新型轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置的設(shè)計

何衛(wèi)東 吳鑫輝 鮑君華 董淑婧

(①大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028;②大連科技學院機械工程系，遼寧大連 116028)

加載裝置是封閉功率流試驗臺至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。液壓加載裝置能夠在試驗臺運轉(zhuǎn)過程中方便地調(diào)整載荷，并且最大加載力矩很高，因此得到比較廣泛的應(yīng)用。目前的液壓加載裝置主要分為內(nèi)斜齒式和葉片式兩大類，現(xiàn)有的機械封閉齒輪試驗臺所采用的內(nèi)斜齒式液壓加載裝置的左端為內(nèi)斜齒，右端為直齒且均為齒輪軸的形式，且密封性不佳。本文提出的轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置，其特點是不僅保留了內(nèi)斜齒液壓加載裝置原有的優(yōu)點，而且通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封布置，實現(xiàn)了加載力矩增加一倍，得到了良好的密封性能;加載可靠，具有足夠的準確性，載荷便于測量，能在長期運轉(zhuǎn)中保持加載力矩穩(wěn)定不變;能實現(xiàn)空載起動，并能在運轉(zhuǎn)中改變加載力矩的大小和方向，便于進行模擬實驗。因此新型轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置的設(shè)計，必將為機械封閉功率流試驗臺提供一種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，且使用方便、可靠的加載裝置。

1 工作原理

轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，它主要由左右傳動軸1和3、活塞2、缸體4、內(nèi)斜齒輪5和中間軸6五部分組成。

轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置串聯(lián)在機械封閉式齒輪試驗臺中，通過油泵向缸體中加入壓力油，利用加載裝置自身的配置壓力油的系統(tǒng)，使得缸體中油壓得到調(diào)節(jié)和控制。當齒輪試驗臺空載時，壓力油不通入油缸，中間軸不移動，左傳動軸與右傳動軸之間沒有相對的轉(zhuǎn)角，封閉回路中沒有載荷。當需要加載時，調(diào)節(jié)壓力油充入缸體，使活塞帶動中間傳動軸作軸向移動，中間傳動軸作軸向移動的同時，沿著斜齒的螺旋角作圓周的角度位移，左傳動軸和右傳動軸便產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)角以達到在封閉系統(tǒng)中建立一定轉(zhuǎn)矩的目的。在整個加載裝置中，只有左傳動軸、右傳動軸、中間傳動軸和內(nèi)齒套旋轉(zhuǎn)，其他零件都不轉(zhuǎn)動，因而加載器運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長。封閉回路中轉(zhuǎn)矩的大小，只需調(diào)節(jié)加載裝置工作油壓高低即可，這樣就可以在動態(tài)情況下加載。由于活塞可雙向調(diào)節(jié)，故亦可以對不同轉(zhuǎn)向進行相應(yīng)加載。另外，為了模擬真實工況，如對負荷有脈動要求，只要在液壓系統(tǒng)中制造產(chǎn)生一定的脈動油壓，就能夠很容易地在封閉回路中產(chǎn)生所需幅度和頻率的脈動轉(zhuǎn)矩。

中間傳動軸的移動距離與左右傳動軸的相對轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系為

式中:φ為左右傳動軸的相對轉(zhuǎn)角;L為中間傳動軸的移動距離;d為內(nèi)斜齒輪的分度圓直徑;β為內(nèi)斜齒輪螺旋角;mn為內(nèi)斜齒輪法向模數(shù);z為內(nèi)斜齒輪齒數(shù)。

所以封閉系統(tǒng)內(nèi)的總轉(zhuǎn)角為

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)內(nèi)斜齒輪

內(nèi)斜齒輪是關(guān)鍵件，設(shè)計時，應(yīng)選擇適當?shù)膸缀螀?shù)，其中特別是螺旋角、模數(shù)、齒數(shù)和斜齒端面分度圓直徑的選擇。理想的設(shè)計是用較小的軸向力來獲得較大的加載力矩。當加載力矩一定時，螺旋角愈小，斜齒端面分度圓的直徑愈大，則所需的軸向力就愈小。因此，在設(shè)計內(nèi)斜齒加載器時，在徑向尺寸允許的情況下，應(yīng)盡量使斜齒端面分度圓的直徑大一些。再者，齒輪模數(shù)過大會造成加工困難，齒數(shù)選擇可以多些。因此，從增加齒數(shù)來看，模數(shù)也應(yīng)取得適當小些。

(2)中間軸

由于制造和裝配誤差，零部件之間會存在間隙，且加載過程中零部件產(chǎn)生變形，因此在加載過程中就會有一部分轉(zhuǎn)角用來補償零部件之間的間隙和變形，所以轉(zhuǎn)角設(shè)計應(yīng)該大些。分析結(jié)構(gòu)可知，中間軸的移動距離越大則轉(zhuǎn)角越大，但如果中間軸的移動距離太大會增大系統(tǒng)的尺寸，所以為了既滿足克服間隙和零件的彈性變形的要求，又使得加載裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，選擇一對基本參數(shù)相同，旋向相反的內(nèi)斜齒圓柱齒輪來保證在中間傳動軸有較小的移動距離時，有足夠大的轉(zhuǎn)角，并且很好地實現(xiàn)了使加載轉(zhuǎn)矩增加一倍的效果。

(3)缸體

缸體為焊接結(jié)構(gòu)，其設(shè)計主要考慮可靠地支撐左右傳動軸以及中間軸;此外，還要便于制造和安裝拆卸，潤滑密封可靠。

3 內(nèi)斜齒的受力分析

內(nèi)斜齒輪受力分析如圖3所示。圖中:β為內(nèi)斜齒螺旋角;αn為內(nèi)斜齒輪法向壓力角;Φ1、Φ2為內(nèi)斜齒滑道誘導(dǎo)摩擦角;N1、N2為內(nèi)齒齒輪接觸面法線方向上的反作用力。

式中:f1、f2為內(nèi)斜齒輪摩擦系數(shù)。

由于左右內(nèi)斜齒輪除螺旋角不同外，其余參數(shù)均相同，所以Φ1=Φ2。中間傳動軸所受軸向推力

式中:D為液壓油缸的內(nèi)徑;p油為液壓油缸內(nèi)的油壓壓力。由受力分析圖3可知，中間傳動軸共受5個作用力，其中N1·sinαn、N2·sinαn是沿圓周分布的徑向力，所以相互抵消。當加載到要求轉(zhuǎn)矩時，中間傳動軸相對于兩邊的內(nèi)斜齒套處于靜止狀態(tài)，即此時中間傳動軸所受外力平衡，即在不計斜齒滑道與內(nèi)斜齒處嚙合的直徑的不同，則中間傳動軸所受外力R1、R2、Fa三力平衡，

圖4中Ft為不計斜齒滑道與內(nèi)斜齒處嚙合的直徑的不同，中間傳動軸所受的圓周力，根據(jù)力的多邊形法則，可得

右軸向推力在封閉系統(tǒng)中產(chǎn)生的扭矩

式中:mn為內(nèi)斜齒輪法向模數(shù);z為內(nèi)斜齒輪齒數(shù)。

4 強度校核

設(shè)計參數(shù):Mmax=3 300 N·m、nmax=3 000 r/min、油缸內(nèi)徑d=220 mm、油壓0～11.76 MPa，內(nèi)斜齒輪設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 內(nèi)斜齒輪設(shè)計參數(shù)

表2 軸承壽命計算結(jié)果

表3 強度校核計算結(jié)果

根據(jù)轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置總體結(jié)構(gòu)，選擇軸承30215和32217，軸承壽命計算結(jié)果見表2。

依據(jù)齒式聯(lián)軸器的強度計算來對內(nèi)斜齒進行強度校核，計算結(jié)果見表3。

5 結(jié)語

(1)新型轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置結(jié)構(gòu)緊湊，支撐剛度高，密封性能良好，加載力矩較原內(nèi)斜齒液壓加載裝置增加一倍，特別適用于低速重載的機械封閉式齒輪試驗臺的加載。

(2)通過對內(nèi)斜齒輪的受力分析以及加載裝置關(guān)鍵件的強度校核，我們設(shè)計的新型轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置各部件強度能滿足設(shè)計要求，并實現(xiàn)可靠加載。如圖1所示的《轉(zhuǎn)矩可調(diào)式內(nèi)斜齒液壓加載裝置》已向中華人民共和國專利局申報了發(fā)明專利。

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