齿轮动态传动误差测量方法及测量装置与流程

本发明涉及一种齿轮动态传动误差的测量方法及齿轮动态传动误差测量装置，属于齿轮副传动精度测量技术、精密测试技术与仪器、机械传动技术领域。

背景技术：

广泛应用于汽车、船舶、风电等传动系统的齿轮，是现代工业、交通、能源动力传输中一种重要的传动件。由于传动平稳、传动比精确、效率高和寿命长等优点，齿轮传动在动力传输中仍扮演着重要角色，是一种应用最广的机械传动。由于受到齿轮加工技术和检测技术的制约，我国虽然是齿轮制造和使用的大国但不是齿轮制造强国。造成这局面的重要原因之一就是无法对生产的齿轮的质量做出全面、客观、正确的评价，从而用于指导加工生产。

齿轮作为现代汽车工业的重要传动部件，是汽车运行过程中的主要振源和噪声源之一，它的动力学行为和工作性能对整车有着重要的影响。传动误差影响着齿轮传动过程中的速度和力的变化，是齿轮振动和噪声的主要来源，是齿轮系统振动和噪声的主要激励源，已经被人们普遍的接受和认为。齿轮的振动还影响着内部齿轮的失效形式，例如：齿轮折断、齿面点蚀和剥落、齿面胶合和齿根裂纹等，而且还可以引起汽车其他系统的共振，比如制动系统和转向系统，从而影响到了这些系统的可靠性和整车的安全性。

衡量齿轮啮合质量的重要指标是齿轮传动精度，而控制齿轮质量最重要的手段之一是齿轮传动精度的检测。工业界的很多检测与实验已证实：振动、噪声和传动误差有着直接的联系，如果不进行传动误差测试，就很难对振动和噪声进行研究和控制。而且目前的传动误差测试系统通常在低速、空载下进行，把传动系统作为一个理想的，没有振动的系统进行测试。而在高速工况下，目前的传动误差测试系统还不能达到准确测试要求。大部分检测设备只考虑了空载情况下的静态误差，忽略了负载条件下的动态误差，无法真实模拟齿轮间实际工作状态，导致齿轮传动精度测试的真实性降低。

针对现有技术存在的问题，提供一种齿轮动态传动误差测量方法及测量装置，该测量装置能够真实模拟齿轮间实际工作状态，在负载条件下进行动态传动误差的测量，提高了齿轮传动精度测试的真实性和可靠性。当磁滞制动器动力扭矩为零时，还能满足空载情况下齿轮间静态传动误差的测量。

技术实现要素：

为了模拟齿轮实际工作系统(环境)状态，在负载条件下实现齿轮动态传动误差的测量，本发明提供了一种齿轮动态传动误差测量方法及测量装置，可以模拟齿轮实际工作系统(环境)状态，在负载条件下进行齿轮动态传动误差的测量。

齿轮动态传动误差测量方法，在模拟的齿轮实际工作系统(环境)下，考虑齿轮工作负载和润滑条件，采用非接式的高精度圆光栅获取主、被齿轮的角位置的信息，通过数字比相方法进行数据处理，获得齿轮的动态传动误差。齿轮动态传动误差测量方法包括：①采用安装在动态传动误差测量装置主轴前端的传感器(至少一个)，利用实验模态分析方法，获得动态传动误差测量装置的固有频率及其各阶谐波频率；②通过改变动态传动误差测量装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统(环境)的模态频率，使动态传动误差的测量在模拟的实际工作系统(环境)状态下进行；③通过工况调整系统，设定合适的测量转速、负载及润滑条件，避免共振和润滑对测量结果的干扰；④采用圆光栅角度传感器获取主、被动齿轮的角位置信息，利用数字比相法及数字信号处理技术，依据传动误差计算原理获得模拟的实际工作系统(环境)状态的齿轮动态传动误差。

齿轮动态传动误差测量装置结构如图1所示，该测量装置由齿轮装卡装置(7)、精密回转轴系(8)、精密移动平台(18)、电机(31)、联轴器(32)、扭矩传感器(33)和磁粉制动器(34)组成。电机(31)在端面止口的定位导向作用，通过止口圆环面与精密移动平台(8)上的电机安装孔配合，采用螺钉连接的方式，安装在精密移动平台上。电机(31)的动力经联轴器(32)传递至精密回转轴系(8)，通过螺栓驱动胀紧的方式将联轴器(32)一端与电机(31)相连，一端与精密回转轴系(8)相连。轴空心式的磁粉制动器(34)与扭矩传感器(33)的输出轴直连，而磁粉制动器(34)通过止口短锥导向，端面配合螺钉压紧的方式固连在精密移动平台(18)上。负载经扭矩传感器(33)法兰输出，利用联轴器(32)与精密回转轴系(8)相连，联轴器(32)与精密回转轴系的固连方式采用胀紧原理。利用精密回转轴系(8)前端的短锥与齿轮装卡装置(7)配合，采用端面贴合的方式保证安装精度，采用内六角螺钉连接方法将齿轮装卡装置(7)与精密回转轴系(8)固连。电机(31)为同步扭矩电机，可以精确控制扭矩的输出，与扭矩传感器(33)配合，构成了扭矩闭环，保证测量过程中负载的稳定，避免负载波动影响检测结果的精度。电机(31)通过驱动器与运动控制单元组成运动控制系统，通过扭矩闭环、角位置闭环和速度闭环的方式，精准控制测量过程中的转速和扭矩，并根据测量工况实时调节润滑条件。进行转速调节，可以满足任意检测要求。

齿轮动态传动误差测量装置的精密移动平台(18)的结构如图2所示，精密移动平台(18)由主动端导轨锁(19)、主动端导轨(20)、测量装置底座(21)、主动端丝杠座(22)、主动端丝杠(23)、主动端箱体(24)、长光栅(25)、被动端箱体(26)、被动端导轨锁(27)、被动端丝杠(28)、被动端丝杠座(29)、手轮(30)和被动端导轨(35)组成。主动端导轨(20)通过螺钉固定与导轨压块压紧的方式安装在测量装置底座(21)y轴方向；被动端导轨(35)通过螺钉固定与导轨压块压紧的方式安装在测量装置底座(21)x轴方向。主动端箱体(24)通过导轨滑块安装在主动端导轨(20)上，主动端导轨锁(19)通过螺钉固定在主动端箱体(24)上。当主动端箱体(24)沿主动端导轨(20)移动至指定位置时，通过主动端导轨锁(19)锁定主动端箱体(24)的移动，保证测量过程中心距变动的稳定性，避免中心距随机变化带来的干扰。主动端丝杠座(22)通过螺钉固定在测量装置底座(21)y方向，主动端丝杠(23)直接安装在主动端丝杠座(22)上。被动端箱体(26)通过导轨滑块安装在被动端导轨(35)上，主动端导轨锁(19)通过螺钉固定在被动端箱体(26)上。当被动端箱体(26)沿被动端导轨(35)移动至指定位置时，通过被动端导轨锁(27)锁定被动端箱体(26)的移动，避免测量过程中沿齿宽方向的随机变化带来的干扰。被动端丝杠座(29)通过螺钉固定在测量装置底座(21)x方向，被动端丝杠(28)直接安装在主动端丝杠座(22)上,手轮(30)安装在被动端丝杠(28)的末端。长光栅(25)通过螺钉固定在测量装置底座(21)上，与主动端导轨(20)保持平行，监测中心距的变化。精密移动平台既能够沿x方向移动沿y方向移动，保证测量过程中满足不同规格齿轮在距中心和齿轮方面的要求。

齿轮动态传动误差测量装置的精密回转轴系(8)的结构如图3所示，精密回转轴系(8)由主轴(9)、轴承盖(10)、锁紧螺母(11)、后轴承(12)、前轴承(36)、主轴外筒(13)、轴承内衬(14)、轴承外衬(15)、圆光栅(16)和主轴端盖(17)组成。主轴(9)及轴系所有件都安装在主轴外筒(13)的内部，形成一个完成独立的轴系单元。主轴(9)的最前端通过螺钉紧固的方式装有圆光栅(16)，主轴端盖(17)通过螺钉紧固的方式安装在主轴外筒(13)的前端，防止外部灰尘、油污等侵入轴系，干扰圆光栅(16)的正常工作。前轴承(36)内圈的前端靠在主轴(9)的前端凸台上，外圈的前端靠在主轴外筒(13)的前端凸台上，轴承内衬(14)和轴承外衬(15)分别抵住前轴承(36)内圈的后端和前轴承(36)外圈的后端。后轴承(12)的内外圈分别抵住轴承内衬(14)和轴承外衬(15)，用锁紧螺母(11)锁住轴承内圈及轴承内衬(14)的窜动，轴承盖(10)通过螺钉从主轴外筒(13)后端压入，锁住轴承外圈及轴承外衬(15)的轴向窜动。

齿轮动态传动误差测量装置的齿轮装卡装置(7)的结构如图4所示，齿轮装卡装置(7)由短锥轴(4)、齿轮胀套(6)和齿轮(5)组成。短锥轴(4)与齿轮(5)通过轴与孔相配合，齿轮(5)安装在短锥轴(4)上，末端通过齿轮胀套(6)胀紧。这种装置的优点在于，当齿轮规格尺寸不一样时不需要重新设计精密轴系而只需重新设计短锥轴(4)，短锥孔的结构方便调整齿轮的安装精度，快速拧紧的齿轮胀套(6)提高了齿轮安装的速度，提高了操作的便利性。

齿轮动态传动误差测量装置的齿轮胀套(6)的结构如图5所示，齿轮胀套(6)由内胀套(1)、外胀套(2)和螺钉(3)组成，外胀套(2)保持在外侧，内胀套(1)从外胀套(2)的末端插入，通过螺钉(3)将内外胀套组成一个整体。该胀套的特点是内外胀套上都刻有微小的槽，充分保证内外胀套的弹性，内胀套(1)与外胀套(2)之间采用锥面配合，当拧紧或松开螺钉时，调节胀套的胀紧量。内外胀套的锥度以及胀套的长度决定胀套的胀紧量，胀紧量越大能承受的扭矩越大。

齿轮动态传动误差测量方法是通过齿轮快速装卡装置安装于齿轮动态传动误差测量装置上，在模拟的实际工作状态下，采用非接式的高精度圆光栅获取主被轴的角位置的信息，通过数字比相方法进行数据处理，获得齿轮副的动态传动误差。其实现方法是：①通过齿轮快速装卡装置将安装于齿轮动态传动误差测量装置上；②采用安装在动态传动误差测量装置主轴前端的传感器(至少一个)，利用实验模态分析方法，获得动态传动误差测量装置的固有频率及其各阶谐波频率；③通过改变动态传动误差测量装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统(环境)的模态频率，使动态传动误差的测量在模拟的真实工况下进行；④通过工况调整系统，设定合适的测量转速及润滑条件，避免共振和润滑对测量结果的干扰；⑤利用圆光栅角度传感器获取主被动轴的角位置的变化，利用数字比相法及数字信号处理技术，依据传动误差计算原理获得模拟真实工况条件下的齿轮动态传动误差。

利用齿轮动态传动误差测量装置，采用齿轮动态传动误差测量方法，测量齿轮动态传动误差的实施方法如下：

1)、齿轮安装，①利用短锥轴(4)的内锥面与精密回转轴系(8)的锥面的配合，通过螺钉调整的方式调整轴系径向跳动与端面跳动，采用千分表检测短锥轴(4)的安装精度，直到轴系跳动精度满足要求；②利用齿轮胀套(6)将齿轮安装于齿轮装卡装置(7)上，通过拧紧或松开螺钉的方式调整胀紧，直到胀紧量满足承载要求；

2)、调整中心距与齿宽方向的距离，利用手轮手轮(30)驱动丝杠，分别调整中心距与齿轮方向的尺寸，利用长光栅检测中心距直至满足测量要求，然后利用主动端导轨锁(19)锁紧主动端和利用被动端导轨锁(27)锁紧被动端，保证测量过程主、被端不会因为负载发生移动，影响测量精度；

3)、利用安装在齿轮动态传动误差测量装置上的传感器(至少一个)，通过模态分析技术获得齿轮动态传动误差测量装置的模态频率。通过改变齿轮动态传动误差测量装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统的模态频率；

4)、开启齿轮动态传动误差测量装置，按照要求输入主、被齿轮参数和运行工况参数；通过工况调整系统，设定合适的测量转速及润滑条件，通过扭矩闭环、角位置闭环和速度闭环的方式，精准控制测量过程中的转速和扭矩，避免共振和润滑对测量结果的干扰；

5)、在数据采集软件中设置采样频率、采样时间、采样方式等相关参数等后，利用圆光栅角度传感器获取主被动轴的角位置的变化信息；

6)、利用数字比相法及数字信号处理技术，依据传动误差计算原理获得模拟真实工况条件下的齿轮动态传动误差并生成测量报告。

目前的传动误差测试系统通常在低速、空载下进行，把传动系统作为一个理想的，没有振动的系统进行测试。大部分检测设备只考虑了空载情况下的静态误差，忽略了负载条件下的动态误差，无法真实模拟齿轮间实际工作状态，导致齿轮传动精度测试的真实性降低。本发明提供一种齿轮动态传动误差测量方法及测量装置，能真实模拟齿轮间实际工作状态，在负载条件下进行动态传动误差的测量，其显著优点在于：

1)工况真实，具备模态频率检测系统和结构频率调整装置，能真实模拟齿轮实际工况，测量结果更加可信真实；

2)齿轮测量的尺寸规格多，测量装置有精密移动平台，可以满足不同规格齿轮的测量要求，能精确控制中心距的调整；

3)负载精准可控，测量过程扭矩闭环控制，能精准控制测量过程的负载状态，避免载荷波动对测量结果的干扰；

4)抗干扰能力强，采用高精度光栅采集角位移信息，避免环境对采样过程的干扰；

5)齿轮装卡快速且精度高，采用精密胀套快速装卡齿轮，保证齿轮安装的精度与快速，满足快速测量的要求

6)精密轴系接口通用，齿轮装卡装置采用短锥面配合，接口通用，精度高且易于制造

7)精密轴系回承载大且回转精度高，采用高精密轴承承载，整个精密回转轴系独立成一个子系统，加工和装配精度可调可控。

附图说明

图1为齿轮动态传动误差测量装置。

图2为测量装置的精密移动平台。

图3为测量装置的精密回转轴系。

图4为测量装置的齿轮装卡装置。

图5为测量装置的齿轮胀套。

图6为齿轮动态传动误差测量流程。

图7为齿轮动态传动误信号处理流程。

图8为齿轮动态传动误差曲线。

图中标记：1-内胀套，2-外胀套，3-螺钉，4-短锥轴，5-齿轮，6-齿轮胀套，7-齿轮装卡装置，8-精密回转轴系，9-主轴，10-轴承盖，11-锁紧螺母，12-后轴承，13-主轴外筒，14-轴承内衬，15-轴承外衬，16-圆光栅，17-主轴端盖，18-精密移动平台，19，导轨锁，20-主动端导轨，21-测量装置底座，22-主动端丝杠座，23-主动端丝杠，24-主动端箱体，25-长光栅，26-被动端箱体，27-被动端导轨锁，28-被动端丝杠，29-被动端丝杠座，30-手轮，31-电机，32-联轴器，33-扭矩传感器，34-磁粉制动器，35-被动端导轨，36-前轴承。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图4所示动态传动误差测量流程，齿轮动态传动误差测量的实施方步骤如下：

1)、齿轮安装，①利用短锥轴(4)的内锥面与精密回转轴系(8)的锥面的配合，通过螺钉调整的方式调整轴系径向跳动与端面跳动，采用千分表检测短锥轴(4)的安装精度，直到轴系跳动精度满足要求；②利用齿轮胀套(6)将齿轮安装于齿轮装卡装置(7)上，通过拧紧或松开螺钉的方式调整胀紧，直到胀紧量满足承载要求；

2)、调整中心距(152.386mm)与齿宽(30mm)方向的距离，利用手轮手轮(30)驱动丝杠，分别调整中心距与齿轮方向的尺寸，利用长光栅检测中心距直至满足测量要求，然后利用主动端导轨锁(19)锁紧主动端和利用被动端导轨锁(27)锁紧被动端，保证测量过程主、被端不会因为负载发生移动，影响测量精度；

3)、利用安装在齿轮动态传动误差测量装置上的传感器(至少一个)，通过模态分析技术获得齿轮动态传动误差测量装置的模态频率。通过改变齿轮动态传动误差测量装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统的模态频率；

4)、开启齿轮动态传动误差测量装置，按照要求输入主、被齿轮参数和运行工况参数；通过工况调整系统，设定合适的测量转速及润滑条件，通过扭矩闭环、角位置闭环和速度闭环的方式，精准控制测量过程中的转速和扭矩，避免共振和润滑对测量结果的干扰；

5)、在数据采集软件中设置采样频率、采样时间、采样方式等相关参数等后，如图7所示的齿轮动态传动误信号处理流程，利用圆光栅角度传感器的双读数头获取主被动轴的角位置的变化信息，光栅信号经信号调理单元DSI处理后被数据采集单元获取；

6)、由于在齿轮动态传动误差的测量过程中，采用一对栅格线数相同的圆光栅，圆光栅输出的脉冲个数代表角度信息。因此，利用数字比相法及数字信号处理技术把传动误差的连续比较过程转换成不同频率的脉冲信号个数的比较过程，设与输入、输出轴同轴安装的圆光栅脉冲当量为P₁，P₂。则第k(k＝1,2,…n,为正整数)次采样时刻的传动误差值为：

其中，分别为第k(k＝1,2,…n)次输入、输出轴圆光栅的输出脉冲个数,i为传动比。

然后依据传动误差计算原理就获得模拟真实工况条件下的齿轮动态传动误差，齿轮动态传动误差曲线如图8所示，同时生成测量报告。