行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鮑海峰，苗劍飛，肖景龍，何金健，劉　坤

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)　工學(xué)院，安徽　合肥　230036)

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行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鮑海峰，苗劍飛，肖景龍，何金健，劉坤

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036)

摘要：為幫助學(xué)生理解行星齒輪機(jī)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下的運(yùn)動形式，并驗(yàn)證行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比公式，研究設(shè)計(jì)了一套包括機(jī)械機(jī)構(gòu)和采集系統(tǒng)兩部分的行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具。行星齒輪機(jī)構(gòu)由12V電機(jī)驅(qū)動，通過傳感器及自編的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r獲取機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)，計(jì)算出實(shí)際傳動比，并與理論數(shù)據(jù)對比。試驗(yàn)表明，該教具設(shè)計(jì)合理，小巧便攜，能夠直觀演示行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：行星齒輪機(jī)構(gòu)；演示教具；LabVIEW；采集系統(tǒng)

行星齒輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸線是不固定的，具有三條轉(zhuǎn)動軸允許動力輸入/輸出，可實(shí)現(xiàn)多種傳動形式，因此傳動比計(jì)算也較定軸齒輪更為復(fù)雜。楊照山[1]等人曾對行星齒輪傳動的特點(diǎn)做過詳細(xì)的介紹。黃士扎[2]對自動變速器行星齒輪變速機(jī)構(gòu)一體化教學(xué)進(jìn)行過探討，總結(jié)了行星齒輪在教學(xué)中的難點(diǎn)所在。但上述研究并未設(shè)計(jì)制造出具體的實(shí)物。

為便于教師上課講解和學(xué)生理解，本文設(shè)計(jì)了一套行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具。該裝置以一套2K-H型行星齒輪機(jī)構(gòu)為主體，并配有驅(qū)動電機(jī)，能夠演示行星齒輪結(jié)構(gòu)的兩種運(yùn)動形式。同時，利用齒輪轉(zhuǎn)速傳感器、USB數(shù)據(jù)采集器和基于LabVIEW軟件編制的數(shù)據(jù)采集程序，可以采集并顯示太陽輪和行星架轉(zhuǎn)速，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)自動計(jì)算傳動比，同時與按公式計(jì)算出的理論值相對比，從而驗(yàn)證周轉(zhuǎn)輪系傳動比計(jì)算公式。

1行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1基本結(jié)構(gòu)

行星齒輪機(jī)構(gòu)可分為太陽輪、行星輪、行星架、齒圈四部分(如圖1)，行星輪安放在行星架上。太陽輪、行星架、齒圈均可作為主動件、從動件及固定件，因此根據(jù)機(jī)構(gòu)中主動件、從動件、固定件的不同分配方式，行星齒輪機(jī)構(gòu)共有6種運(yùn)動方式[3]。該教具采取齒圈固定，再分別以太陽輪或行星架作為主動件的方式，演示2K-H型行星齒輪機(jī)構(gòu)的2種運(yùn)動狀態(tài)。其傳動比計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

其中Z1和Z3分別為太陽輪和齒圈的齒數(shù)[4-5]。

裝置主體機(jī)械結(jié)構(gòu)包括行星齒輪機(jī)構(gòu)、機(jī)架、底板、電機(jī)、測速齒輪等。行星齒輪機(jī)構(gòu)齒圈外側(cè)焊接有支架，支架通過螺栓固定于底座上，行星輪機(jī)構(gòu)兩側(cè)分別有一個12V驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)通過電機(jī)支架固定于底座上，A電機(jī)通過一根階梯軸與行星架相連，B電機(jī)通過另一根軸與太陽輪連接。兩軸上均安裝有用于測量轉(zhuǎn)速的齒輪，齒輪上方安裝測速傳感器。教具總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　行星齒輪機(jī)構(gòu)四部分圖

圖2　教具結(jié)構(gòu)示意圖

2行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1硬件結(jié)構(gòu)組成測試系統(tǒng)的功能主要是采集數(shù)據(jù)并對采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。如圖4所示，構(gòu)建測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖3　測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

當(dāng)接通電源時，兩個測速齒輪會分別隨各自軸轉(zhuǎn)動，輪齒將切割傳感器探頭部位的磁場，由于磁通量的變化，測速傳感器會連續(xù)發(fā)出脈沖信號，脈沖信號經(jīng)轉(zhuǎn)速變速器被轉(zhuǎn)換為1～5V模擬電壓，USB數(shù)據(jù)采集器采集該模擬信號，再輸入PC端。

2.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件選型教具采用樂清佑科電氣有限公司的SC12-20K型齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，南京三盟公司SMGV60-100R型轉(zhuǎn)速變送器，北京阿爾泰公司USB5936型USB數(shù)據(jù)采集器。各硬件具體性能參數(shù)如表1。

表1　硬件型號和參數(shù)

2.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)基于圖形化編程語言LabVIEW編制，由于其GUI設(shè)計(jì)風(fēng)格具有良好的人機(jī)交互式性，編出的界面精美實(shí)用，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于測試與控制行業(yè)。圖4為數(shù)據(jù)采集程序顯示主界面。數(shù)據(jù)采集主程序能夠使操作者在演示教具的時候，同時觀察采集到的數(shù)據(jù)，并調(diào)整太陽輪或行星架的主動方式。操作者也可以在交互界面上輸入所使用行星齒輪機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)，通過內(nèi)置程序算法計(jì)算出理論傳動比等數(shù)值[6]。

圖4　數(shù)據(jù)采集界面圖

圖5　數(shù)據(jù)采集程序框圖

數(shù)據(jù)采集程序的主要作用在于將采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為真實(shí)的轉(zhuǎn)速信號顯示出來。北京阿爾泰公司為USB5936采集卡提供了大量的LabVIEW調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)(CLF)。在編制采集程序代碼時，用戶可以在該節(jié)點(diǎn)的配置對話框里，對USB5936采集卡的驅(qū)動函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行選取和設(shè)置，從而驅(qū)動采集卡完成數(shù)據(jù)采集，再利用LabVIEW表格讀寫工具函數(shù)編寫程序，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和讀取。圖5為編程框圖。

3教具試驗(yàn)

按照以上機(jī)械結(jié)構(gòu)、采集硬件、數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)方案，搭建了如圖6所示的教具實(shí)物，并使用行星齒輪機(jī)構(gòu)(齒圈齒數(shù)為93，太陽輪齒數(shù)為21，行星輪齒數(shù)為36)進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖6　教具實(shí)物

試驗(yàn)通過采集程序獲得兩種工作狀態(tài)下運(yùn)動參數(shù)，并根據(jù)公式(1)和(2)分別計(jì)算兩種運(yùn)動狀態(tài)的理論傳動比，具體如表2所示。通過對比可見，裝置誤差較小，基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4結(jié)論

本文對行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示教具的機(jī)械結(jié)構(gòu)及測控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并制作教具實(shí)物一件。該教具小巧便攜，適合老師帶入課堂進(jìn)行現(xiàn)場演示。教具放在講臺上，在交換的演示過程中，可以演示行星齒輪機(jī)構(gòu)兩種不同的運(yùn)動狀態(tài)。裝置與電子軟件相結(jié)合，通過軟件可直接準(zhǔn)確的顯示出輸入、輸出轉(zhuǎn)速及傳動比，進(jìn)而可驗(yàn)證周轉(zhuǎn)輪系傳動比公式。

該教具適合機(jī)械類專業(yè)教學(xué)演示，趣味性強(qiáng)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)將有一定幫助，同時可激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新意識，因此具有較大的實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊照山，陳明．漸開線行星齒輪傳動的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]．中國紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，24(5)：27-31．

[2]黃仕扎．自動變速器行星齒輪變速機(jī)構(gòu)一體化教學(xué)探討[J]．廣西教育C:職業(yè)與高等教育版，2012，15(4)：146-147．

[3]東南大學(xué)機(jī)械學(xué)學(xué)科組．機(jī)械原理(第7版)[M]．北京：高等教育出版社，1997．

[4]龔文資．單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析[J]．制造業(yè)自動化，2011，33(21)：154-156．

[5]劉開昌，葉仲和，藍(lán)兆輝．機(jī)械原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2006．

[6]楊樂平，李海濤，趙勇．LabVIEW 高級程序設(shè)計(jì)(第2版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．

(責(zé)任編輯：李孟良)

Design and Experiment of the Demonstration Teaching Aids of Planetary Gear Mechanism Movement

BAO Hai-feng，MIAO Jian-fei，XIAO Jing-long，HE Jin-jian，LIU Kun

(School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036,China)

Abstract：In order to help the students to understand the movement of planetary gear mechanism in different working conditions, and to verify the formula of transmission ratio of planetary gear mechanism, we have researched and designed a set of demonstration teaching aids of planetary gear mechanism, including the mechanical structure and data acquisition system. The planetary gear mechanism was driven by motor for 12V. It was also accessed to the real-time motion parameters of the mechanism through the sensor and the LabVIEW data acquisition program of itself. This way, the actual transmission ratio is figured out compared with the theoretical data and then to be compared with the theoretical data. The experiment clearly illustrates that The teaching aids are reasonable in design, portable and intuitive in demonstration of the planetary gear mechanism movement.

Key words:The planetary gear mechanism；Teaching aids；LabVIEW；Data acquisition system

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8772(2016)01-0061-04

作者簡介：鮑海峰(1993-)，男，安徽省長豐縣人，在讀本科生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造研究。

基金項(xiàng)目：安徽省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(AH201410364013)。

收稿日期：2015-07-01