輪9，萬(wàn)向節(jié)軸也有一力矩T9’作用于齒輪9’。當(dāng)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蛞越撬俣圈剞D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，T9與ω的方向相同，T9’與ω方向相反，故這時(shí)齒輪9為主動(dòng)輪，齒輪9’為從動(dòng)輪，同理齒輪5’為主動(dòng)輪，齒輪5為從動(dòng)輪。
圖4.1 加重式機(jī)械加載器結(jié)構(gòu)原理圖
加重式機(jī)械加載器的特點(diǎn)
加重式機(jī)械加載器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作方便可靠，但是由于其加載裝置裸露在外，容易受外界環(huán)境的干擾，抗干擾能力不強(qiáng)。
方案二：螺旋滾珠式機(jī)械加載器
結(jié)構(gòu)原理
螺旋滾珠式機(jī)械加載器結(jié)構(gòu)原理如圖所示。其實(shí)現(xiàn)加載的過(guò)程如圖4.2：旋轉(zhuǎn)加載螺旋（2）使其作軸向移動(dòng)，通過(guò)滾動(dòng)軸承及橫鍵（3），拉桿（4），推(或拉)動(dòng)套筒（6）也作軸向移動(dòng)。由于套筒兩端裝有兩圈鋼珠，鋼珠的一半嵌在套筒內(nèi)，與套筒在圓周上及軸向均不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鋼珠的另一半又相應(yīng)的嵌在左右螺旋槽輪（5，7）的螺旋槽中，（槽的截面為半圓形），套筒（6）的軸向移動(dòng)通過(guò)兩端的鋼珠，迫使左右螺旋槽輪（5，7）作反向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器（1，8），使圖中的a,a’齒輪反向旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)與之嚙合的b,b’齒輪，使聯(lián)接b,b’齒輪的扭力軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，這種彈性變形的恢復(fù)力使兩對(duì)齒輪a,b和a’,b’齒面受壓，達(dá)到增加齒面載荷的目的。
與加載螺旋（2）相連的滾珠軸承外圈是不旋轉(zhuǎn)的，而內(nèi)圈，橫鍵（3），拉桿（4），套筒（6），左右螺旋槽輪（5，7）等部件都是在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)的，也即加載螺旋（2）的運(yùn)動(dòng)與試驗(yàn)臺(tái)是否處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此，可以實(shí)現(xiàn)在空載啟動(dòng)，在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下改變載荷。加載螺旋（2）可以手動(dòng)控制，也可以用渦輪蝸桿機(jī)動(dòng)控制（圖中未畫(huà)出）。
加載螺旋（2）正反向旋轉(zhuǎn)，使套筒（6）可以左右移動(dòng)，從而迫使左右螺旋槽輪（5，7）改變方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)齒輪正反方向被加上載荷。如圖所示，套筒（6）移動(dòng)的方向不同，也即使齒輪所受載荷的方向亦不同。
1.，8——聯(lián)軸器
2——加載器
3——橫鍵
4——拉桿 5，7——左右螺旋槽輪 6——套筒
圖4.2 螺旋滾珠式機(jī)械加載器結(jié)構(gòu)圖
由圖中可以看出，當(dāng)套筒（6）使兩圈鋼珠原始位置在左右螺旋槽輪（5，7）的中間位置時(shí)，左右移動(dòng)套筒，可使被試齒輪正反方向加上載荷。若套筒（6）使兩圈鋼珠的原始位置在左右螺旋槽輪（5，7）的一端（最左或最右），則套筒（6）向另一端（向右或向左）移動(dòng)的距離將加大一倍，就可使被試齒輪在一個(gè)方向上加上兩倍于雙向加載時(shí)的載荷，即如果加載器設(shè)計(jì)為正反向最大扭距為1000N.M時(shí)，若作為單向加載用，則可達(dá)到2000N.M，使加載器的使用范圍擴(kuò)大。
螺旋滾珠式機(jī)械加載器的特點(diǎn)
螺旋滾珠式機(jī)械加載器除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，操作方便可靠，封閉式的加載裝置防干擾能力強(qiáng)。最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)逐漸改變載荷的大小和方向，更能真實(shí)地反映生產(chǎn)實(shí)際。
方案的對(duì)比及確定
綜上所述：螺旋滾珠式機(jī)械加載器相對(duì)于加重式機(jī)械加載器的封閉性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求，因此，選擇方案二來(lái)完成本設(shè)計(jì)。
第五章 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
一 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知的參數(shù)電動(dòng)機(jī)功率P=4KW最高轉(zhuǎn)速n=1000r/min。
選用直齒圓柱之論傳動(dòng)
1.材料的選擇. 由實(shí)驗(yàn)臺(tái)的要求可以知道,兩個(gè)齒輪箱完全一樣,因此所設(shè)計(jì)的次輪完全一樣,取材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，齒數(shù)選擇=71。試驗(yàn)臺(tái)為一般工作機(jī)器，速度高，故選用七級(jí)精度。
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行計(jì)算,即
2.1 確定公式中的參數(shù)
(1)選擇載荷系數(shù)1.3
(2)計(jì)算齒輪的轉(zhuǎn)矩=9550*p/n=38200Nmm
(3) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7選取齒輪寬度系數(shù)得=0.2
(4)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6查得材料彈性系數(shù) =189.8MPa
(5)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21d查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550MPa
(6)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N=60njLh=6010001(2830015) =4.32
(7)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19差得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1 = KHN2 =0.93
(8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效率為1%,安全系S=1,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式(10-12)
= =0.93550=511.5MPa
2.2 計(jì)算
(1)計(jì)算齒輪分度圓直徑
dt≧2.323Kt·T1?du±1u(ZEσH)2=2.3231.3*3.82*1040.21+11(189.8511.5)2=94.87mm
(2)計(jì)算圓周速度v
v==π*94.87*100060*1000=4.97m/s
(3)計(jì)算齒寬b
b==0.294.87=18.974mm
(4)計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h
模數(shù)m==94.87/71=1.34
齒高h(yuǎn)=2.25m=2.25*1.34=3
b/h=18.974/3=6.32
(5)計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=4.97m/s,七級(jí)精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)=1.10
直齒輪,假設(shè)/b<100N/mm.由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-3查得
==1.2;
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-2C查得使用系數(shù)=1;
由表10-.4查得7級(jí)精度.齒輪相對(duì)支撐非對(duì)稱布置時(shí)
=1.12+0.18(1+0.6)+0.23×18.974=1.13
由b/h=18.974,= 1.13查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-13得 =1.1
所以K==1.1*1*1.2*1.1=1.452
(6)按實(shí)際載荷系數(shù)校正所計(jì)算的分度圓直徑,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-10a得
=d1t31.452/1.3=98.4
(7)計(jì)算模數(shù)m=d1/Z1=1.39
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
3.1 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式 10-5得
m≥32KT1?dZ2YFaYSaσF
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-28c 查的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-18查的彎曲壽命系數(shù)=0.88
(2)c計(jì)算彎曲許用應(yīng)力
(3)取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式10-12得
===238.86MPa
(4)計(jì)算載荷系數(shù)
K==1.1*1*1.2*1.1=1.452
(5)查取齒形系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》10-5可查得 =2.24
(6)查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》10-5可查得 =1.75
(2)計(jì)算
= =0.01641
3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算
m≥32KT1?dZ2YFaYSaσF=1.217mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果, 由齒面接觸強(qiáng)度的模數(shù)m大于齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù).由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于齒根彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力,而齒面接觸強(qiáng)度所決定的承載能力,僅于齒輪直徑(即模數(shù)與齒數(shù)的乘積)有關(guān),根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的尺寸要求取標(biāo)準(zhǔn)值m=3。
4幾何尺寸計(jì)算
(1) d=mz=371=213mm
(2)中心矩a=d=mz=213mm 圓整為210mm
(3)齒寬 b=?dd1=0.2210=42
人為加寬5到10 則齒寬b=50
5驗(yàn)算
= =358.69N
則 ==7.1738〈 100N/min
因此，齒輪的參數(shù)符合條件。
6齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
取 HAX=1
CX=0.25
X=0
則 HA=hax*m=1*3=3
HF=(hax+cx)m=1.25*3=3.75
D=MZ=213
DA=D+2*HA=213+2*3=219
DF=D-2*HF=205.5
由于分度圓直徑較大，故采用四孔板式結(jié)構(gòu)。齒輪簡(jiǎn)圖如下：
圖5.1 齒輪結(jié)構(gòu)圖
二 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知軸的轉(zhuǎn)速為1000r/min，軸的功率為4KW,于是能得到軸的轉(zhuǎn)矩為
T=9.55*1061000=38200Nmm
1取材
選取軸的材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)處理, 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3查得
Ao的范圍是103~126，取Ao=112
2.按許用扭應(yīng)力初步估算軸徑
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-2知
有
T---加載器的扭矩
n---軸的轉(zhuǎn)速
所以=112341000=17.78mm
而輸出軸的最小直徑安裝在聯(lián)軸器上，所以取輸出軸的最小直徑為38mm。
3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 擬定軸上零件的裝配方案，如圖5.2所示：
圖5.2 軸上零件的裝配方案
3.2 根據(jù)軸向定位要求，確定軸各段直徑和 長(zhǎng)度
（1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ，Ⅷ—Ⅸ軸段的左右端需制定軸肩，故?、颉?，Ⅶ—Ⅷ軸段的直徑為42mm。半軸器與軸配合的孔長(zhǎng)度為80mm,為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上，而不壓在軸的斷面，故這段長(zhǎng)度應(yīng)略短些。取LⅠ—Ⅱ=LⅧ—Ⅸ=70mm。
（2）初步選擇深溝球軸承
因?yàn)榇溯S上安裝的是圓柱直齒輪，只有徑向力而無(wú)軸向力的作用，軸轉(zhuǎn)速高達(dá)1000r/min，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)軸段直徑，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取滾動(dòng)軸承型號(hào)6213，dⅢ—Ⅳ=dⅦ—Ⅷ=65mm，兩端軸承采用軸承端蓋和套筒進(jìn)行軸向定位。
（3）取安裝齒輪處的軸段Ⅴ—Ⅵ直徑為dⅤ—Ⅵ=75mm，已知齒輪輪寬為50mm，為了使套筒斷面可靠的壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪寬，故取LⅤ—Ⅵ=48.齒輪左端采用軸肩定位，軸肩高度h＞0.07d,取h=7.5mm,則軸環(huán)處直徑dⅣ—Ⅴ=90mm，軸環(huán)寬度b=1.4h，取LⅣ—Ⅴ=8mm。
（4）取齒輪距箱體內(nèi)壁的距離為26mm，為了方便裝配，軸承一端應(yīng)該凸出軸段，取凸出1mm，則LⅢ—Ⅳ=LⅥ—Ⅶ=26+1+23=50mm。
（5）軸承端蓋的總長(zhǎng)度為20mm，墊圈的寬度為5mm,取軸承端蓋與半聯(lián)軸器端面的距離為5mm，故LⅡ—Ⅲ=LⅦ—Ⅷ=30mm。至此已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)度。
3.2 軸上零件的周向定位
齒輪，半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。由手冊(cè) 查得齒輪處鍵的尺寸為b*h*l=10mm*,8mm*36mm(GBT1906-2003)，同時(shí)為了出輪與軸有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪與軸的配合為?75H7/K6。同樣半聯(lián)軸器與軸的連接，采用平鍵為10mm*8mm*56mm(GBT1906-2003)。半聯(lián)軸器與軸的配合為?45m6。滾動(dòng)軸承與軸的軸向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為K6。
3.4 確定軸上圓角和倒角尺寸
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-2取軸端倒角為C2，各軸肩處的圓角半徑見(jiàn)圖（軸〈2〉）。
3.5 求軸上的載荷
已知齒輪分度圓直徑為213mm
因?yàn)辇X輪為標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪，所以αn=20°
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3得
Fr=Fttanα=130.55N
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖a。
因?yàn)門=38200Nmm，取軸承的效率為0.98，則齒輪處傳遞的功率為P2=4*0.98=3.92KW，則可計(jì)算出齒輪處傳遞的轉(zhuǎn)矩T2=9550000*3.92/1000=37436Nmm。又知齒輪的分度圓直徑為213mm，則可計(jì)算出齒輪處的切向力為Ft=2T/R=2*37436/213=351.5N，徑向力Fr=Ft*tan20°=127.94N。
在V平面內(nèi)進(jìn)行分析，其圖如圖b，可計(jì)算出Fv1=166.5，F(xiàn)v2=185，其彎矩如圖c。
在H平面內(nèi)進(jìn)行分析，其圖如圖d，可計(jì)算出Fh1=60.6，F(xiàn)h2=67.34，其彎矩如圖e。
將V平面和H平面合成，其總彎矩如圖f。其轉(zhuǎn)矩如圖g。
M=MH2+MV2
經(jīng)計(jì)算總彎矩MH= Fh1*L1=4242 Nmm
MV= Fv1*L1=11655 Nmm
得M=12402.97 Nmm
3.6 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上最大彎矩和扭矩的截面（即裝齒輪軸段的截面）的強(qiáng)度。取α=0.6
軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式15-5，
即
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-1查得[σ-1]為60
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-4可知W取0.1d3
則 σca=M2+(0.6T)20.1d3=0.62 MPa60
圖5.3 彎扭合成應(yīng)力圖
三 滾動(dòng)軸承的選擇與壽命計(jì)算
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)載荷方向知,受徑向載荷,所以可以選擇深溝球軸承,初步選擇滾動(dòng)軸承:6213 對(duì)于具有基本額定動(dòng)載荷C的軸承，當(dāng)它所受的當(dāng)量動(dòng)載荷為P時(shí)，其壽命計(jì)算公式為
Lh=10660n(CP)ε
式中：的單位為
--是基本額定動(dòng)載荷，單位為可KN,取C=44KN
--為指數(shù)，對(duì)于滾子軸承，對(duì)于球軸承，
--是軸的轉(zhuǎn)速，=1000
--是當(dāng)量動(dòng)載荷,
單位為,式中是軸向載荷，是徑向載荷。
其中的徑向載荷即為由外界作用到軸上的徑向力在各軸承上的徑向載荷；但其中的軸向載荷并不完全由外界的軸向作用力產(chǎn)生，而是應(yīng)該根據(jù)整個(gè)軸向載荷（包括因徑向載荷產(chǎn)生的派生軸向力）之間的平衡條件得出,而由題意知深溝球軸承只承受徑向載荷X=1，Y=0,即1367.02N。
實(shí)際中,在許多支撐中還會(huì)出現(xiàn)一些附加載荷,如沖擊力,不平衡作用力,慣性力,以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生的附加力等等,因此可對(duì)當(dāng)量動(dòng)載荷乘勝一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系數(shù),有《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-6查得=1.2所以
P==1640.424N=1.64KN
=321866h=36.7年
故所選軸承能滿足壽命要求。
四 聯(lián)軸器的選擇
彈性聯(lián)軸器
1.概述
彈性聯(lián)軸器除了能補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移，降低對(duì)聯(lián)軸器安裝的精確對(duì)中要求外，更重要的是能夠緩和沖擊，改變軸系的自振頻率，避免發(fā)生嚴(yán)重的危險(xiǎn)性振動(dòng)。
彈性聯(lián)軸器利用彈性元件的彈性變形來(lái)補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移，因而可動(dòng)元件之間的間隙小，特別適宜于需要經(jīng)常起動(dòng)或逆轉(zhuǎn)的傳動(dòng)。
對(duì)彈性聯(lián)軸器的要求有：
（1）.強(qiáng)度高，承載能力大，在有可能發(fā)生扭振或存在瞬時(shí)尖峰載荷的場(chǎng)合，要求聯(lián)軸器的許用瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為許用長(zhǎng)期轉(zhuǎn)矩的三倍以上。
（2）.彈性高，阻尼大，具有足夠的減震能力，把沖擊和振動(dòng)產(chǎn)生的振幅降低到允許的范圍以內(nèi)。
（3）具有足夠的補(bǔ)償能力，滿足安裝和工作時(shí)兩軸發(fā)生相對(duì)位移的需要。
（4）工作可靠，性能穩(wěn)定；
（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，裝拆方便，維護(hù)容易，價(jià)格低廉。
2. 彈性柱銷聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)
根據(jù)封閉式齒輪試驗(yàn)臺(tái)各方面的要求,以及彈性柱銷聯(lián)軸器的特點(diǎn),在封閉式齒輪試驗(yàn)臺(tái)中所用的聯(lián)軸器均使用彈性柱銷聯(lián)軸器。
彈性柱銷聯(lián)軸器利用若干非金屬材料制成的柱銷置于兩半聯(lián)軸器凸緣上的孔中，以實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。由于柱銷與柱銷孔為間隙配合，且柱銷富有彈性，因而獲得補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移和緩沖性能。為了改善柱銷與柱銷孔的接觸條件和補(bǔ)償性能，柱銷的一端制成鼓型。
柱銷的材料目前主要用MC尼龍6制成，其抗拉強(qiáng)度,其抗彎強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度。
因?yàn)閺碾妱?dòng)機(jī)輸出的軸直徑為38mm的軸，傳感器為標(biāo)準(zhǔn)件，選用的是小徑為38mm的，因此彈性柱銷聯(lián)軸器選用HL3型的，許用轉(zhuǎn)矩為630N.m的，軸孔直徑30~48。
第六章 傳感器的選擇
1 概述
信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來(lái)越明顯。
最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口 。 進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程，首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到微處理器。
德國(guó)和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測(cè)量信號(hào)的敏感元件部分和初始處理信號(hào)的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號(hào)成形器的機(jī)械動(dòng)力設(shè)備的扭矩變化是其運(yùn)行狀況的重要信息, 扭矩測(cè)試是各種機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、質(zhì)量檢驗(yàn)、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測(cè)和故障診斷等必不可少的內(nèi)容。扭矩傳感器已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能控制上。目前,國(guó)內(nèi)外研制和開(kāi)發(fā)的扭矩傳感器種類很多,從原理上講,主要分為應(yīng)變型、磁彈性型、轉(zhuǎn)角型和其他型等四種。
傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源。 無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)能傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。 各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測(cè)量對(duì)象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加，其包含的處理過(guò)程日益完善。
與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能優(yōu)越，例如人類沒(méi)有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。
對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對(duì)所有類型傳感器都適用的，也有只對(duì)特定類型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是： 1)高靈敏度 2)抗干擾的穩(wěn)定性(對(duì)噪聲不敏感) 3)線性 容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡(jiǎn)易) 4)高精度 5)高可靠性 6)無(wú)遲滯性 7)工作壽命長(zhǎng)(耐用性) 8)可重復(fù)性 9)抗老化 10)高響應(yīng)速率 11)抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 12)選擇性13)安全性(傳感器應(yīng)是無(wú)污染的) 14)互換性15)低成本 寬測(cè)量范圍16)小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度寬工作溫度范圍 。
2 傳感器的分類
可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。
根據(jù)傳感器工作原理
可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類,傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。 常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理見(jiàn)下表。
按照其用途
傳感器可分類為： 壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器 液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器 速度傳感器 熱敏傳感器 加速度傳感器 射線輻射傳感器 振動(dòng)傳感器 濕敏傳感器 磁敏傳感器氣敏傳感器 真空度傳感器 生物傳感器等。
以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：
模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。
數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。
數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。
開(kāi)關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。
在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：
(1)按照其所用材料的類別分：金屬 聚合物 陶瓷 混合物
(2)按材料的物理性質(zhì)分：導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體 磁性材料
(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)尉ГS多晶非晶材料
與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向：
(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。
(2)探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。 (3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。
現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為： 集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器 陶瓷傳感集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。
薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。
厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。
完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。
每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。
扭矩傳感器的選用
3傳感器的選用及其特性
試驗(yàn)臺(tái)使用的傳感器是北京金順達(dá)源儀器有限公司生產(chǎn)的sty扭矩傳感器,與該公司生產(chǎn)的扭矩測(cè)量卡,計(jì)算機(jī)配套使用,這是一種性能優(yōu)良,使用方便的扭矩傳感器。應(yīng)變傳感和非接觸信號(hào)傳遞技術(shù)的成熟為sty系列扭矩傳感器提供了可能和保證.從而sty系列扭矩傳感器也就順理成章地解決了在扭矩測(cè)量中的問(wèn)題:
a.扭矩測(cè)量中由于轉(zhuǎn)速變化引起的扭矩誤差問(wèn)題:因?yàn)閟ty系列扭矩傳感器采用了應(yīng)變技術(shù)傳感扭矩,所以它不存在扭矩測(cè)量中由于轉(zhuǎn)速變化引起的扭矩誤差即轉(zhuǎn)速特性誤差問(wèn)題.
b.低轉(zhuǎn)速乃至靜態(tài)時(shí)扭矩測(cè)量問(wèn)題:sty扭矩傳感器既可以傳感高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩信號(hào),也同樣可以傳遞低速乃至靜態(tài)時(shí)的扭矩信號(hào)而無(wú)需附加裝置.
c. 正反轉(zhuǎn)扭矩零點(diǎn)問(wèn)題:sty扭矩傳感器正反轉(zhuǎn)扭矩零點(diǎn)與轉(zhuǎn)向無(wú)關(guān),兩個(gè)零點(diǎn)完全重合,可以連續(xù)正反轉(zhuǎn)工作而無(wú)需反復(fù)調(diào)零.
d .高超獨(dú)特的溫度補(bǔ)償技術(shù)使得其具有0.01％/℃以上的溫度穩(wěn)定度，從而使得該傳感器的溫漂性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于同類型和其他類型扭矩傳感器。
e.扭矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題:sty扭矩傳感器的扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)完全可以在1ms以上(中心頻率10KC).
f. 由于鎖相環(huán)和光電編碼器的應(yīng)用，極低轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)也能準(zhǔn)確地得到測(cè)量。
g.體積小，重量輕，易于安裝使用.
STY扭矩傳感器的基本原理
在 sty系列扭矩傳感器的軸上安裝有兩組旋轉(zhuǎn)變壓器，其中一組傳遞電源，另一組傳遞扭矩信號(hào).旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變橋檢測(cè)到的mＶ級(jí)扭矩信號(hào)被高精度儀表放大器放大后,再經(jīng)過(guò)Ｖ/Ｆ轉(zhuǎn)換器變換成與扭矩成正比的方波信號(hào)。通過(guò)軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器,非接觸地傳遞到軸外接受器上，從而輸出同扭矩成正比的方波頻率的數(shù)字信號(hào)。圖6.1 TY扭矩傳感器原理圖框
sty系列扭矩傳感器可以按要求,輸出頻率信號(hào),或者標(biāo)準(zhǔn)0－5V或4-20mA的模擬信號(hào),或者485/CAN 等數(shù)字接口的方式輸出扭矩信號(hào).也可以根據(jù)需要選擇配套出廠的sty-100型液晶顯示的二次儀表或者sty-100型扭矩測(cè)量卡.
如果需要測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，只要根據(jù)用戶的需要在本系列扭矩傳感器中安裝上專用測(cè)速傳感器或者光電編碼器,特別要提的是附加安裝有編碼器后，對(duì)于那些低轉(zhuǎn)速和需要檢測(cè)正反轉(zhuǎn)的用戶就非常理想了(可以檢測(cè)出正反轉(zhuǎn)向)。
STY系列扭矩傳感器技術(shù)性能指標(biāo)
1. 工作范圍 ： 0.1Ｎ·m-5萬(wàn)N·m（分若干檔）
2. 扭矩測(cè)量精度： ±0.1%，±0.2%（F·S）
3.環(huán)境溫度 ： 0 -50
4. 響 應(yīng) ： 100 μs
5、溫度穩(wěn)定度： 0.01％/
6. 輸 出 信 號(hào) :
頻率輸出：
零 扭 矩: 10 KHZ左右
正向滿量程: 15 KHZ 左右
反向滿量程: 5 KHZ左右
0-12v 負(fù)載電流<10mA
4－20mA 電流輸出（聲明定制訂貨方式）：
4mA 對(duì)應(yīng)負(fù)滿量程扭矩
12mA對(duì)應(yīng)負(fù)零扭矩
20mA 對(duì)應(yīng)正滿量程扭矩
7、過(guò)載能力：
在120％額定扭矩范圍內(nèi)保精度測(cè)量。
瞬時(shí)沖擊不高于300％額定扭矩，不損壞傳感器。
sty扭矩傳感器安裝使用
1、 將傳感器輸出信號(hào)與sty扭矩儀表或sty扭矩卡連接。扭矩傳感器上五芯高頻電纜信號(hào)插座出腳為 。
圖6.2 傳感器安裝示意圖
(1)0V. (2)+15V. (3)-15V. (4)轉(zhuǎn)速信號(hào) ．(5)扭矩信號(hào).
2、使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動(dòng)力源和負(fù)載之間。建議用撓性、彈性聯(lián)軸器，以保證同心度要求.安裝完成后，可以板動(dòng)主軸在不同的角度扭矩零點(diǎn)變化在0.1%-0.2%之內(nèi)，否則就要考慮重新安裝。
3、將本扭矩傳感器的基座與設(shè)備的基座盡可能采用柔性固定(可以擺動(dòng)),避免產(chǎn)生彎矩引起測(cè)量誤差甚至損壞傳感器。實(shí)際上因?yàn)榕ぞ貍鞲衅鞯耐鈿げ⒉粎⑴c扭矩的傳感，再則TY扭矩傳感器體積小、重量輕，因此傳感器的底座是否完全牢固固定并不重要。
4、TY系列扭矩傳感器可以和我公司的TYY-100扭矩轉(zhuǎn)速功率儀或TYK型扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量卡配套使用。對(duì)于那些需要對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速高速采集（20ms以上）的用戶應(yīng)該定購(gòu)高速采集卡。
圖6.3 TY系列扭矩傳感器示意圖
5、傳感器外形尺寸：
表6.1 傳感器外形規(guī)格尺寸表
N·m
φD
φd
L
E
A
H
h
B
1-50
78
18
188
31
126
119
54
73
100
78
18
188
31
126
119
54
73
200
86
28
209
41
127
127
58
73
500
96
38
238
55
128
142
68
73
1000
108
48
270
70
130
152
72
69
2000
118
58
311
90
131
164
79
69
5000
144
78
347
105
137
188
90
69
10000
158
98
389
120
149
215
110
80
50000
N·m
G
F
鍵
轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
齒數(shù)
備 注
1-50
7
61
6x6x25
6000
60
單 鍵
100
7
61
6x6x25
6000
60
單 鍵
200
7
61
8x7x35
5000
60
單 鍵
500
7
61
10x8x50
4000
60
雙 鍵
1000
11
85
14x9x65
3500
60
雙 鍵
2000
11
85
16x10x85
3000
120
雙 鍵
5000
11
85
20x14x100
2500
120
雙 鍵
10000
13
110
28x16x115
2000
120
雙 鍵
50000
4 使用特別注意事項(xiàng)：
1、接線必須完全正確;特別是±15V電源不可接錯(cuò)，否則將會(huì)燒壞有關(guān)電路。
2、安裝傳感器時(shí)嚴(yán)格禁止敲打。特別是連軸結(jié)與傳感器應(yīng)該松配合，絕對(duì)禁止敲打，否則將會(huì)毀壞傳感器。
3、聯(lián)軸器建議采用擾性聯(lián)軸器，50N.m以下得傳感器可以采用尼龍繩連接，以避免由于連接同芯度不好帶來(lái)得彎矩引起測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)甚至損壞傳感器。小扭矩傳感器的連軸結(jié)可以采用鋁材料，以減輕連軸結(jié)重量。
4、±15V的范圍不得低于± 14.8V 、不得高于± 15.5V ;
5、信號(hào)線輸出不得對(duì)地和電源短路,輸出電流不大于10mA;
6、在強(qiáng)干擾的環(huán)境中使用扭矩傳感器，特別是在與變頻電機(jī)連接使用的情況下，要采取必要的防干擾措施：實(shí)驗(yàn)室要有按照電工標(biāo)準(zhǔn)安裝的地（絕不可以中代地）；扭矩傳感器及其儀表和傳感器、變頻器等都必須可靠地一點(diǎn)接地；將扭矩傳感器與變頻電機(jī)進(jìn)行電磁隔離有時(shí)會(huì)有意想不到的效果。
總結(jié)及致謝
半年的光陰用一句總結(jié)：時(shí)間飛逝,感受頗多。剛開(kāi)始拿到設(shè)計(jì)課題的時(shí)候無(wú)從下手,后來(lái)通過(guò)自己查閱資料，老師的細(xì)心講解,慢慢的對(duì)課題有了一些了解. CAD是大一時(shí)候?qū)W的,說(shuō)實(shí)話很多東西都記不是那么清楚了.還好有一幫熱心的朋友，通過(guò)他們的幫助，我很快熟練的掌握了CAD。
期間我學(xué)到很多東西,利用各種圖書(shū)資源,查手冊(cè),繪圖，溝通等方面的能力都得到了提高。這種充實(shí)的生活我恨享受。
在整個(gè)過(guò)程中，非常感謝我的導(dǎo)師XXXXXXX副教授,這次設(shè)計(jì)的研究工作一直是在她的悉心指導(dǎo)下進(jìn)行的，從整體方案的選擇到畫(huà)圖，然后到修改再到說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)的每一步，自始自終得到了趙老師的指導(dǎo)和幫助，為此她付出了大量的心血和精力。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富的學(xué)識(shí)和對(duì)學(xué)科發(fā)展的獨(dú)到見(jiàn)解讓我深感敬佩。感謝！
值此畢業(yè)之際，特向XXXXXXX老師及所有幫助過(guò)我的人朋友表示最誠(chéng)摯的謝意! 感謝你們！
參考文獻(xiàn)
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