Способ и установка для определения вариативности передаточного отношения редуктора
METHOD AND INSTALLATION FOR DETERMINING THE VARIABILITY OF THE GEAR RATIO

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытательной технике для исследования и испытания редукторов.
Для испытания редукторов компонуют стенд с приводом входного вала редуктора и нагружателем (тормозом) выходного вала. Стенд снабжают средствами измерения отдельных параметров движения валов - частоты вращения, крутящего момента и т.п.
Известны компоновочные схемы стендов с применением технологического редуктора (патент RU 161503 U1 МПК F16H 1/32, G01M 13/02, опубл. 20.04.2016; патент RU 74986 U1 МПК F16H 1/32, опубл. 20.07.2008). Привод обычно создается на основе электродвигателя, а нагрузку реализуют электромашинным генератором (патент RU 2521221 МПК G01M 13/00, опубл. 27.06.2014) или за счет функционной пары (патент RU 111657 U1 МПК G01M 13/00, опубл. 20.12.2011). Для измерения крутящего момента применяют торсионные преобразователи (патент RU 2509999 МПК G01M 13/02, опубл. 20.11.2013).
Отмеченные стенды для испытания редукторов позволяют выявить только мощностные параметры - крутящий момент, частоту вращения, коэффициент полезного действия. Существует обширный класс редукторов для цепей измерения и контроля различных приборов. Для этих редукторов необходимо знать их метрологические свойства. Основным метрологическим параметром редуктора является величина передаточного отношения в пределах одного оборота выходного вала. Номинальное значение передаточного отношения редуктора определяется числами зубцов составляющих колес и шестерен. Однако погрешности изготовления деталей, зазоры в кинематических парах, упругие деформации приводят к отклонению передаточного отношения от номинального значения.
В качестве прототипа принят стенд для приемочных испытаний редукторов по патенту RU 2029273 С1 МПК G01M 13/02, опубл. 20.02.1995. Рассматриваемый стенд содержит привод и электротормоз с обмоткой возбуждения, кинематически соединяемые с валами испытуемого редуктора, датчики движения входного и выходного вылов и устройство преобразования сигналов датчиков движения валов. В качестве датчиков движения применены моментометрические датчики, составленные из первичного преобразователя - торсиона, двух магнитопроводных дисков на его торцах с индукционными вторичными преобразователями и сумматора. В качестве устройства преобразования сигналов датчиков использован логометр. Стенд при сравнительно полной комплектации и широких возможностях не позволяет выявить метрологические свойства редуктора - непостоянство (вариативность) передаточного отношения.
Техническим результатом предлагаемого решения является разработка способа и установки для определения вариативности передаточного отношения редуктора.
Решаются задачи:
1. Разработка и обоснование способа определения вариативности передаточного отношения редуктора;
2. Разработка основных технических решений по созданию установки для определения вариативности передаточного отношения редуктора;
3. Обоснование принимаемых технических решений.
Предлагаемый способ определения вариативности передаточного отношения редуктора заключается в том, что обеспечивает исходные значения частоты вращения входного вала, момента торможения выходного вала редуктора и определяют вариативность передаточного отношения, при этом вариативность передаточного отношения определяют дискретно по разности времени вращения входного и выходного валов на базовых углах их поворота, при этом базовый угол поворота входного вала в i раз больше базового угла поворота выходного вала, где i - номинальное значение передаточного отношения редуктора.
Способ базируется на фундаментальных соотношениях между функцией и ее первой производной по времени - соотношениях между углом поворота и частотой вращения.
вх
вых
Передаточное отношение i редуктора выражается через частоту вращения ω входного и частоту вращения ω выходного валов
1
1
Рассмотрим функцию (1) дискретно. Разделим текущие значения углов поворота валов на одинаковые приращения Δ. Будем полагать, что параметры движения валов выявляются одинаковыми датчиками, которые формируют последовательности импульсов с периодом, равным времени поворота вала на приращении Δ. Получим:
вх
1
- время поворота Т входного вала на приращении Δ
вых
1
- время поворота Т выходного вала на приращении Δ
вх
вых
Обозначим базовый угол поворота входного вала через Δ, а выходного вала - через Δ. Примем
где i - номинальное значение передаточного отношения редуктора.
вх
вх
вых
вых
Для идеального редуктора время вращения t входного вала на базовом угле Δ равно времени вращения t выходного вала на базовом угле Δ
вх
вых
За это время пройдет N периодов (1) последовательности импульсов датчика входного вала и N периодов последовательности импульсов датчика выходного вала
вх
вых
где ƒ, ƒ - частоты последовательностей.
Для идеального редуктора
Для соблюдения условия (5) необходимо
соответственно для базовых углов получим
вх
вх
вх
вых
вых
вых
вых
1
Для реального редуктора на выбранном режиме испытаний частота вращений ω выходного вала и частота ƒ последовательности периодов Т постоянны, а частота вращения ω выходного вала и частота ƒ последовательности периодов Т переменны, следовательно не будет соблюдаться условие (9), т.к. Т - формула (3) - переменно. Суммируя количество приращений фазы Δ получаем базовый угол, а фиксируя время от момента начала подсчета приращений фазы до момента окончания подсчета получаем время вращения на базовом угле поворота.
вх
вых
Интервалы вращения t и t на базовых углах для реального редуктора будут не равны и определяются вариативностью передаточного отношения редуктора. Таким образом, разность временных интервалов
где в соответствии с формулами (2), (3) и (6), (7)
вых
вых
вых
t=NT;
вх
вх
вх
t=NT,
вых
вх
вых
вх
вх
вых
однозначно характеризует вариативность передаточного отношения редуктора. Заметим, что нахождение величин t и t через подсчет периодов Т, Т существенно снижает требования к стабильности частот ƒ, ƒ и требования по точности средств формирования последовательностей (датчиков).
Указанный технический результат заключается также в том, что в установке для определения вариативности передаточного отношения редуктора, содержащей привод и электротормоз с обмоткой возбуждения, кинематически соединяемые с валами испытуемого редуктора, датчики движения входного и выходного валов и устройство преобразования сигналов датчиков движения валов, каждый датчик движения составлен из двух частей, одна часть представляет собой чашеобразную втулку, установленную на консольной части вала, с плоским зеркалом на торце, закрепленным под угол к осевой линии, другая неподвижная часть выполнена в составе фотоприемника, осветителя, формирующего по осевой линии вала оптический луч, и рядного световода, первые концы световолокон которого размещены с равным шагом по соосной окружности с возможностью взаимодействия с отраженным от плоского зеркала оптическим лучом осветителя, а вторые концы световолокон собраны на оптическом окне фотоприемника, при этом устройство преобразования сигналов датчиков движения валов выполнено виде электронного блока. В предлагаемой установке электронный блок выполнен в составе устройства управления, канала временного интервала входного вала, канала временного интервала выходного вала редуктора, основные входы которых соединены с выходами датчиков движения, схемы сравнения, цепи стробирования и блока питания, при этом выходы устройства управления соединен с соответствующими промежуточными входами каналов временного интервала, основные выходы каналов временного интервала связаны со схемой сравнения, а промежуточные выходы - с цепью стробирования, первый выход которой соединен со схемой сравнения, второй - с промежуточными входами каналов временного интервала, третий соединен с входом устройства управления, при этом каждый канал временного интервала содержит формирователь импульсов сигналов датчиков движения валов редуктора, выход которого через первый вход конъюнктора соединен со счетным входом счетчика, при этом второй вход конъюнктора связан с единичным выходом устройства управления, выход счетчика через дешифратор и первый вход дизъюнктора соединен со входом сброса RS-триггера, единичный выход последнего связан с первым входом интегратора и первыми входами цепи стробирования, вторыми входами которой являются инверсные выходы RS-триггера, при этом вторым входом дизъюнктора является инверсный выход устройства управления, а его прямой выход является динамическим входом установки RS-триггера по фронту, а шина сброса счетчика соединена с инверсным выходом устройства управления. В предлагаемой установке схема сравнения выполнена на двух транзисторах с резисторами в цепях коллекторов, базы транзисторов через резисторы соединены с общей шиной и с основными выходами каналов временных интервалов, шина питания связана с первым выходом цепи стробирования, а коллекторные выводы транзисторов являются выводами схемы сравнения. Интеграторы каналов временных интервалов выполнены в составе двухвходного конъюнктора, выход которого через первый резистор подключен к коллектору транзистора, первому выводу конденсатора и является выходом интегратора, при этом второй вывод конденсатора, эмиттер транзистора и первый вывод второго резистора соединены с общей шиной, второй вывод второго резистора подключен к базе транзистора и второму выходу цепи стробирования, а второй вход конъюнктора соединен с выводом напряжения питания интеграторов блока питания. Цепь стробирования выполнена на основе последовательно соединенных дизъюнктора, RS-триггера и двух линий задержки, трех двухвходовых конъюнкторов, выходы двух из них подключены к входам дизъюнктора, первые входы двух конъюнкторов потенциальные и подключены к единичным выходам RS-триггеров каналов временных интервалов, вторые входы динамические по срезу и перекрестно соединены с первыми, входами третьего конъюнктора являются инверсные выходы RS-триггеров временных интервалов, и его выход - со входом сброса RS-триггера, выход первой линии задержки соединен с шиной питания схемы сравнения, а второй - с входом устройства управления, а устройство управления выполнено в составе тумблера, RS-триггера с дизъюнктором установки и дизъюнктором сброса RS-триггера, первый вход дизъюнктора сброса соединен соединен с источником питания микросхем на блоке питания через нормальнозамкнутый контакт тумблера, первый вход дизъюнктора установки соединен с тем же источником питания через нормальнозамкнутый контакт тумблера, вторых входы дизъюнкторов динамические и связаны со вторым выходом цепи стробирования, причем второй вход дизъюнктора сброса соответствует фронту, а второй вход дизъюнктора установки - срезу, единичный выход устройства исправления подключен к вторым входам конъюнкторов и динамическим по фронту входам установки RS-триггеров каналов временных интервалов, а инверсный выход связан с шинами сброса счетчиков и вторыми входами дизъюнкторов временных интервалов.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Компоновочная схема установки;
Фиг. 2 - Функциональная схема электронного блока;
Фиг. 3 - Схема интегратора;
Фиг. 4 - Схема сравнения;
Фиг. 5 - Эпюры напряжений.
Принятые обозначения
1. Основание
2. Испытуемый редуктор
3. Входной вал редуктора
4. Электродвигатель привода
5. Фрикционный диск привода
6. Генератор постоянного тока (электротормоз)
7. Фрикционный диск электротормоза
8. Выходной вал редуктора
9. Датчик движения входного сигнала
10. Датчик движения выходного сигнала
Датчик:
11. Чашеобразная втулка
12. Зеркало
13. Фотоприемник
14. Осветитель
15. Оптический луч
16. Световод
Электронный блок:
17. Схема сравнения
18. Цепь стробирования
19. Блок питания
Канал временного интервала входного вала
20. Формирователь импульсов
21. Конъюнктор
22. Счетчик
23. Дешифратор
24. Дизъюнктор
25. RS-триггер
26. Интегратор
Канал временного интервала выходного сигнала
27. Формирователь импульсов
28. Конъюнктор
29. Счетчик
30. Дешифратор
31. Дизъюнктор
32. RS-триггер
33. Интегратор
Устройство управления
34. Тумблер
35. RS-триггер
36. Дизъюнктор установки
37. Дизъюнктор сброса
Интегратор
38. Конъюнктор
Цепь стробирования
39-41. Конъюнктор
42. Дизъюнктор
43. RS-триггер
44, 45. Линии задержки
На основании 1 закреплены испытуемый редуктор 2, привод входного вала 3 в составе двигателя 4 с фрикционным диском 5, который взаимодействует с цилиндрической поверхностью вала. С выходным валом связан электротормоз, на основе генератора постоянного тока 6 с обмоткой возбуждения и с реостатом в цепи якоря. На валу генератора закреплен фрикционный диск 7, сопряженный с цилиндрической поверхностью выходного вала 8. Имеются два датчика движения: 9 - входного вала и 10 выходного вала. Датчики устроены одинаково. На консольной части вала установлена чашеобразная втулка 11, на торце которой под углом к осевой линии закреплено плоское зеркало 12. Вторая часть датчика закреплена на основании 1 и содержит фотоприемник 13, осветитель 14, формирующий по осевой линии вала оптический луч 15 и рядный световод 16. Первые концы световолокон световода размещены с равным шагом (равным диаметру световолокна) по соосной окружности. При такой конструкции отраженный от зеркала 12 луч 15 осветителя 14 обегает окружность первых концов световолокон. Вторые концы световолокон собраны на оптическом окне фотоприемника 13.
вх
вых
Параметрами электропитания двигателя 4 задают частоту вращения входного вала 3, а током обмотки возбуждения и реостатом якоря генератора 6 - момент торможения. В процессе вращения валов луч осветителя формирует на фотоприемниках последовательности импульсов с частотами ƒ на датчике 9 входного вала и ƒ на датчике 10 выходного вала.
вх
вых
Электронный блок установки выполнен в виде отдельной сборочной единицы и предназначен для обработки сигналов датчиков движения и выдачи информационного сигнала в соответствии с формулой (6). Функциональную схему электронного блока составляют: канал временного интервала входного вала (канал t), канал временного интервала выходного вала (канал t), схема сравнения 17, цепь стробирования 18, устройство управления и блок питания 19.
вх
вых
вх
вых
Каналы t и t однотипны. Канал t содержит последовательно соединенные формирователь 20 импульсов фотоприемника датчика входного вала, конъюнктор 21, счетчик импульсов 32, дешифратор 23, дизъюнктор 24, RS-триггер 25 и интегратор 26. Канал t составляют формирователь 27, конъюнктор 28, счетчик 29, дешифратор 30, дизъюнктор 31, RS-триггер 32 и интегратор 33.
Устройство управления представлено тумблером 34 на два положения - «сброс» и «измерение», тумблер содержит один нормальнозамкнутый контакт (Н3) и один нормальнозамкнутый контакт (HP). Имеется RS-триггер 35 с входными дизъюнкторами 36, 37.
вх
вых
u
Интеграторы 26, 33 выполнены по схеме фиг. 3. Принцип работы основан на преобразовании длительности импульсов t и t в амплитуду импульсов на основе интегрирующей RC-цепи, составленный из конденсатора С и резистора R1. Для такой цепи на ограниченном участке экспоненты напряжение на конденсаторе пропорционально длительности входного прямоугольного импульса. Для повышения линейности преобразования интегратор питается напряжением Е большим, чем напряжение питания Е микросхем.
Управляющий импульс с триггера 25 (для второго интегратора с триггера 32) открывает на время действия импульса конъюнктор 38 и заряжает конденсатор С. В это время транзистор VT закрыт нулевым смещением через резистор R2 и цепь разряда высокоомна, поэтому после окончания входного импульса напряжение на конденсаторе (выходное напряжение интегратора) остается постоянным. После окончания работы схемы сравнения 17 (задает цепь стробирования 18) происходит разряд конденсатора С через транзистор VT импульсом  цепи стробирования. На выходе интегратора формируется постоянное напряжение , потенциал которого пропорционален длительности импульсов триггеров 25, 32.
Цепь стробирования 18 выполнена по схеме фиг. 4. Цепь предназначена для управления интеграторами, схемой сравнения и создания обратной связи для устройства управления. Цепь составлена из трех конъюнкторов 39-41, дизъюнктора 42, RS-триггера 43 и двух линий задержки 44, 45. Первые входы конъюнкторов 39, 40 соединены с единичными выходами триггеров 25, 32, вторые входы динамические - это импульсы среза. Входами конъюнктора 41 являются инверсные выходы триггеров 25, 32. Триггер 43 формирует прямоугольный импульс длительностью от первого среза до второго. Далее последовательно включены линии задержки этого импульса.
Схемотехнически линии задержки 44, 45 представляют собой ждущие мультивибраторы. Выходными сигналами цепи стробирования являются стробирующий импульс  и импульс задержки  - см. эпюры напряжений фиг. 6.
u
u
Схема сравнения фиг. 5 представляет собой балансный усилитель на транзисторах VT1, VT2, коллекторной нагрузкой которых являются резисторы R2, R3. Исходное нулевое смещение задано резисторами R1, R4. Входными сигналами схемы сравнения являются выходные потенциалы ,  интеграторов 26, 33 и выходной импульс стробирования . В активной области транзисторов потенциалы коллекторов уменьшаются пропорционально базовым сигнала. Разность электрических потенциалов U пропорциональна разности входных потенциалов, следовательно пропорциональна разности длительностей триггеров 25, 32. U является информационным импульсом электронного блока и установки.
вх
вых
вх
вх
вх
вх
вых
u
вых
В исходном положении тумблер 34 устройства управления находится в положении «сброс», через его нормальнозамкнутый контакт (Н3) поступает логическая единица (напряжение питания Е микросхем) на вход дизъюнктора 37, который удерживает триггер 35 управления в исходном положении. Логическая единица на инверсном выходе этого триггера реализует исходное состояние счетчиков 22, 29. При перебросе тумблера 34 в положение «измерение» фронт напряжения Е устанавливает триггер 35 в единичное состояние и его прямой выход открывает конъюнкторы 21, 28. С этого момента импульсы ƒ датчика входного вала начинает поступать на счетчик входа 22, а импульс ƒ датчика выходного вала - на счетчик 29. Заметим, что при перебросе триггера 35 управления фронтом переключения триггеры 25, 32 были установлены в единичное состояние. При достижении количества импульсов на счетчике 22, соответствующего углу поворота Δ дешифратор 23 обеспечит возврат триггера 25 в нулевое состояние. Таким образом, цепь счета обеспечила выходной импульс триггера, соответствующий углу Δ, в то же время длительность выходного импульса определена как интервал от начала вращения входного вала на угле Δ до окончания вращения на этом угле с частотой вращения ω. Аналогичный импульс будет сформирован из сигнала ƒ на триггере 32. Длительности импульсов триггеров 25, 32 интеграторами 26, 33 будут преобразованы в электрические потенциалы (напряжения) и поступят на базовые входы схемы сравнения. Стробирующий импульс  обеспечит коллекторное питание схемы сравнения, последняя сформирует информационный импульс U. Далее фронтом импульса задержки  через дизъюнктор 37 триггер управления будет переведен в исходное состояние. Цикл измерения завершен. Через время равное длительности импульса задержки  срезом этого импульса через дизъюнктор 36 триггер 35 управления будет переведен в единичное состояние и начнется очередной цикл измерения. Поскольку положение импульса стробирования  на временной оси переменно, то фазовое положение угла Δ постоянно смещается. Поэтому с увеличением числа полных оборотов выходного вала итоговый шаг дискретности по выходному валу будет уменьшаться.
4
6
вх
вх
вх
вх
вых
вых
Способ осуществляется следующим образом. Напряжениями U и U на блоке питания устанавливают режим испытания редуктора - частоту вращения ω входного вала и момент торможения. Перебрасывают тумблер 34 из положения «сброс» в положение «измерение». В этот момент триггер 35 устройства управления переходит в единичное состояние и его фронт устанавливает триггеры 25, 32 временных каналов в единичное состояние. Одновременно единичным выходом триггера 35 открываются конъюнкторы 21, 28 и сформированные формирователями 20, 27 импульсы датчиков движения 9, 10 начнут заполнять счетчики 22, 29. После набора счетчиком 22 N импульсов одноименный выход дешифратора 23 переведет триггер 25 в нулевое состояние. Таким образом, длительность выходного импульса триггера 25 равна времени вращения t входного вала редуктора на угле поворота Δ. Аналогично триггер 32 сформирует импульс длительностью t соответствующий углу поворота Δ выходного вала редуктора.
вх
26
вх
вх
вых
вых
За время t происходил заряд конденсатора С интегратора 26 - эпюра U. После окончания импульса t напряжение на конденсаторе интегратора 26 равно . Это напряжение пропорционально времени t. Аналогично на интеграторе 33 будет получено напряжение , пропорциональное времени t вращения выходного вала на угле Δ.
25
32
25
35
43
43
u
Передаточное отношение редуктора может отклоняться от номинального значения в любую сторону. Соответственно моменты окончания импульсов триггеров 25, 32 произвольны - эпюры U, U и эпюры U', U'. Цепь стробирования формирует импульс U, длительность которого равна временному интервалу между срезом импульсов триггеров 25, 32 при любой комбинации. По окончании импульса U цепь стробирования формирует импульс считывания . Этот импульс является напряжением питания схемы сравнения - фиг. 5. На базы транзисторов схемы сравнения поступают напряжения  и  интеграторов. Пропорционально разности базовых напряжений возникает разность напряжений на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Эта разность является информационным сигналом U.
u
Далее цепь стробирования формирует импульс задержки , который переводит триггер 35 устройства управления в исходное нулевое состояние. По окончании импульса  процесс измерения будет повторяться до тех пор, пока пользователь не перебросит тумблер 34 в положение «сброс». Измерительные импульсы U могут фиксироваться регистратором или поступать на дисплей для визуального наблюдения.
Таким образом, предлагаемый способ и установка позволяют в автоматическом режиме выявить вариативность передаточного отношения редуктора на произвольно выбранных частотах вращения входного вала и моментах торможения выходного вала редуктора. Конструкция установки достаточно проста, электронный блок построен на типовых элементах электроники.