精密齿轮传动误差检测试验台的设计

Tool & Hydraulics ,2019,47(8) : 140—145.精密齿轮传动误差检测试验台的设计曹科I,张向慧I,弓宇2,吴哲2(1.北方工业大学机械与材料工程学院，北京100144； 2.机械科学研究总院中机生产力促进中心，北京100044)摘要：齿轮传动被广泛应用于各种要求平稳性好、传动精度高等场合，其传动误差是影响传动精度的主要误差来源。 利用动态齿轮传动误差原理和虚拟仪器技术，集成高精密光栅角度传感器，搭建一套测量单齿啮合和整箱(变速箱)传动 误差的综合测量试验台，具有贴合实际工况、自动化程度高、严格测试节拍、测试精度高等优点。试验结果验证了该测试 系统能够快速准确测量精密齿轮和变速箱传动误差，以期对齿轮修形优化并提升变速箱的整机性能提供参考。关键词：齿轮传动；传动误差；虚拟仪器；检测；试验台中图分类号：TH132.41 ; TH 132. 46Design of Precision Gear Transmission Error Test BenchCAO Ke1, ZHANG Xianghui1, GONG Yu2, WU Zhe2(1. College of Mechanical and Material, North China University of Technology, Beijing 100144, China ；2. China Productivity Center for Machinery, China Academy of Machinery Science &Technology, Beijing 100044, China)Abstract: The gear transmission is widely used in various kinds of stable and high performance environment, its transmission er­

ror is the main error source that affects transmission precision. By using the theory of dynamic transmission error of gear and the virtual instrument technology, integration of high precision grating angle sensor, a set of composite measurement test bed was built which could

be used to measure single tooth meshing and the whole case (gearbox) transmission error. It has the advantages of fitting actual condi­tions ,high degree of automation, strict test beat and high accuracy. The test results prove that the test system can be used to measure

gear and gearbox transmission error fast and accurately. It provides reference for transmission gear modification and optimization of ma­

chine performance.Keywords: Gear transmission； Transmission errors； Virtual instrument； Measurement； Test bench0 前言机械传动具有多种形式，主要分为带传动、链传

纵置整箱传动误差。随着汽车行业的发展，变速箱作

为汽车重要的零部件，其质量越来越受到客户的关 注。贴合实际工况的试验检测是现在变速箱试验研究

动和齿轮传动。其中齿轮传动靠主、从动件相互啮合

传递动力和运动，是目前机械传动中应用最为广泛的 传动形式。齿轮传动具有结构紧凑、传动比恒定、使 用寿命长、平稳性好、传动效率高等优点，被广泛应

的关键。传统的单项齿轮误差检测根据齿轮各项加工 误差对使用性能的影响，将齿轮公差划分为3组\"：， 每一组中的各项内容都需要专业的仪器设备进行检

用于汽车、飞机、船舶等的机械传动系统中。汽车变 测，致使检测过程繁琐、效率较低、自动化程度不 高⑵。此试验台利用两台电机模拟汽车实际行驶工况

速箱中主要运用齿轮啮合来传动转速和扭矩。齿轮传 动误差主要影响齿轮啮合质量和平稳性，也是整个机

下的发动机和行进时车轮对与地面之间产生的负载。

械传动的振动和噪声根源。因此，对于齿轮传动，如 利用单齿面啮合和绘制传动误差曲线来测试分析齿轮 传动误差的方法，相比较传统的单项齿轮误差检测方 法具有更贴近实际工况、测量误差全面等优点。最重

何准确检测出齿轮传动误差成为检测齿轮啮合质量的 一个重要性能指标，同时也为齿轮修形提供参考，具

有重要的工程应用价值。要是避免反复过程中重新引入不确定误差，而且可进

所述试验台测试项目包括单齿传动误差和横置、行频谱分析，有利于提高精度。收稿日期：2017-12-28作者简介：曹科（1992—），男，硕士研究生，研究方向为机电一体化、工业过程控制。E-mail: 1398240215@ qq. como第8期曹科等：精密齿轮传动误差检测试验台的设计• 141 •1传动误差试验原理1. 1传动误差定义传动误差作为齿轮啮合质量检测的重要性能指

标，是齿轮啮合振动和噪声的根源之一。因此，它的 准确检测决定着齿轮在应用环境中减振降噪的效果。

英国剑桥大学J I） SMITH教授对传动误差下了定 义⑶：“当齿轮箱是完美的，无误差无挠曲时，它的 输入轴位置与实际输出轴位置之差。”齿轮传动误差

概念模型如图1所示，其中大齿轮A是理想的无误

差或者误差很小的主动轮，小齿轮$也是理想的无 误差或误差很小的从动轮，而B?是实际从动轮。当 A转动一定角度时，B|转动乞，B?转动切，则两从

动轮转过角度的差值称为齿轮的传动误差。得出角度传动误差为△% = 6、— 6 2沿啮合线方向上的传动误差为=甩（耳-©2）式中：◎为B|转动的角度，&2为B：转动的角度。图1传动误差定义模型1.2传动误差检测原理此试验台采用动态检测齿轮传动误差方法。动态 传动误差检测方法是在齿轮工作过程中实时连续测量 传动装置的输入轴和输岀轴的转角位移，并与理论转

角值做对比，得到不同角度下的传动误差值。采用雷 尼绍公司SIGNUM-REX M系列圆光栅编码器，角度 分辨率达0. 004\精度达土 0.5\"。利用DSI接口在 REXM圆盘上安装两个SiGNUM^SR读数头，以消除

包括偏心在内的奇次谐波误差，并对静态和动态轴承 偏移的影响进行补偿⑷。而且DSI相对于控制器而言 就像一个独立的高精度光栅。通过采集卡对检测数据

进行采样，传递到编制的上位机检测软件，拟合实际

齿轮啮合传动误差曲线。然后，利用信号处理技术对 传动误差曲线进行频谱分析，根据分析结果选择滤波 器并对其进行滤波，重新分析计算滤波后的传动误差

曲线，得出所需误差值。动态传动误差测量原理如图2所示。驱动电机带 动小齿轮转动，加载电机给大齿轮施加负载，模拟齿

轮啮合的实际工况。在大齿轮和小齿轮的轴上分别安 装圆光栅编码器，实时测量驱动轴与加载轴转动的角 度 Ac/）,、根据图2,主动轮（小齿轮）总体传动误差表示

式为乞⑴=［即-呼］-务X\"-晔］同理，从动轮（大齿轮）总体传动误差表示 式为△4） =［卿-理］-字⑹\"-理］ZA式中：A、B分别表示小齿轮和大齿轮；旷＞、&⑹分

别表示t时刻和初始时刻的角度值；Z*、Z”分别表 示小齿轮和大齿轮的齿数。通过上面的公式可知，在测量齿轮传动误差时，

只需要测量大齿轮和小齿轮的实际转角就可以了。图2动态传动误差测量原理图1.3 传动误差测试数据频谱分析和滤波处理传动误差信号作为一个平衡的隐含周期项的随机

信号⑴。通常随机信号处理分析分为频域内分析和时

域内分析两种。在传动误差频谱分析中采集的是时域 信号，为了能分析齿频处的频谱，则频域分析是将时

域内的信号通过快速傅里叶变化为频域内信号。高精度光栅采集到的信号往往有多个信号掺杂而 成，其中包括⑹：啮合齿频及各阶次谐波、啮合频率

和高阶次频率附近出现的边频带、齿轮轴旋转时产生

的轴频和低次谐波以及交叉调制成分等。由于掺杂的 无用信号，在频谱分析之前运用带通滤波器进行滤波 处理。带通滤波器只能允许设定范围的频率通过，低 于或高于设定频率的都禁止通过，从而筛选出频谱分

析需要的齿频。然后，利用反傅里叶变换将频域谱转

化为时域谱，绘制滤波后的传递误差曲线。2试验台总体硬件集成和工作原理此试验台测量是基于虚拟仪器技术，依托高精度 测量仪器光栅搭建的一套测量系统。测量内容包括：（1）直连轴台体精度测量；（2）单齿面传动误差测

量；（3）纵置变速箱传动误差测量；（4）横置变速 箱传动误差测量。试验台总体主要由机械系统、控制• 142 •系统、测量系统和软件系统构成，如图3所示。机床与液压第47卷载电机扭矩范围为0-6000 N - mo选用ABB ACS880

系列并且与驱动加载电机功率匹配的变频控制器，且 带编码器模块和ModBus模块。控制系统与变频控制器之间基于ModBus通信协议完成通信。til Ils▼ 采集 NI-PCI1大齿轮转角光栅B*!■j小齿轮转角 旧光栅a工控机运动控制(»1变频控制器1卜|驱动电机田驱动端轴II---------1---------- I ahVlEW屮 变频控制戴制加载电机制 加载端轴卩数据分析软件忖上位机显示图3试验台总体结构图机械系统主要包括驱动单元，加载单元，x、r 向调整机构等。其中驱动单元和加载单元由驱动电

图4电气控制示意图测量系统由扭矩传感器、主轴圆光栅、测量模块

机、减速机、扭矩传感器、联轴器等组成，驱动源和 加载源采用两台ABB公司专用试验变频电机，来实 际模拟变速箱实际工况下的环境，即汽车实际行驶工

光栅和磁栅传感器组成。驱动单元和加载单均采用 HBM法兰式结构扭矩传感器，测量精度 0.05%FS/t。光栅传感器角度分辨率达0.004\精

况下的发动机和行进时车轮对与地面之间产生的负

度达±0.5\"。基于齿轮接触斑点情况，通过试验台调

载。利用两个丝杠调节驱动单元的X向移动和加载 单元的y向移动。整机构使齿轮达到最佳啮合效果。3软件系统设计试验台测试系统的人机交互界面运用NI公司开 发的LabVIEW软件进行编写。LabVIEW是一种运用

控制系统集成了工控机、变频控制器、FPGA板

卡、NI-PXI系列平台、模拟量板卡。它们之间的控 制示意图如图4所示。采用NI发布的全新开放式模 块化仪器总线规范 PXI ( PCI eX-tensions for Instru­mentation) ；控制系统采用NI PXI多功能DAQ数据

图形化编程代替传统代码编程的G语言开发环境， 广泛应用于工业、学术和实验室研究中，被视为采集

采集板卡，60 V DC无间断的组隔离，8路模拟输入

数据和控制仪器的标准软件。LabVIEW软件主要由 驱动控制、加载控制、数据采集、数据传输、传动误 差测量、数据处理、数据储存和报表生成等模块

(±20 mA), 2路模拟输出(0~20mA), 16位分辨

率，采样率达500 kS/s, 6路数字输入和4路数字输 出，24 V源极电压⑺。PXI数字RI0板卡具有8路模

组成。在软件编程中，采用生产者和消费者的结构关

拟输入/模拟输出、200 kHz独立采样率、16位分辨

系，即运动部分和信号采集部分为生产者，数据分

率，输出具有1 MHz独立更新率、16位分辨率，提 供可编程的FPGA芯片⑺，同LabVIEW的高速FPGA 采集模块协同配合。试验台根据所测试被试件最大承

析、处理、显示为消费者。同时，在软件设计编程 中，采用逐级细化，创建多个子VI去完成不同功能 的任务模块。上位机LabVIEW人机显示界面实现了

受扭矩和所需转速，基于试验过程中对扭矩和转速的 控制精度高，驱动源和加载源选用变频调速专业试验 电机。其中驱动电机扭矩范围为0~ 1 000 N - m,加试验状态及报警、试验项目选择、数据存储与报表生 成和试验操作步骤说明等功能，其功能结构如图5 所示。［登录，界面］|测试'界面|1 ~试验状态及报警|试验输入参数—|产品信息|—|额定参数|—|人员信息|~1 ~试验项目—1电机状态—1通信状态—1急停报警T加载扭矩状态1J风机起停状态|—一—单齿传 递误差整箱传 递误差直连轴—|数据保存|—|数据査询|

—|结果分析| ―|导出数据| —|报表生H齿轮参数|3. 1状态机架构

图5人机界面功能结构图态之间的转移，发生转移的动因、条件以及转移中所状态机是软件编程中的重要概念，通常用状态机 图描述一个对象在其周期内所经历的各种状态，而状

执行的活动，是编程者逻辑思维方式的表现。随着自动化程度的提高，生产中常常伴随的许多重复工序、第8期曹科等：精密齿轮传动误差检测试验台的设计• 143 •动作执行、情况判断都可以运用状态机来促成。制 打开传动误差软件，连接通信后直接进入欢迎使 用界面，单击开始试验随即进入到输入参数界面中。

定状态机必须首先对系统过程进行细致分析，考虑各

种情况及处置方法制定缜密的状态机图。一般状态机 输入界面模块中包括产品信息、额定参数、齿轮参

有4个要素：状态、转移、事件和动作。传递误差试 验台控制程序系统流程图如图6所示。数。为减少逐个填写麻烦，可直接选择保存过的参 数。对于新录入的信息，可以点击“保存”按钮保

存当前型号参数至数据库（如果该型号参数已被保 存过，可直接点击“应用”按钮生效参数）。检查重

要信息无误后，点击“应用”按钮参数开始生效并 解锁传递误差试验项目选项卡。3. 3 传动误差试验台试验模块传递误差试验项目有单齿传递误差和整箱传递误 差。参数生效后，将解锁传递误差选项卡，当单齿传 递误差实验的录入传动比与齿数比计算数值一致时，

解锁单齿传递误差选项卡。单齿传递误差和整箱传递 误差项目的界面很相似，在这里只介绍单齿传递误差

界面。单击“单齿传递误差”选项卡，进入单齿传 动误差测量试验。开始测量之前要进行必要的参数设

置，如电机输入转速及扭矩、扭矩稳定限值、传动 比、采样周期及误差高度等。点击“开始试验”进

图6传递误差试验台控制程序系统流程图3. 2 传动误差试验台测试模块2017/12/25 星期一上牛 11:22:36入测量过程。试验界面如图7所示。.誑血Lb介亠3 W山滋*逋,.■二 .„欢迎使用电机设置输入參救II i 17血碇矩］檢入转速10

叫rpm输入扭矩c % 耒数设置»1

Nm200 *0joS~~|r}wn0Nrn■«Htfit «»起隈标示aa 0

传劭比 «齿轮调护中心柜与交却传角/ 9.幵始试軽E3中止

保存接議区鲍免呆分析4试验内容4. 1 被试件的安装图7试验模块人机界面量横置变速箱时，光栅布置于不同轴间测试的啮合齿

轮副不同，并且利用不同光栅角度传感器组合完成测 试。当测试挡位齿轮副的传递误差时，将输出端小光

单齿传递误差试验中，主动轮和从动轮为一对斜 齿轮，利用花键盘与驱动端和加载端相连接。调节驱

栅布置于中间轴上，选择输入端大光栅和输出端小光 栅组合；当测试主减齿轮副（常啮合）的传递误差 时，将输出端小光栅布置在中间轴上，选择输出端大

动平台x方向、加载平台y方向距离，使啮合间隙

适当，不至于啮合过程中出现太紧卡死或太松滞后量 太大的现象，减少代入的装配误差。连接完成后，锁

光栅和输出端小光栅组合。在试验中，圆光栅角度编码器的装夹对测量至关 重要。高精度光栅角度编码器是最核心零部件之一，

紧驱动平台和加载平台的锁紧螺母。变速箱整箱传递误差试验中，纵置变速箱和单齿

传递误差一样，只需要主轴圆光栅角度传感器。在测

它所采集的数据是试验测量结果的依据。编码器测量

• 144 •机床与液压第47卷稳定性保证着测量结果的准确和稳定，测试过程中要 观察编码器读数头LED灯和DSI接口上的指示灯是

(4)将同一被试件拆卸重新安装，改变原有试验 工况，按照同样装配流程安装完毕，同样设定20 r/min,输入扭矩设为30% ( 120 N • m),采样点为

否为正确状态，否则要对读数头进行微调。4. 2试验步骤(1)首先进行单齿传递误差试验，涂抹漆料进

4 000点/周，采样时钟为100 MHz,试验C数据保存 至数据库。行接触斑点测试，检验接触斑点位置。如图8所示, 齿轮啮合区偏向啮入区，通过调整试验台而改变接触

4.3试验结果表1和图9—图11是所得的传递误差试验A、B、

区，为传递误差测量提供最佳啮合状态。C时频域误差数据及绘成的误差曲线。表1传递误差数据试验输入转速/输入扭矩/(N ・ m)有效值/|im单齿切向组(r • min-1)误差/|im3.553.6810101201201201201.231.351.451.191.22一10103.834.0010201201201201201201201203.821.241.253.454.0120图8齿轮啮合接触斑点

(2) 采样点为4 000点/周；设定试验输入转速

二2020201.321.203.743.673.333.333.7310、20 r/min,输入扭矩为120 N • m,采样时钟100 MHz,试验A完成后，分别保存试验结果到数据库。1.151.151.362020(3) 设定输入转速为20 r/min,输入端扭矩设定

120120额定扭矩的30% (额定扭矩400 N • m)。采样点为

三2020201.271.251.43

3.613.544.144 000点/周，采样时钟100 MHz,将试验B数据保存

120120

至数据库。图9试验A传动误差曲线图10试验B传递误差曲线图11试验C传动误差曲线第8期由试验结果可知：曹科等：精密齿轮传动误差检测试验台的设计

• 145 •(6)在测量过程中，为保证测量结果不失真，

(1) 改变转速，对传递误差结果无明显影响。(2) 对于同一被试件而言，改变装配工况，检测

采样频率至少为传感器响应频率的10倍。参考文献：[1] 石照耀，张旭.齿轮单面啮合测量误差技术的发展及其

结果的重复性很好，其试验台检测系统的稳定性较好。(3) 10圈测试采样中，传递误差曲线对齐效果

应用[J].工具技术,2008,42( 3):10-15.SHI Z Y,ZHANG X.Development and Application of Gear

好，检测准确性较高。5结论通过分析齿轮传动误差，研究了传动误差测量方

Single-flank Testing Technology [ J ]. Tool Engineering, 2008,42(3)：10-15.法，并集成高精度传感器和硬件设备，研发了针对变 速箱及单齿传递误差测量试验台。进行了测试验证，

[2] 邵文,唐进元，李松.基于传动误差数据的齿轮误差检测

方法与系统[J]•测控技术,2011,30( 11):91-95.SHAO W,TANG J Y,LI S.Gear Errors Measuring Method

结论如下：(1) 对被试件测量中，保证标准测量件误差足

and System Based on Transmission Error [ J . Measurement & Control Technology,2011,30( 11) ：91-95.够小。如在单齿传递误差中，确保标准件在制造中引

[3 ] SMITH J D. Gears and Their Vibration [ M ]. Houndmills:

入较小误差，对被试件测量结果引入更小误差。(2) 设计的变速箱齿轮传递误差试验台测量系

Pal-grave Macmillan, 1993.[4] 张白.小模数蜗杆副综合误差测量仪的测控系统设计

统稳定性好，能够用于减速箱齿轮传递误差检测试

[D].北京:北京工业大学,2010.[5] 翁家骏•特种机电系统传动误差测量方法研究和应用

验，且试验结果能反映精度。(3) 在提高测量传感器精度的同时，消除或者

[D].西安:西安电子科技大学,2013.[6] 秦树人•一种新型齿轮机床传动链精度检测和故障诊断

减少装配、信号采集、滤波处理等环节误差引入，是

保证传递误差数据准确性的关键。(4) 要使试验设备测试结果准确不单单只是提

仪[J].机械工程学报,1990,26(2):57-63.QIN S K.A New Type of Gear Machine Tool Chain Preci­

高测量精度，更重要的是贴合被试件实际工况，测量

sion Detection and Fault Diagnosis Instrument [ J .Journal of Mechanical Engineering, 1990,26(2) ：57-63.[7] 张云龙.基于LabVIEW的汽车电控设备测试系统研究

[D].天津:河北工业大学,2014.的数据才更有参考价值和意义。此试验台利用两台电 机模拟汽车实际行驶工况下的发动机和行进时车轮对

与地面之间产生的负载，测试了变速箱及单齿在正拖

和反拖时传递误差。(5) 对于新的试验件，进行性能测试前，应先

[8] LIN A D, KUANG J H. Dynamic Interaction between Con­

tact Loads and Tooth Wear of Engaged Plastic Gear Pairs

[J ]. International Journal of Mechanical Sciences, 2008, 50：205-213.进行逐级上升至额定转速的空载跑合，使试验件的齿

轮、轴承等部件磨合后再进行性能测试，更能代表试 验件的实际使用工况性能。(上接第102页)[5 ] TANAKA Y, NAKANO K. Energy Saving Hydraulic Power

Source with Inverter-motor Drive [ C ] //Proceedings of Cen­

[9] 谢竹铭.齿轮检测[M].北京冲国计量出版社J991.(责任编辑：张艳君)Problems of MPPT Strategy Based on the Active Power Control of Hydraulic Wind Turbine [ J ] .Journal of Mechani­

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