特殊環境下精密齒輪傳動基礎數據測試平臺研制

易力力，陶桂寶，王四寶

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶400044）

0 引 言

齒輪及其傳動裝置是國民經濟和國防高端重大裝備所需的關鍵基礎和通用零部件，是衡量一個國家基礎工業發展水平的重要標志。齒輪服役特性直接決定裝備的運行性能、壽命、安全性和可靠性［1］，是重大裝備尤其是特殊與極端環境下重大裝備（如航空航天、海洋、高鐵等）共性技術研究的核心問題之一。目前國內高性能齒輪、錐齒輪、蝸桿傳動及面齒輪等零部件極少經歷嚴格的可靠性和壽命試驗，相關基礎數據庫匱乏，從而影響產品設計水平，導致產品故障率高，可靠性差，壽命短及性能低。特殊與極端環境下高性能齒輪在壽命、可靠性等方面與國外先進水平差距較大，高端產品仍大量依賴進口。針對國家齒輪基礎數據匱乏和國家重大工程傳動裝置依賴進口等問題，瞄準國家基礎能力和重大工程的需求，著眼于齒輪基礎研究和試驗技術國內外發展趨勢，研制特殊環境下齒輪傳動基礎數據測試平臺具有重要意義。

平臺具體包括高精度多用途傳動測試系統、半消聲可靠性試驗環境系統和熱真空可靠性試驗環境系統3個子系統，其中半消聲可靠性試驗環境系統和熱真空可靠性試驗環境系統可以通過約束接口指標的形式定做環境實驗箱。本文主要介紹高精度多用途傳動測試系統的研制。

1 主要功能及測試原理圖

該測試系統為通用測試平臺，可對精密齒輪箱機械傳動裝置進行綜合性能測試和傳動原理研究，檢測對象為減速器（諧波齒輪、濾波齒輪、平行軸、RV型行星齒輪、少齒差傳動、蝸輪蝸桿、錐齒輪）和模擬指向機構的驅動組件等空間齒輪傳動裝置，具體測試項目有：傳動精度實驗、傳動效率實驗、啟動力矩實驗、扭轉剛度與回差實驗以及其他傳動實驗。

1.1 傳動精度實驗

傳動精度即角度傳動誤差絕對值中的最大值；傳動誤差為傳動系統輸出軸的理論轉角與實際轉角之差。傳動精度測試原理圖［2-4］如圖1所示。

1.2 傳動效率實驗

傳動效率是齒輪傳動系統綜合質量指標之一。傳動效率理論計算時必須作某些假設，無法獲得傳動效率的準確值，通過試驗確定傳動效率有重要意義［5-6］。傳動效率即輸出功率占輸入功率的百分比，通過獲取輸入輸出軸的轉速轉矩，即可得到傳動效率，傳動效率測試原理圖如圖2所示。

圖2 傳動效率測試原理圖

1.3 啟動力矩實驗

啟動力矩指加載到傳動裝置上用于克服內部摩擦阻力的扭矩，帶載啟動時驅動電動機的啟動扭矩需要大于整個封閉系統的啟動扭矩。諧波減速器等傳動裝置加工裝配完成后需要測量啟動力矩，以評價其整體性能［7］。啟動力矩測試原理圖如圖3所示。

圖3 啟動力矩測試原理圖

1.4 扭轉剛度與回差實驗

在傳動裝置的額定輸出扭矩范圍內，由于負載扭矩作用，各零部件會產生微量的扭轉彈性變形，精密傳功系統需要具有足夠的剛度才能保證在工作過程中受到強大的沖擊時不至于損壞。根據虎克扭轉定律，扭轉剛度為傳動裝置加載時所耗去的扭矩和所產生的扭角之間的比率［8］。

回差是指單向傳動過程中輸入軸開始反向后到輸出軸跟隨反向時輸出軸在轉角上的滯后量［9］。回差可以根據其產生的原因大致分為由溫度變化引起的溫度回差、由彈性變形引起的彈性回差和由零件幾何尺寸及加工裝配誤差引起的幾何回差3種形式［10］。扭轉剛度與回差的測試原理圖如圖4所示。

圖4 扭轉剛度與回差測試原理圖

1.5 其他傳動實驗

通過控制系統的調整，并增加溫度、振動、噪聲、功率等檢測傳感器，測試平臺可以完成空載跑合實驗、加載跑合實驗、超載50%跑合實驗、超載160%跑合實驗驗、壽命實驗、溫升實驗、噪聲實驗、振動實驗等其他傳動實驗［11-12］。

2 技術方案

2.1 機械結構方案

機械部分采用模塊化設計思想，包括驅動主軸和加載主軸兩套臺架（見圖5、6），兩套臺架獨立運行，驅動主軸臺架、加載主軸臺架及被測傳動裝置通過高精度的聯軸器連接安裝于基準平臺上。通過更換基準平臺上不同規格的墊塊來滿足被測傳動裝置不同中心高的要求。可根據需要安裝在環境系統相對應的接口進行相關實驗，通過不同的組合演變，最大限度地在同一實驗平臺上實現對不同型式或同型式不同型號的傳動裝置的性能測試。

臺架采用臥式結構，由驅動電動機（或加載電動機）、扭矩傳感器、角度編碼器、聯軸器、軸承及支座組成。各部件支架安裝孔一次車削完成，以保證各部件的同心度；基準平臺和部件支架之間做錐銷定位，保證重新裝配后各部件的同心度，從而保證整個軸系的運動精度；系統配備軸承座有效地保護扭矩傳感器和角度編碼器使用壽命。

圖5 驅動主軸臺架

圖6 加載主軸試驗臺架

2.2 電氣結構方案

測試平臺采用共直流母線式電回饋變頻驅動和加載方式，電封閉功率試驗采用不回饋電網式電封閉系統。驅動電動機施加給變速箱的輸出功率在加載電動機加載后通過電力反饋系統返回驅動電動機形成閉環，電氣結構框圖如圖7所示。

圖7 電氣結構框圖

2.3 測控系統方案

通過對測試平臺［13］主要功能及測試原理、機械結構的考慮，結合以計算機和集散型控制系統的設計思想，上位機采用ADVANTECH IPC-610L工控機，下位機采用SIEMENS SIMOTION運動控制器，通過工業交換機實現上下位機的通信及高精度多用途傳動測試系統與半消聲可靠性試驗環境系統和熱真空可靠性試驗環境系統的數據通信，測控系統框圖如圖8所示。

考慮各種類型傳動系統的測試范圍，驅動電動機選SIEMENS主軸伺服電動機1PH8138-1DF20-1BA1，加載電動機選SIEMENS力矩伺服電動機1FW3206-1DL72-5AA0，電動機通過兩臺SINAMICS 120伺服驅動器驅動。

圖8 測控系統框圖

考慮傳動精度實驗和剛度回差實驗需要輸入軸和輸出軸的轉角的高速同步的精密采集，編碼器選擇海德漢轉角編碼器及與其匹配的高速同步采集卡，其中驅動軸轉角編碼器選型為分辨率6 000線的光柵式轉角編碼器ERA4482C，綜合精度為+/-5″，加載主軸轉角編碼器選型為分辨率36 000線的R0N786，綜合精度為2″，高速同步采集卡選用海德漢的雙通道同步采集卡IK220。

轉矩傳感器在實驗平臺的傳動效率實驗和啟動力矩回差實驗中取得精密實驗數據至關重要。考慮轉矩傳感器測量精度和范圍，選用德國HBM T40B系列轉矩傳感器，信號輸出形式為頻率輸出。驅動主軸轉矩傳感器采用200 N·m的轉矩傳感器，精度為+/-0.05%F，加載主軸轉矩傳感器采用2 kN·m的轉矩傳感器，精度為+/-0.05%F。

2.4 接口設計

（1）與半消聲可靠性試驗環境系統接口。半消聲可靠性試驗環境系統需要提供高精度多用途傳動測試系統在半消聲的環境下的測試保障，被測傳動系統放置在環境試驗箱內，環境試驗箱需要提供如圖9所示3個方向的機械接口與驅動臺架或加載臺架對接，用于平行軸或相交軸傳動系統的測試。3個方向的機械接口分別在前、后、右側壁上開條形軸孔，使用玻纖板實現條形軸孔的密封，玻纖板隨電動機軸移動到合適的位置固定即可，條形軸孔如圖10所示。

圖9 3個方向機械接口布置圖

圖10 條形軸孔機械結構圖

（2）與熱真空可靠性試驗環境系統接口。熱真空可靠性試驗是模擬空間活動部件在空間的真空、冷黑和太陽輻射環境的一種地面試驗，由冷浸、熱浸與變溫過程組成。熱真空容器為臥式圓柱體結構，容器內安裝試驗平板的支撐導軌，試驗平板作為測試件的安裝平臺使用，為一個方形、表面均布M8的矩陣螺紋孔的不銹鋼板件，熱真空可靠性試驗環境系統使用磁流體密封［14］接口法蘭提供3個方向的機械接口。

3 應用案例

本文對日本Harmonic諧波減速機（減速比：121，型號：SFH-25-120）進行了不同溫度環境下的傳動剛度及回差的測試，驅動主軸臺架與熱真空可靠性試驗環境系統連接實物如圖11所示，加載主軸臺架與熱真空可靠性試驗環境系統連接實物如圖12所示。

圖11 驅動主軸臺架實物圖

圖12 加載主軸臺架實物圖

按照扭轉剛度與回差測試原理圖（見圖4）方式安裝諧波減速機，沿輸出軸順時針方向按2 N·m的步距等間隔加載到額定轉矩，記錄加載轉矩及輸出軸轉角值，然后等間隔逐步卸載，并記錄轉矩及轉角值，卸載完全后沿另一方向重復上述過程。完成后可以在轉矩與轉角平面繪出該減速器的機械滯回曲線，利用圖解法可求得該減速器在輸入軸上的扭轉剛度、純側隙和總回差［15］。在-20～80℃溫度環境下，每次升溫20℃，重復扭轉剛度與回差實驗，共進行6次實驗，得到不同溫度下日本Harmonic諧波減速機扭轉剛度、純側隙和總回差，繪制不同溫度下扭轉剛度與回差特性如圖13所示。

圖13 不同溫度下扭轉剛度與回差特性

4 結 語

本文研制的特殊環境下精密齒輪傳動系統性能測試平臺，能夠很好地模擬特殊與極端環境工況，實現對高精密傳動裝置轉矩、轉速信號準確、在線、實時、高速采集和處理，從而實現傳動精度、傳動效率、啟動力矩和傳動剛度及回差的測試。該測試平臺還具有很強的開發潛力，通過軟件的不斷升級和少量的硬件改進，可以擴展其他傳動試驗。