УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к испытательной технике, и может использоваться для исследования процесса износа и прочности зубчатой передачи, а также определения их кинематических параметров.
Известно устройство для испытания на прочность зубчатых колес и их элементов (Патент РФ на изобретение №2139512, МПК G01M 13/02, дата приоритета 06.05.1998, опубликовано 10.10.1999), содержащее корпус с установленным в нем испытуемым зубчатым колесом, нагружатель, с которым взаимодействуют переходник, нагружающий элемент и антифрикционные втулки для установки испытуемого зубчатого колеса вместе с валом, имеющим шлицы. Недостатки устройства заключаются в необходимости серьезного вмешательства при смене зубчатого колеса, необходимости изготовления дополнительных валов при изменении посадочного диаметра, а также невозможности испытания колес на трение и износ.
Наиболее близкий из выявленных и принятый за прототип стенд для исследования зубчатых колес (Патент РФ на полезную модель №155823, МПК G01M 13/00, дата приоритета 17.03.2015, опубликовано 20.10.2015). Устройство состоит из основания со статическим модулем, содержащим опорные элементы, датчики регистрации крутящего момента и углового перемещения, привод вращения и устройство регистрации измерительного сигнала, и подвижного модуля, установленного на направляющие и содержащего опорные элементы, датчики регистрации крутящего момента и углового перемещения, привод вращения, устройство регистрации измерительного сигнала и эталонное зубчатое колесо, установленное на валу и входящее в цепь последовательно соединенных валов, находящихся на одной оси с валом двигателя. При этом статический и подвижный модули снабжены дополнительными датчиками регистрации крутящего момента и углового перемещения. Недостатками ближайшего аналога являются его ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в следующем:
- невозможность получения температур эталонного зубчатого колеса и исследуемого, важных при исследовании процессов трения;
- отсутствие возможности видеосъемки процесса испытаний с его последующим воспроизведением в замедленном режиме, а также определения момента начала разрушения исследуемого зубчатого колеса, позволяющего выявить точные данные предела прочности.
Решается задача расширения функциональных возможностей с одновременным увеличением количества измеряемых параметров и получением наиболее полной картины процесса взаимодействия зубчатых колес, с возможностью прогнозирования поведения и последующего детального анализа полученных статистических данных и видеоматериалов.
Сущность заключается в том, что установка для исследования зубчатых колес, состоящая из основания со статическим и подвижным модулями, содержащими опорные элементы, датчики регистрации крутящего момента и углового перемещения, приводы вращения и устройства регистрации измерительного сигнала, эталонное зубчатое колесо, установленное на валу и входящее в цепь последовательно соединенных валов, находящихся на одной оси с валом двигателя, снабжена закрепленной на подвижном модуле с возможностью перемещения по горизонтали и вертикали и изменения угла наклона камерой видеосъемки процесса взаимодействия эталонного и исследуемого зубчатых колес в инфракрасном диапазоне оптического спектра с высоким разрешением и большой частотой смены кадров, позволяющей определять температуры взаимодействующих элементов.
Используемая видеокамера производит видеосъемку с высокой четкостью и большой частотой смены кадров, что позволяет получить подробную картину процесса взаимодействия зубчатых колес и температурные параметры области контакта и его окружения. Камера закреплена с возможностью перемещения по вертикали и горизонтали, а также изменения угла наклона и позволяет производить видеосъемку зубчатых колес с разным межосевым расстоянием, с разных ракурсов, а также разные их фрагменты.
Проведя анализ характеристик прототипа и заявляемого устройства, видим, что предложенная конструкция оснащена камерой видеосъемки в инфракрасном диапазоне с высокой четкостью и большой частотой смены кадров, что позволяет получить наиболее полную картину взаимодействия зубчатых колес, получить температурные характеристики и нализировать проведенные испытания в режиме замедленного воспроизведения видеоматериалов.
Сущность заявляемой полезной модели поясняют фиг. 1 и 2, где:
на фиг. 1 представлена установка для исследования зубчатых колес, вид спереди;
на фиг. 2 - взаимодействие установки для исследования зубчатых колес с ЭВМ.
Установка содержит основание 1 с расположенными на нем подвижным и статичным модулями. Статичный модуль состоит из пластин 2, 3 и 4. Двигатель 5 крепится к пластине 2, датчик крутящего момента 6 крепится к пластине 3, а датчик углового перемещения 7 крепится к пластине 4. Компенсационная муфта 8 соединяет двигатель 5 с датчиком крутящего момента 6, который при помощи компенсационной муфты 9 соединен с валом 10, на противоположно конце, которого находится место установки исследуемого зубчатого колеса 11. Между валами 10 и 12 зажимается зубчатое колесо 11. Вал 12 соединен с датчиком угловых перемещений 7. Подвижный модуль состоит из платформы 13, закрепленной на двух каретках 14, двигающихся по направляющим 15. Пластины 16, 17 и 18 прикреплены к платформе 13. Датчик крутящего момента 19 крепится к пластине 16, датчик углового перемещения 20 крепится к пластине 17, а двигатель 21 крепится к пластине 18. Компенсационная муфта 8 соединяет двигатель 21 с датчиком крутящего момента 19, который при помощи компенсационной муфты 9 соединен с валом 22. Вал 23 соединен с датчиком угловых перемещений 20. Эталонное зубчатое колесо 24 фиксируется между валами 22 и 23.
На фиг. 2 представлена схема взаимодействия установки с ЭВМ. Исследуемое зубчатое колесо 11 зажимается между валами 22 и 23. На двигатель 5 с ЭВМ подается управляющий сигнал, задающий момент вращения на валу двигателя 25, с которого датчиком крутящего момента 6 измеряется реальное значение крутящего момента и передается на ЭВМ. Вал 26 датчика 6 передает вращательное движение на вал 10 с закрепленным на нем исследуемым зубчатым колесом 11. Вал 12 с креплением также начинает вращаться, с которого датчиком угловых перемещений 7 формируется сигнал об угловых перемещениях и передается на ЭВМ. На двигателе 21 с ЭВМ задается тормозной момент. Эталонное зубчатое колесо 24, закрепленное между валами 22 и 23, приводится в движение. Датчик угловых перемещений 20 регистрирует сигнал с вала 23, датчик крутящего момента 19 - с вала 27. Эти сигналы передаются на ЭВМ. Видеокамера 28 производит съемку процесса взаимодействия в инфракрасном диапазоне оптического спектра и передает на ЭВМ, где производится считывание данных о температуре, а также накопление и хранение видеоматериала. На ЭВМ вычисляются значения КПД передачи, мертвого хода и кинематической ошибки, оценивается возможность дополнительного нагружения и долговечность передачи, а также определяются моменты повреждения зубчатых колес и причины их возникновения. На основе полученных данных составляется общее заключение об износе зубчатой пары. Положение подвижной платформы 13 задается с ЭВМ, передачей координат кареток 14 подвижного модуля.
Пример конкретной реализации.
2
Исследуемое зубчатое колесо с модулем m=0.5 и числом зубьев z=36 устанавливают между валами 10 и 12. Эталонное зубчатое колесо с модулем m=0.5 и числом зубьев z=42 устанавливают между валами 22 и 23. При включении на двигатель статического модуля подается сигнал, создающий момент вращения на валу двигателя 25, равный М=3.5 кг⋅см, с этого вала датчиком момента снимается заданный момент для проверки. Вращательное движение подается на исследуемое зубчатое колесо. Датчик угловых перемещений снимает сигнал через постоянные промежутки времени и передает их на компьютер. На второй двигатель подается тормозной момент М=3.5 кг⋅см. Со второго вала также снимается задающий момент. Данные с датчиков передаются на компьютер, где производится анализ. Был задан один момент, а с датчиков получен реальный. При идеальных условиях эти моменты будут равны, и КПД будет 100%. В реальных условиях будет получен реальный КПД. Также снимаются угловые перемещения и передаются на компьютер. Тем самым межосевое расстояние, определяемое по формуле , при прямозубой передаче можно регулировать подвижным модулем на направляющих. Анализируя данные угловых перемещений, определяются кинематическая погрешность и мертвый ход по формуле
1
2
1
1
2
1
1
Период функции  равен , где х - общий множитель чисел зубьев z и z шестерни и колеса. При  и целом x=z, T=2π. Если z и z не имеют общих множителей, то T=2πz, следовательно, пределы изменения периода 2π<Т<2πz.
1
2
Например, при z=36 и z=42 (х=6) , т.е. для оценки кинематической погрешности передачи необходимо в этом случае колесо повернуть на шесть оборотов, шестерня при этом сделает семь оборотов. Тем самым, используя определенные формулы и данные с датчиков вычисляем характеристики зубчатого колеса.
Оценка возможности дополнительного нагружения передачи и определение моментов и причин возникновения повреждения зубчатой пары производится по полученному видеоматериалу с видеокамеры 28, установленной на высоте зоны контакта под прямым углом к зубчатым колесам. Благодаря съемке в инфракрасном диапазоне оптического спектра получаются достоверные данные о температуре в зоне контакта, что позволяет наблюдать динамику изменения температур зубчатых колес в зависимости от нагрузки и частоты вращения. Съемка с большой частотой кадров дает возможность наблюдать момент разрушения зубчатого колеса в замедленном режиме и определить как причину возникновения дефекта, так и ее последствия.
Таким образом, установка для исследования зубчатых колес обеспечивает получение большего количества данных о процессе взаимодействия, расширяет возможности анализа и обработки полученных данных, позволяет получить наиболее полную картину зубчатого зацепления и дает возможность накапливать статистические данные для улучшения характеристик исследуемых деталей без усложнения конструкции, превосходит ранее известные аналоги и прототип.