齿轮测速的发展与展望

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1、圆柱齿轮旋转速度检测系统设计1前言齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，齿轮在传动中的 应用很早就出现了。19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机 床与刀具的相继出现，随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。它在机械 传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数O.004100毫米；齿轮直径由1毫米150米；传递功率可达上十万千瓦；转速可 达几十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。齿轮是机械设备中重要的传动部件，随着工业自动化程度的不断提高，工业 生产对齿轮转速的测量也提出了越来越高的要求；另外，许多转轴转速的测量都 是通过安装测速齿轮来实现

2、的。因此设计一个简便实用、高精度的齿轮测速系统 有着重要的实用价值。1.1课题研究目的齿轮转速对齿轮传动接触疲劳寿命影响通过热弹流润滑数值计算，分析了齿轮转速对齿轮传动接触疲劳寿命的影 响。研究结果表明:在一定的工况条件下，提高齿轮转速有利于延长齿轮传动的接 触疲劳寿命;然而，当齿轮转速超过一定值时，疲劳寿命随转速的提高不增反降。这 一研究结果对国际齿轮强度计算标准中所荐速度系数的适用范围提出了质疑。齿轮传动是机械传动中最重要的传动形式之一。齿轮传动常见的失效形式有 齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形等，这些失效形式均与齿轮传动 的润滑性能息息相关，而齿轮转速又是影响润滑性能的重要因素

3、。机械工程与自动化2010年05期）齿轮传动是靠轮齿的啮合来传递运动和动力的,轮齿失效是齿轮传动常见的 失效形式。齿面常见的失效形式有齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变 形等。理论和实践均表明，轮齿失效与齿轮润滑戚息相关，而齿轮润滑又与齿轮转 速密不可分。所以,探讨齿轮转速对齿轮传动接触疲劳寿命影响是必要且可行的。太原理工大学2010年 齿轮转速对齿轮工作箱工作效率的影响此外，齿轮转速也会在很大程度上影响齿轮箱的工作效率。随着近代工业 技术的高度发展，齿轮箱正朝着高速高效和强力方向发展，传动系统传递的功率不 断增大，齿轮转速不断加快，使得振动和噪声问题更加尖锐突出。齿轮箱的噪声水 平可以

4、从客观上反映其工作状态，因此，噪声可作为齿轮箱运行状态监测的重要指 标;同时，随着环境噪声标准的提高，厂家也更加注重齿轮箱出厂前的噪声检测，因 此,研究齿轮箱的振动和噪声显得尤为必要。大连理工大学2009年齿轮转速对系统噪声的影响齿轮转速和系统的噪声有着密切的关系。的车辆是现代生活最常用的交通工 具,也是影响最大的噪声污染源，因此必需控制车辆噪声。齿轮在低速运转时，噪声 并不大，但随着转速的提高，噪声急剧增加,于是就变成车辆的主要噪声源之一。控 制齿轮噪声,对降低车辆噪声具有非常大的价值。高速齿轮噪声的主要产生机理 在于交替啮合时的轮齿冲击，而产生轮齿冲击的根源在于轮齿受力变形破坏了理 论啮合

5、关系。重庆大学2008齿轮转速对齿轮传动系统的影响齿轮转速也会影响齿轮传动系统的功能性。齿轮传动系统通过主、从动齿轮 的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、 点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和失效必然引起机 械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它 的健康状态（失效与否）信息，监测和分析振动信号自然就可以预测齿轮和齿轮传 动系统的失效。哈尔滨工业大学2006齿轮转速也是影响空间齿轮磨损的因素随着空间技术的发展,机械部件的寿命成为空间技术中急需解决的问题之 一。齿轮机构作为重要的传动机构在空间飞行器中具有广泛

6、的应用，研究空间齿 轮磨损的产生条件与抑制措施，从而提高空间齿轮机构工作的可靠性与寿命具有 重要的理论意义和实际意义。齿轮接触应力是齿轮磨损的主要影响因素。本文以 真空环境中工作的齿轮机构为例,进行空间齿轮的热力耦合接触分析，并进行热真 空实验，验证热力耦合接触分析的结果。本文基于Hertz接触理论,建立齿轮接触 应力沿啮合线变化的数学模型。通过MATLAB?编程形成一套数值计算方法，数值 求解了齿轮啮合过程中接触应力沿啮合线的分布规律，为分析齿轮接触区温度奠 定基础，并分析了负载转矩、齿形角和齿宽对齿轮接触应力的影响。同时，对比数 值计算得到的齿轮接触应力与有限元接触分析得到的齿轮接触应力，

7、以验证有限 元接触分析模型的正确性。基于Block闪温理论，建立齿轮啮合过程中接触区瞬 时温升沿啮合线变化的数学模型，数值求解了齿轮啮合过程中接触区瞬时温升沿 啮合线的分布规律，作为热力耦合接触分析时的边界条件，同时分析了转矩、转速、 滑动摩擦系数以及齿形角对齿轮接触区瞬时温升的影响。然后将空间齿轮热力耦 合接触分析所得结果与不考虑温度边界条件下的接触应力进行对比，分析接触区 温度对接触应力的影响。进行了空间齿轮机构热真空实验,测量实验前后每个齿 轮的重量,考察齿轮的磨损情况。采用扫描电镜分析了空间齿轮在真空环境下的 磨损形式，同时分析了齿轮轮齿在齿顶、节圆附近以及齿顶和节圆之间的磨损程 度。

8、根据齿轮磨损程度与接触应力的对应关系，验证热力耦合接触分析的结果。哈尔滨工业大学20101.2课题研究意义转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集 和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展 的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模 及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对 脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系 统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。因此， 本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环

9、境， 利用80c51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发， 分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电 路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。课题以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电 机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的诲多场 合。如车辆的里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构， 因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提 高现代化水平。并且，

10、几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之， 转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。1. 2转速测量在国民经济中的应用转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为 广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有 其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。下 面列举二例加以说明。转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计 数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速 引起的某种物理量的变化；同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测 量转速，根据不同的转换方式

11、，测试方法参看表11所示。型式测量方法适用范围特点备注计机械式道过齿轮转动数字轮中、低速简单、价廉数式光电式来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲中、高速数字式1电磁式利用磁电转换器将转速变换成电脉冲中、高速数字式模拟机械式利用或心力与转速成平方成正比的关 系中、低速简单式发电机式利用电机电流或交流电店与转速成正 比关系局速可远距指 示测速发电机电容式利用电容充、放电与转速成正比的关系中、高速同步机械式转动带槽的圆&观察旋转体的同步关 系中速式闪光式用已知频率闪光测出旋转体同步的频 率中、高速一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有 些情况下，其测量精度，瞬时稳

12、定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和 传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、 电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动 机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测 量和显示其转速及瞬时转速。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性, 要求能测得瞬时转速。转速测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速 发电机为检测元件，得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光 栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛

13、应 用，特别是高性能/价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核 心的数字法，智能化微电脑式代替了一般机机械式或模拟量结构。本文介绍一种 用89C51单片机实施低速转速（如测量卷扬机的瞬时转速）的测量方法。在工程实际中，经常遇到各种需要测量转速的场合，如机床主轴、发动机、 电动机、卷扬机等旋转设备的测试、运转和控制中，有时还需要将转速显示出来, 测速环境和精度要求不同相应的测量方法也不同。转速测量方法分为模拟式和数 字式两种，模拟式应用测速发电机为检测元件，获取的信号为电压量;数字式常采 用光电编码盘、霍尔元件等为检测元件得到的是脉冲信号。但是利用光电编码盘 测转速对环境要求很高，如

14、果粉尘、油污比较严重，将大大降低测量的可靠性。 用霍尔元件测速可以避免上述不足，但是霍尔元件的温度稳定性较差，一般还需 要把高磁场强度的磁钢安装在被测轴或齿轮上，对它们的运转会产生一定的影 响。其输出信号对测量间距非常敏感，因此对安装的要求较高（测量间距小于几个 毫米）。本文介绍一种新的数字式转速测量法，它能够克服上述各项缺点。该方 法是基于铁质齿轮的轮齿、齿谷转过测试点时，使该处的地磁场强度发生变化的 原理，利用高灵敏度磁阻传感器探测该变化进行的。齿轮的每个轮齿经过磁阻传 感器时，都使其产生一个输出信号，处理后转变为输出脉冲，由单片机系统读入 该脉冲并计数处理为转速数据，经四位LED显示。本

15、设计方法对被测系统无任何 影响，适用多种工作环境，特别是在轴或齿轮运转的同心度较差、灰尘及油污较 严重的场合测转速更具优势。2. 齿轮转速测量方法综述转速是能源设备与动力机械性能测试中一个重要的特性参量，因为动力机械 的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的。转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度 也各不相同，根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非 接触式转速测量仪表。依照显示方式又可分为：模拟方式和数字方式。传感器是一个系统必不可少的元件，传感器的性能在很大程度上决定了系统的 整体性能。目前用于转速测量的方法主要有以下四种：机械式转速表、测速电机、 光电式传感器、磁电式传感器。3. 齿轮转速测量方法综述转速是能源设备与动力机械性能测试中一个重要的特性参量，因为动力机械 的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的。转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度 也各不相同，根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非 接触式转速测量仪表。依照显示方式又可分为：模拟方式和数字方式。目前用于转速测量的方法主要有以下四种：机械式转速表、测速电机、光电式传感器、磁电式传感器。3.1. 机械式转速表常用的机械式转速表有离心式和钟表式。离心式转速表是利