齿轮传递误差试验台的研究与开发

第16卷第2期2018年&月
中国工程机械学报
CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
Vol.16 No.2
Apr. 2018齿轮传递误差试验台的研究与开发
王瑞欣，刘红旗，张敬彩，程曼，封楠
(机械科学研究总院中机生产力促进中心，北京1000&&)
摘要！通过对变速器齿轮传递误差机理研究，研制齿轮传递误差试验台，实现对变速器整箱及单对齿的传递误
差的高精密测量.试验台可模拟变速器总成内啮合齿轮对的真实啮合情况，准确测试啮合齿轮的传递误差.试验
台由机械结构设计、测控系统及软件系统构成.采用Romax软件对单对齿测量单元轴系进行扭转刚度分析，验
证传递误差测试时输出扭矩为3 000 N• m条件下满足传递误差的测试要求.通过试验测试，验证了试验台角度
测量系统精度满足变速器齿轮传递误差测试要求.
关键词：齿轮；传递误差；测试；试验台
中图分类号！T H166 文献标志码：A文章编号！1672- 5581(2018)02-0158 - 06
Research and development of wheel transmission
error test bench
WANG R u ixin，LIU Hongqi，ZHANG Jingcai，CHENG M an，FENG Nan
(China Productivity Center for Machinery,China Academy of Machinery Science and Technology,Beijing 100044,China)
Abstract：According to the research on the mechanism of transmission error of gear，the gear transmission error test bench was developed,which can realize the high precision measu transmission error of the transmission box and the single-to-tooth.The test bench can engagement of themeshing gear pairs in the transmission assembly，and accurately test the transmission
error of the meshing gear.The test-b ed is composed of mechanical s t ructure design control systemand softwaresystem.The torsional stiffnessanalysis of the single-to-tooth measuringunit
shaft was carriedout by using theRomax software toverify the test requirement of the transmissionerror
under the cond i t ion o f 3 000 N •m.Through the test?i t is verified tha t the precision of the angle
measuring sys t em of t he test bench mee t s the transmission gear transmission error tes t requirements.
K eyw ord s:gear;transmissionerror;detection;testbench
变速器齿轮传递误差测量属于高精度测量1，由于受到载荷及其变化、制造安装误差、传感器精 度的影响2，技术难度非常高.齿轮传递误差的测 量数量级为微米级3，范围一般在0"10 (m，对于 好的轿车变速器其传递误差需要达到5 (m以内，而载荷及其变化引起的测量误差可达5"10 (m，安装制造后轴的回转误差导致测量误差也可能达 到5"10 (m的量级，小规格圆光栅的精度一般最 高也只能达到± 2"，这些误差都限制了传递误差测量精度的提高.但若想得到有用的传递误差测量结 果，对于轿车变速器齿轮，其测量精度必须达到1 (m以上.因此，如何解决和消除这些误差，获得满 足精度要求的可靠数据，成为传递误差试验测试设技术 .
目前，针对变速器齿轮传递误差测试设备研制 成功并商业化的公司不多.国际上能够提供此类商 业化试验设备的公司有日本小野测试，该公司可提 供一定加载水平的传递误差试验台，但价格昂贵，
基金项目：工程机械节能减排共性技术研究资助项目（2015BAF07B01)作者简介:王瑞欣(1989 )，女，博士生.E~mail: wrx—0510@
第2期王瑞欣，等:齿轮传递误差试验台的研究与开发159
国内 难 ，准产品对于国内部分
条 求不能 满足.英国纽卡斯尔
大学曾为美国宇航局研制 误差试验台.
国内不少 、高校 误差测试方面做了
不少研究.由于对测试方法的理解 深 ；
因，传递误差试验 实际产品研 程中没有
应有的作用.本文通过对 误差产生的机理
测试方法的深入理解，设计 误差试验
台，实现对 误 准确测量.
误 测 对齿和变速 测
试功能，，试验台上实 对 和整
箱后误差测量.由于试验
整体 大、扭 制 好、运动精 ，且具
位 能，因此，研究 ：
修形、制造误差、错位量、加载大小等因素对 传
误 影响& 验 误
;可进行低 、低传递误 计优
化，主动控制变速 误 振动‘水
，可以对有问题 速器振动
行判断，解决 速器上无法准确测
递误 问题.
1测试原理
对理 和 渐开‘轮
合，从动 角将严 者速比 动齿
角.然而，事实上 制造误差、
误差、变速
误 存在，被动 角将超前或
后其理 角位置，角误 为 传
误差地重合，这一误
就 了一种周期振动，而当它的任一谐波频率
动 固有频 非常接 ，就
产生共振，从而产生 ％.
1为 误差测 理图.通过比较 轮
角参数，来获得 误 域信号通过
傅 （DFT)分析，获得 误差的频域
信号.传递误差常用计算公式如下！
TE > ' *d2 - d1
TE 二r b# * 2# —r b!di (1)⑵
式中2i，2#分别为输入轴和输出轴的角位移&为 动比；W biW b#为主动轮和从动 基 .
(1)和式(2)是 误 种 ，据式(1)进行 误差测量，但是最终 误数据是 （2)进行 .
图1齿轮传递误差测量原理图
Fig.1The principle diagram of gear transmission error measurement
；试验台设计原则
误差需 架进行试验检测，测试、变速 误 通
行 ，目的是找到引起振动 ，以便解决齿问题.传递误差测量方 为单齿和变速器
测*
本试验 对 测量和变速器总成
测 行 合试验 ，有
整箱状态下测量各 误 测 ，并
速 中实际错位
能，，速 中制造、装配误差和 而引起 合错位，测量速器内 态中 ^误*
3试验台的组成
试验台主要包括驱动系统、加载系统、位置调 整 、 、测试 、电气控制 、床身和 防 数据 .试验
2和图3 .
图2试验台三维模型图
Fig.2 Three-dimensional m odel of test bench
出
光
传
器
输
端
栅
感
小
齿
轮
大
齿
轮
獻
献
I
I
160中国工程机械学报第16卷
图3试验台实物图
Fig.3 Physical view of test bench
3.1精密机械系统
精密机械 是 误差试验 基础，对保试验 测试精度、定位精度和运动精度起
键作用.本实验台机械 身、精密回 丨、变速 对齿测 工 、支撑、位置调整 .为了实现横置、纵置变速器中化，在试验台上 滚珠丝杠、精密导 行横向和纵 调整.同时，为了对 速 中合状态％ 动 机构调整 面内 角，实 合面上 位量，从而实
实际错位 误差测量.
3.; 系统
测 基于工控机、FPGA高速 卡、模拟量板卡、变频 ，总体结构 4 .
试验 制 数据处理 大部.试验 制 实验参数 、实验流程制、测量信 、信 理 、实验数据存储、打印实验报 能 体.试验 制界面 5 .
图F试验台测试系统软件界面
<i=.F Tlie soft5are interface03'6及8-代'6() system
03 )es)匕已沉!！
试验台数据 数据整理、误 ‘、数据滤波、时域、频域 和影响评价等功能，如图6 .
图A数据处理软件界面
Fig.6 @h e data processing software interface
4关键技术分析
图4试验台测控系统框架图
Fig.4 Frame chart of measurement and control
system for test bench
驱动及加载电机选用Siemens1PH8系列伺服 电机，电机低速 好，防止出现低速爬行现象.扭 HBM的法兰式动态扭 ^感，测量精 0.05%FS，完全满足试验的求.
3.3软件系统设计
误差试验台的功能要求，主要进 行 误差和整箱 误差实验.试验台软件4.1独立封装的角度测量模块
试验 置两套独立封 角度测 块，测试变速器内各啮合 误差；考到 空间有限，采用小 @ 数头结构;角度测 块 行 测， 机角度测量模块配合使用. 海德 角，测量精度为11在进行数据 ，频率为100MH6，细.角 ，数头对
[10]，可有效消除注
误
.
第#期王瑞欣，等:齿轮传递误差试验台的研究与开发161
图G 角度测量模块
Fig . 7 The m odule of angle measurement 4.2单对齿测量时精密轴系扭矩刚度分析
Romax
中，对单对齿测量时的轴系进
行建模，利用Romax 自身
态
块进行求
解，从而得到 和 位移云图* M
对的速比为11，输入扭矩为3 000 N * m •得到
扭
8
•
对 影响，工艺轴尽 计的“短粗”，同
工工艺.•
前已有被试件中最小齿
数15(变速
位 $将 数设为
15,基 对 77 mm 设置，得到5
组测试
（见表#$
表：试验台角度测量系统精度
@a 2.: @1$ *〇4%*(/03 tlie
systein
03 t 6e )es ) 2e (c 6
组号
误
/(m
组号
误
/(m 1
0.1240.1220.125
0.13
30.14
1数据 ，角度测
误差为0.1#6 (m ，|足变速 误差测试
求，同时， 试验 有良好的重
，
了测试 •
F 2单对齿测量
测试
参数如下:齿数比为21: 32,转速#0
r/min ，扭矩水平为30,75,112,150 N * m •测试结
9〜图12
•
图J 轴系的扭矩变形云图Fig . 8 Torque deformation cloud chart of shafting 由以上扭 ，在最大
扭
：
荷作 ，最大位
生
，最大位
为0.045 mm .根据 使用条件，
对高精 角度测
产生影响，因此，该
满足要求.F
实验测试在进行
误差测试时，由于数据
频率为100 MHz ，当转速 ， 失
脉冲，出现信号失真，因此，传递误差测试在低速
行.
F .1试验台角度
系统精度
试验 制造、安装调试
程中，由于各种误差会对角
测量产生影响，尽管
些手 降低 对 误
影响.为了得到
角 测 测 试精 %
精 工艺 将
入端和输出端连接起来.为了减少工艺
扭转
图9 20 r /min ，30N • m 时传递误差测试结果
Fig . 9 Test result of transmission error at
20 r /min ,30 N • m
图10 20 r /min ，75N • m 时传递误差测试结果
Fig . 10 Test result of transmission error at
20 r /min ,75 N •
m
162中国工程机械学报第16卷
齿轮传递误差分析
图11 20r/min，112N•m时传递误差测试结果
Fig.11 Test result of transmission error at
20 r/min，112N•m
图12 20 r/min，150N•m时传递误差测试结果
Fig.12 Test result of transmission error at
20 r/min,150 N•m
表2转速为20r/min时的传递误差测试结果 Tab.2 Test results of transmission error at20 r/min
扭矩/(N • m)传递误差/(m扭/N*m)传递误差/(m
30 1.86112 3.88
75 2.391505*61
/〜图12 2中，随着载大，传递误差随之增大，这与理
是 .从阶次 中%
次幅 大，可以对 行适当的修形后，测试误差数据，验证修 .
，单对齿测量机构 位量调整机构，通过Romax中合 整箱中的啮合错位量，在试验台上 位量，进而得到在整箱啮合状态 误差.
5.3 差
对于整箱 误 测试，有可能 有2〜3对 合％ 动链.对
误 ，需 据各对 数进行阶次
和 误 .在速比 数
，节次 技术 对的传递误差，但对 些 ，齿数、速比接近％ 次
法将遇到难度.针对 能遇到的问题，设中了立 测 ，通过对被测试验变速 行改造％ 行多 误差测，直接测出每对 误差.改造示意
13 .
图13变速器改造示意图
Fig.13 Diagram of the gearbox modification
变速 行整箱各 位 误差测试时，挡过程对啮合 误差测试的重影响较大，为了得到准确 误差测 i ，建 整箱测 基础上 对齿测量.
A结论
通过对 误差机理的研究，研制了误差试验台，不仅能够实现对变速
误 行测量，还能够对单对 误 行测量，对变速 修 行验证.
通过精密工艺轴对试验台角度测：统 行测试，实验数据 ，试验台角度测量系
递误差为〇.126 (m满足试验测试需求；同时，实验 试验台重 精 ，实验数据的
.
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