本发明涉及光弹性试验领域，特别地，涉及一种齿轮模型光弹性试验用加载装置。
背景技术：
齿轮是航空发动机和直升机传动系统必不可少的一部分，对啮合过程中的齿轮接触应力和齿根应力的测量是齿轮强度考核的核心内容之一。光弹性试验是一种全局和内部应力测量的试验技术，采用该试验能获取齿轮接触部位的应力分布趋势和应力集中点，因此，人们常常在进行真实试验件的试验前先开展光弹性试验，对齿轮零部件设计结构的合理性进行评估和对计算结果进行验证。光弹性试验中试验加载装置设计的好坏，包括加载装置的几何结构、加载和调节的准确性、可操作性和成本等都直接影响到试验的准确性、效率和成本。
现有的齿轮模型加载装置中，采用砝码施加扭矩，通过底座的移动来控制齿轮中心距，采用刻度盘读取啮合角度大小。现有的真实齿轮试验件的加载机构中，通常采用电机在主动齿轮端施加扭矩载荷，采用相应的检测机构测量采集试验数据，实现对齿轮试验件的接触检测、单齿检测等功能。
现有的齿轮模型加载装置中，(1)齿轮中心距由底座安装间距控制，两轴间相对位置固定性差，载荷较大时易使中心距变化超过误差准许范围；(2)缺乏精细的啮合角度调节装置，无法精确控制啮合角度大小，对高精度齿轮尤其是小模数齿轮进行试验时会存在较大的试验误差；(3)采用砝码在主动端施加扭矩，载荷大小受限制，不能无极调控载荷大小，引入附加力矩大。现有真实齿轮试验件的加载机构中，(1)设计结构没有考虑到光弹性试验对试验件应力条纹的采集，加载过程中无法对受载下齿轮的应力条纹进行实时的记录；(2)结构复杂、安装调试繁琐、价格高昂，使用功能和成本远超过模型试验的需求，不满足光弹性试验对经济性和便捷性的要求。
技术实现要素：
本发明提供了一种齿轮模型光弹性试验用加载装置，以解决现有的模型加载装置存在的齿轮中心距易发生变化导致试验误差大的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种齿轮模型光弹性试验用加载装置，包括安装架，安装架上并排设有第一支座总成和第二支座总成，第一支座总成包括与安装架相连的第一轴承座、转动装设于第一轴承座上的第一安装轴，第一安装轴上固定装设有用于施加扭矩载荷的主动齿轮模型，第二支座总成包括与安装架相连的第二轴承座、穿设于第二轴承座中的第二安装轴、用于限制第二安装轴沿施加在其上的扭矩载荷的方向转动的第二转动件，第二安装轴通过第二转动件装设于第二轴承座中，第二安装轴的外圆上固定装设有与主动齿轮模型啮合设置的被动齿轮模型；第一安装轴和第二安装轴还安装有中心距限位板，中心距限位板用于对主动齿轮模型和被动齿轮模型两者间的中心距进行限位，中心距限位板同时装设于第一安装轴和第二安装轴的外圆上，或者同时装设于第一轴承座和第二轴承座上。
进一步地，中心距限位板呈“u”型，中心距限位板的两块侧板分别装设于第一安装轴和第二安装轴的外圆上。
进一步地，齿轮模型光弹性试验用加载装置还包括角度调节器，角度调节器与第二安装轴相连，角度调节器用于精确调节被动齿轮模型的旋转角，进而精确调节被动齿轮模型和主动齿轮模型两者的啮合角度。
进一步地，角度调节器包括与安装架相连的安装壳体，安装壳体上设有对啮合角度进行粗调的粗调旋钮和进行精调的精调旋钮，以及对角度读取的角度刻度盘；安装壳体内设有两对齿轮副，其中一对齿轮副包括啮合设置的第一齿轮和第二齿轮，另一对齿轮副包括啮合设置的第三齿轮和第四齿轮；第一齿轮的旋转轴与精调旋钮相连，第二齿轮和第三齿轮同轴设置，第四齿轮的旋转轴同时连接粗调旋钮和第二安装轴。
进一步地，第一安装轴连接有用于对其进行扭矩无级加载的加载单元，加载单元连接于安装架上。
进一步地，加载单元包括：载荷施加构件，用于施加大小连续变化的拉力载荷；载荷转接构件，与载荷施加构件相连，用于将载荷施加构件的拉力载荷转换为作用在第一安装轴上的扭矩载荷，载荷转接构件装设于第一安装轴的外圆上。
进一步地，载荷转接构件包括载荷转接板、用于使载荷转接板与第一安装轴在扭矩载荷施加的方向上固定的第一转动件；第一转动件装设于第一安装轴的外圆上；载荷转接板的一端装设于第一转动件的外圈上，载荷转接板的另一端连接有载荷施加构件。
进一步地，第一转动件为两个单向轴承，两个单向轴承关于主动齿轮模型对称布置；载荷转接板的剖面呈“u”型，载荷转接板的两块侧板分别装设于两个单向轴承的外圈上；载荷施加构件与载荷转接板的底板拆卸连接。
进一步地，载荷施加构件包括与载荷转接板拆卸连接的连接钩、连接于连接钩底端的连接绳、连接于连接绳底端的加载螺杆、螺纹连接于加载螺杆上的加载螺母以及固定连接于安装架上的加载座；加载螺杆穿设于加载座中；加载螺母位于加载座上背向载荷转接板的一侧。
进一步地，齿轮模型光弹性试验用加载装置还包括测扭器，测扭器装设于第一安装轴上，测扭器用于测量第一安装轴上扭矩载荷的大小。
进一步地，安装架包括方型的安装框、连接于安装框的两条相对设置的安装边之间的安装横梁，安装横梁上沿其长度方向依次间隔设有多个安装孔；第一轴承座和第二轴承座分别通过穿过安装孔的连接螺钉与安装横梁拆卸连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明中，采用独立的中心距限位板，拆装更换方便，中心距限位板的材料强度和刚度远大于主动齿轮模型和被动齿轮模型，试验载荷下变形小，保证加载过程中齿轮中心距变化不会超过误差准许范围；中心距限位板设计为u型结构，保证主动齿轮模型和被动齿轮模型两者的啮合部位光路不受阻挡，便于采用光弹仪进行应力条纹的读取。
本发明中，被动齿轮模型通过第二转动件装设于第二安装轴上，而第二安装轴连接有用于精确调节被动齿轮模型旋转角的角度调节器，而被动齿轮模型与主动齿轮模型啮合设置，故而只需调节角度调节器，即可精确、快速调节被动齿轮模型的旋转角，进而精确、快速调节被动齿轮模型和主动齿轮模型两者的啮合角度，以精确控制啮合角度大小，最终提高模型齿轮在试验时的试验精度。
本发明中，通过加载单元可对主动齿轮模型加载大小连续变化的扭矩载荷，即对主动齿轮模型进行扭矩无极加载，相比现有技术中通过砝码在主动端施加扭矩，本发明的加载装置中可对主动端进行扭矩无级加载，载荷大小不受限制且能无级调控，从而不仅可提高加载装置的加载精度，同时提高载荷的加载范围，进而提高光弹性试验的精度及测量范围。本发明中，通过采用单向轴承进行齿轮扭矩的传递和止扭，相比于现有技术中通过电机或其他约束装置进行扭矩的传递或止扭，本发明的装置结构简单，使用方便，无需拆装即可灵活调节齿轮的旋转啮合角度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的齿轮模型光弹性试验用加载装置的空间结构示意图；
图2为图1中两对齿轮副的结构示意图。
图例说明
10、安装架；11、安装框；12、安装横梁；120、安装孔；20、第一支座总成；21、第一轴承座；30、第二支座总成；31、第二轴承座；40、主动齿轮模型；50、被动齿轮模型；60、加载单元；61、载荷施加构件；611、连接钩；612、连接绳；615、加载座；621、载荷转接板；70、测扭器；80、中心距限位板；90、角度调节器；91、粗调旋钮；92、精调旋钮；93、安装壳体；94、第一齿轮；95、第二齿轮；96、第三齿轮；97、第四齿轮。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种齿轮模型光弹性试验用加载装置，包括安装架10，安装架10上并排设有第一支座总成20和第二支座总成30，第一支座总成20上装设有用于施加扭矩载荷的主动齿轮模型40，第二支座总成30包括与安装架10相连的第二轴承座31、穿设于第二轴承座31中的第二安装轴、用于限制第二安装轴沿施加在其上的扭矩载荷的方向转动的第二转动件，第二安装轴通过第二转动件装设于第二轴承座31中，第二安装轴的外圆上固定装设有与主动齿轮模型40啮合设置的被动齿轮模型50。第一安装轴和第二安装轴上还装设有中心距限位板80。
具体的，如图1所示，中心距限位板80用于对主动齿轮模型40和被动齿轮模型50两者间的中心距进行限位，中心距限位板80同时装设于第一安装轴和第二安装轴的外圆上，或者同时装设于第一轴承座21和第二轴承座31上。本发明具体实施例中，中心距限位板80的数量为两块，两块中心距限位板80对称安装于齿轮模型的两侧，各中心距限位板80呈“u”型，各中心距限位板80的两块侧板分别装设于第一安装轴和第二安装轴的外圆上。中心距限位板80通过对主动齿轮模型40和被动齿轮模型50两者间的中心距进行限位，进而控制主动齿轮模型40和被动齿轮模型50两者的配合精度。
本发明中，采用独立的中心距限位板80，不仅便于拆装，且使不同规格中心距的齿轮进行试验时，只需更换相应的中心距限位板80即可，便于节省成本，同时保证了加载过程中齿轮中心距变化不会超出误差范围。另一方面，中心距限位板80设计为u型结构，保证主动齿轮模型40和被动齿轮模型50两者的啮合部位光路不受阻挡，提高光弹性仪的测量精度。本发明中，中心距限位板80的材料结构刚度远大于主动齿轮模型40和被动齿轮模型50，进一步保证加载过程中齿轮中心距不发生变化。
可选的，齿轮模型光弹性试验用加载装置还包括角度调节器90，角度调节器90与第二安装轴相连，角度调节器90用于精确调节被动齿轮模型50的旋转角，进而精确调节被动齿轮模型50和主动齿轮模型40两者的啮合角度。
本发明的齿轮模型光弹性试验用加载装置中，被动齿轮模型50通过第二转动件装设于第二安装轴上，而第二安装轴连接有用于精确调节被动齿轮模型50旋转角的角度调节器90，而被动齿轮模型50与主动齿轮模型40啮合设置，故而只需调节角度调节器90，即可精确、快速调节被动齿轮模型50的旋转角，进而精确、快速调节被动齿轮模型50和主动齿轮模型40两者的啮合角度，以精确控制啮合角度大小，最终提高高精度齿轮尤其是小模数齿轮进行试验时的试验精度。
具体地，如图1所示，第二转动件为单向轴承，采用单向轴承可实现被动齿轮模型50任意角度的啮合和止扭，使第二支座总成30结构简单，被动齿轮模型50与主动齿轮模型40啮合精度高。第二轴承座31包括两块相对设置的吊板，两块吊板的顶端分别与安装架10相连。第二安装轴同时穿设于两块吊板中，且每块吊板与第二安装轴的连接处安装有第二转动件。
可选地，如图2所示，角度调节器90包括与安装架10相连的安装壳体93，安装壳体93上设有对啮合角度进行粗调的粗调旋钮91和进行精调的精调旋钮92，以及对角度读数的角度刻度盘。安装壳体93内设有两对齿轮副，其中一对齿轮副包括啮合设置的第一齿轮94和第二齿轮95，另一对齿轮副包括啮合设置的第三齿轮96和第四齿轮97。第一齿轮94的旋转轴与精调旋钮92相连，第二齿轮95和第三齿轮96同轴设置，第四齿轮97的旋转轴同时连接粗调旋钮91和第二安装轴。具体地，第一齿轮94的旋转轴与精调旋钮92相连并通过轴承安装于安装壳体93上，第一齿轮94与第二齿轮95相啮合，它们之间的传动比为5，第二齿轮95通过轴承安装于安装壳体93上，第三齿轮96固定的安装于第二齿轮95的旋转轴上并与第四齿轮97相啮合，第三齿轮96与第四齿轮97的传动比为6，第四齿轮97的旋转轴同时与粗调旋钮91和第二安装轴相连，并通过轴承安装于安装壳体93上。调节时，通过旋动粗调旋钮91和/或精调旋钮92，最终调节第二安装轴的旋转角度，从而实现对啮合角度的快速准确调节。
可选地，如图1所示，第一支座总成20包括与安装架10相连的第一轴承座21、转动装设于第一轴承座21上的第一安装轴，第一安装轴上固定装设有主动齿轮模型40。第一安装轴连接有用于对其进行扭矩无级加载的加载单元60，加载单元60连接于安装架10上。
采用本发明的齿轮模型光弹性试验用加载装置试验时，加载单元60对第一安装轴进行扭矩无级加载，由于主动齿轮模型40固定装设于第一安装轴上，该扭矩载荷通过第一安装轴传递至主动齿轮模型40上，又由于被动齿轮模型50与主动齿轮模型40啮合，从而扭矩载荷再传递至被动齿轮模型50上，进而实现主动齿轮模型40和被动齿轮模型50啮合加载，最后通过光弹性仪对照主动齿轮模型40和被动齿轮模型50两者的啮合部位，即可获取齿轮接触部位的应力分布趋势和应力集中点。本发明的齿轮模型光弹性试验用加载装置中，通过加载单元60可对主动齿轮模型40加载大小连续变化的扭矩载荷，即对主动齿轮模型40进行扭矩无极加载，相比现有技术中通过砝码在主动端施加扭矩，本发明的加载装置中可对主动端进行扭矩无级加载，载荷大小不受限制且能无级调控，从而不仅可提高加载装置的加载精度，同时提高载荷的加载范围，进而提高光弹性试验的精度及测量范围。
具体地，如图1所示，加载单元60包括：载荷施加构件61，用于施加大小连续变化的拉力载荷。还包括载荷转接构件，与载荷施加构件61相连，用于将载荷施加构件61的拉力载荷转换为作用在第一安装轴上的扭矩载荷，载荷转接构件装设于第一安装轴的外圆上。载荷施加时，载荷施加构件61施加大小连续变化的拉力载荷，拉力载荷通过与载荷施加构件61连接的载荷转接构件而传递至载荷转接构件上，进而拉力载荷在载荷转接构件的作用下转换为作用在第一安装轴上的扭矩载荷。
可选地，如图1所示，载荷转接构件包括载荷转接板621、用于使载荷转接板621与第一安装轴在扭矩载荷施加的方向上固定的第一转动件。第一转动件装设于第一安装轴的外圆上。载荷转接板621的一端装设于第一转动件的外圈上，载荷转接板621的另一端垂直连接有载荷施加构件61。
本发明具体实施例中，如图1所示，第一转动件为两个单向轴承，两个单向轴承关于主动齿轮模型40对称布置。采用单向轴承可实现主动齿轮模型40任意角度的啮合和加载，并使载荷转接构件结构简单，主动齿轮模型40与被动齿轮模型50两者啮合精度高。载荷转接板621的剖面呈“u”型，载荷转接板621的两块侧板分别装设于两个单向轴承的外圈上。载荷施加构件61与载荷转接板621的底板拆卸连接。在其它实施例中，载荷转接板621也可为直线板状结构。第一转动件为一个单向轴承，载荷转接板621的一端通过该单向轴承装设于第一安装轴上，载荷转接板621的另一端连接载荷施加构件61。
本发明具体实施例中，如图1所示，第一轴承座21包括两块相对设置的吊板，两块吊板的顶端分别与安装架10相连。第一安装轴同时穿设于两块吊板中，且每块吊板与第一安装轴的连接处安装有第三轴承。主动齿轮模型40固定装设于第一安装轴的外圆上，且位于两块吊板之间。载荷转接板621的两块侧板分设于两块吊板外。优选地，加载开始前，载荷转接板621水平，用于消除载荷转接板621施加给第一安装轴的初始扭矩。
可选地，如图1所示，载荷施加构件61包括与载荷转接板621拆卸连接的连接钩611、连接于连接钩611底端的连接绳612、连接于连接绳612底端的加载螺杆、螺纹连接于加载螺杆上的加载螺母以及固定连接于安装架10上的加载座615。加载螺杆穿设于加载座615中。加载螺母位于加载座615上背向载荷转接板621的一侧。本具体实施例中，连接绳612为钢丝。载荷转接板621的底板上设有连接环，连接钩611勾于连接环上。施加载荷时，可通过扳手等辅助工具拧转加载螺母，加载螺母位于加载座615上背向载荷转接板621的一侧且与加载座615抵顶，通过加载螺母与加载座615抵顶，从而当加载螺母转动时，将施加加载螺杆向下的拉力载荷，该拉力载荷再依次通过连接绳612和连接钩611传递至载荷转接板621上。
可选地，如图1所示，齿轮模型光弹性试验用加载装置还包括测扭器70，测扭器70装设于第一安装轴上，测扭器70用于测量第一安装轴上扭矩载荷的大小。本具体实施例中，测扭器70为测扭传感器。测扭传感器用于测量第一安装轴上扭矩载荷的大小，进而保证载荷大小的准确性。
可选地，如图1所示，安装架10包括方型的安装框11、连接于安装框11的两条相对设置的安装边之间的安装横梁12，安装横梁12上沿其长度方向依次间隔设有多个安装孔120。第一轴承座21和第二轴承座31分别通过穿过安装孔120的连接螺钉与安装横梁12拆卸连接。试验时，不同中心距的齿轮可通过与安装横梁12上不同的安装孔120的连接而安装至安装架10上，不仅使安装拆卸操作简单，其可简化安装架10的结构。
本发明的齿轮模型光弹性试验用加载装置在设计中采用了独立的支撑、限位和加载单元，对不同规格的模型进行试验只需更换少量部件即可，便于进行拓展；装置的整体结构紧凑，前后距离短，啮合位置不遮挡光路，便于试验中应力条纹的采集和记录；装置可进行无极加载和快速精确的啮合角度调节，使用简单，成本低廉，相比于其他加载装置能更好的契合于光弹性齿轮试验研究的需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。