CN114252264B - 一种行星排滚针轴承试验装置及方法 - Google Patents

一种行星排滚针轴承试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种行星排滚针轴承试验装置及方法，试验装置由两个完全相同的斜齿行星排、活塞、端盖、主轴等组成，可以模拟行星轮滚针轴承的实际工况：滚针轴承内外圈转速差通过调节太阳轮和行星架转速确定；滚针轴承所受载荷包括离心载荷与径向载荷，离心加速度及离心载荷通过调节行星架转速确定；径向载荷确定方法为：通过调节活塞两端液压腔的液压差，使分别与活塞和主轴固连的斜齿太阳轮上产生相反的轴向力，进而产生切向力给行星轮加载，最终通过轴承的径向载荷平衡。该试验装置可实现功率流封闭循环，电机仅需要补充试验装置的功率和扭矩损失，减少了装置的能量损耗。

Description

一种行星排滚针轴承试验装置及方法
技术领域
本发明属于滚针轴承试验设计的领域，尤其涉及一种行星排滚针轴承试验装置及方法。
背景技术
行星排滚针轴承是行星齿轮机构的关键零件，其实际运行工况复杂多变：内外圈转速差大，载荷高，此外，其还承受非常高的离心载荷，是传动部件中最易损的零件，仅靠计算机辅助仿真不足以支撑理论设计和大规模应用，因此往往需要采用试验测试进行验证。
现有的轴承试验台往往难以施加载荷，仅试验滚针轴承的转速特性，为解决这一问题，有研究者改进试验台，通过加载螺杆的旋转施加径向载荷来研究角接触球轴承的静态特性；也有研究者通过弹簧的压缩对轴承施加载荷；此外，还有研究者针对印刷机使用的轴承设计了专用的轴承试验台。但是以上的方法均会因为拖曳载荷造成大量功率损耗，同时需要配备大功率和高扭矩的电机，大大提高了试验的成本。
发明内容
本发明公开了一种行星排滚针轴承试验装置及方法，试验装置由两个完全相同的斜齿行星排、活塞、端盖、主轴等组成，用于模拟行星排滚针轴承的实际工况。使用时，滚针轴承内外圈转速差通过调节太阳轮和行星架转速确定；滚针轴承所受载荷包括离心载荷与径向载荷，离心加速度及离心载荷通过调节行星架转速确定，径向载荷通过调节活塞两端液压腔的液压差确定。本发明的试验装置可实现功率流封闭循环，减少了装置的能量损耗，电机仅需要补充试验装置的功率和扭矩损失。
本发明的具体技术方案如下：
一种行星排滚针轴承试验装置，包括壳体13、第一行星排1、第二行星排2、活塞10、端盖9、主轴3、测试滚针轴承12、第一电机和第二电机，第一行星排1和第二行星排2的所有齿轮均为斜齿；
其中，第一行星排太阳轮5与主轴3固连，活塞10套设于主轴3上，并可沿主轴3的轴向移动，活塞10通过花键与第一行星排太阳轮5连接，第二行星排太阳轮8与活塞10固连，端盖9与主轴3固连，活塞10一端与端盖9之间形成第一液压腔15，另一端与主轴之间形成第二液压腔16，第一行星排1和第二行星排2共用行星排齿圈7和行星排行星架4，第一行星排行星轮6和第二行星排行星轮11的测试滚针轴承12均设于行星排行星架4的行星轴上，且第一行星排行星轮6和第二行星排行星轮11不共轴；
第一电机和第二电机分别与行星排行星架4和主轴3连接，提供动力输入。
在另一个实施例中，第一行星排1和第二行星排2几何参数一致。
在另一个实施例中，所述壳体13包括壳盖14。
本发明还提供一种基于所述行星排滚针轴承试验装置的试验方法，通过调节与行星排行星架4连接的第一电机转速n 1模拟测试滚针轴承12实际工况中的离心加速度
Figure 719880DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 40003DEST_PATH_IMAGE002
其中r c 为行星排行星架半径，i 1为第一电机到行星排行星架4的传动比。
本发明还提供一种基于所述行星排滚针轴承试验装置的试验方法，通过调节与主轴3连接的第二电机转速n 2模拟测试滚针轴承12实际工况中的内外圈转速差Δn：
Figure 735426DEST_PATH_IMAGE003
其中，d s 和d p 分别为行星排太阳轮和行星排行星轮的分度圆直径，i 2为第二电机到主轴3的传动比。
本发明还提供一种基于所述行星排滚针轴承试验装置的试验方法，通过调节第一电机扭矩T 1和第二电机扭矩T 2来补充行星排行星架4和主轴3的扭矩差：
Figure 508210DEST_PATH_IMAGE004
其中，T s为行星排太阳轮理论传递的扭矩，ζs-p为行星排太阳轮与行星轮的扭矩传递效率，ζr-p为行星排行星轮与齿圈的扭矩传递效率。
本发明还提供一种基于所述行星排滚针轴承试验装置的试验方法，通过调节行星排行星轮质量和活塞10两端液压腔液压模拟测试滚针轴承12实际工况中的总载荷F，总载荷F包括行星轮施加的离心载荷和径向载荷，具体包括：
（1）离心载荷大于等于要求的总载荷F，则调节活塞10两端液压腔液压至满足关系：
Figure 48913DEST_PATH_IMAGE005
其中，A 1和A 2分别为第一液压腔15和第二液压腔16的有效液压作用面积，P 1和P 2分别为第一液压腔15和第二液压腔16中的液压；
调整行星排行星轮质量m p 为：
Figure 974275DEST_PATH_IMAGE006
（2）离心载荷小于要求的总载荷F，则调节活塞10两端液压腔液压至满足关系：
Figure 575020DEST_PATH_IMAGE007
其中，A 1和A 2分别为第一液压腔15和第二液压腔16的有效液压作用面积，P 1和P 2分别为第一液压腔15和第二液压腔16中的液压，N为行星轮个数，β为螺旋角；
行星排行星轮质量不变。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明的行星排滚针轴承试验装置无功率输出，第一行星排和第二行星排可实现功率流封闭循环，电机仅需补充试验装置损失的扭矩和功率即可，大大降低了试验过程中的能量损耗。
2. 在传统试验装置上，模拟实际运行工况下变速箱内行星轮滚针轴承离心加速度、径向载荷、内外圈转速差三参数，需要大功率和高扭矩驱动电机，成本高。假定本发明的行星排滚针轴承试验装置的太阳轮与行星轮功率传递损耗为1.5%，行星轮与齿圈功率传递损耗为1.0%，不计搅油损失、主轴和行星架与电机功率传递损失等损耗，则与主轴连接的电机功率需求可降低95%，与行星架连接的电机功率需求可降低98%。
3. 本发明通过液压力推动活塞带动太阳轮产生轴向力，进而产生轴向载荷，通过斜齿进一步转化成齿轮间的啮合力，从而实现对行星轮滚针轴承的加载，该加载方式使用方便，集成在行星排主轴上，避免了外部电机的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的实施过程和细节，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的行星排滚针轴承试验装置的结构原理图；
图2是本发明的行星排滚针轴承试验装置的结构示意图；
图3是本发明的行星排滚针轴承试验装置行星排受力分析图；
图4是本发明的行星排滚针轴承试验装置第一行星排啮合点受力分析图；
图5是本发明的行星排滚针轴承试验装置第二行星排啮合点受力分析图。
附图标号说明：
1-第一行星排，2-第二行星排，3-主轴，4-共用行星排行星架，5-第一行星排太阳轮，6-第一行星排行星轮，7-行星排齿圈，8-第二行星排太阳轮，9-端盖，10-活塞，11-第二行星排行星轮，12-测试滚针轴承，13-壳体，14-壳盖，15-第一液压腔，16-第二液压腔。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
如图1-2所示，本发明提出了一种行星排滚针轴承试验装置，包括：壳体13、第一行星排1、第二行星排2、活塞10、端盖9、主轴3、测试滚针轴承12，其中第一行星排1和第二行星排2几何参数一致，且所有齿轮均为斜齿；其连接方式为：第一行星排太阳轮5与主轴3固连，活塞10套设于主轴3上，并可沿主轴3的轴向移动，第二行星排太阳轮8与活塞10固连；活塞10通过花键与第一行星排太阳轮5连接；端盖9与主轴3固连；第一行星排1和第二行星排2共用同一行星排齿圈7；第一行星排1和第二行星排2共用一个行星排行星架4，3个第一行星排行星轮6和3个第二行星排行星轮11经测试滚针轴承周向均匀分布在共用行星排行星架4的6根行星轴上。试验装置的动力通过行星架和主轴3输入，动力由电机提供。
活塞10一端与端盖9之间形成第一液压腔15，另一端与主轴之间形成第二液压腔16，且可维持稳定的液压差，活塞10受到轴向的液压力。
由于第一行星排1与第二行星排2的几何参数一致，且无功率输出，两者可实现功率流封闭循环，电机仅需要补充试验装置损失的扭矩和功率，降低了能量损耗。设本试验装置的太阳轮与行星轮功率传递损耗为1.5%，行星轮与齿圈功率传递损耗为1.0%，不计搅油损失、主轴3和行星架与电机功率传递损失等损耗，则与主轴3连接的电机功率需求可降低95%，与行星架连接的电机功率需求可降低98%。
该试验装置可通过调节电机转速、扭矩和活塞10两端液压差，模拟测试行星轮滚针轴承的实际工况，具体包括3个方面的性能：内外圈转速差、离心加速度和总载荷，其中总载荷包括离心载荷和径向载荷。其实现原理如下：
1. 内外圈转速差
测试滚针轴承内外圈转速差Δn的方法为：两个行星排的太阳轮转速n s与主轴3相同，由第二电机调节；两个行星排的行星架转速n c通过第一电机调节；行星轮自转转速n p的定义式为
Figure 835100DEST_PATH_IMAGE008
其中，d s 和d p 分别为太阳轮和行星轮的分度圆直径；
则测试滚针轴承内外圈转速差Δn通过下式得到：
Figure 179494DEST_PATH_IMAGE009
2. 离心加速度
测试滚针轴承离心加速度的方法为：行星排行星架转速n c 通过第一电机确定，则测试滚针轴承离心加速度
Figure 224942DEST_PATH_IMAGE010
通过下式得：
Figure 262168DEST_PATH_IMAGE011
其中r c 为行星架半径。
3. 总载荷
测试滚针轴承所受总载荷F包括行星轮施加的离心载荷和径向载荷，其关系为：
Figure 743965DEST_PATH_IMAGE012
其中，F c 是行星轮施加测试给滚针轴承的离心载荷，F r1和F r2是两个行星排行星轮施加给测试滚针轴承的径向载荷，两者大小相等、方向相反。
（1）离心载荷
行星轮施加给测试滚针轴承的离心载荷F c 通过下式得：
Figure 892049DEST_PATH_IMAGE013
其中，m p 为行星轮质量。
（2）径向载荷
图3所示为两个行星排的受力分析图，行星轮施加给测试滚针轴承的径向载荷通过活塞两端液压腔的液压确定，具体方法为：
活塞所受液压力大小：
Figure 775692DEST_PATH_IMAGE014
其中，第一液压腔和第二液压腔的有效液压作用面积分别为A 1和A 2，其液压分别为P 1和P 2；由于活塞与第二行星排的太阳轮固连，活塞所受液压力F ap 传递到第二行星排的太阳轮上，第二行星排的太阳轮受到轴向力F a2为：
Figure 983819DEST_PATH_IMAGE015
端盖所受液压力为：
Figure 438065DEST_PATH_IMAGE016
主轴所受液压力大小为：
Figure 389841DEST_PATH_IMAGE017
由于端盖与主轴固连，因此主轴3所受轴向力大小为：
Figure 127990DEST_PATH_IMAGE018
主轴与第一行星排的太阳轮固连，主轴所受液压力F as 传递到第一行星排的太阳轮上，因此第一行星排的太阳轮受到轴向力F a1为
Figure 772598DEST_PATH_IMAGE019
图4和图5所示分别为第一、第二行星排啮合点的受力分析图，为保持太阳轮受力平衡，其与行星轮的啮合力在轴向上大小等于太阳轮所受到的轴向力，则第一、第二行星排的行星轮切向力大小分别为：
Figure 963408DEST_PATH_IMAGE020
由于第一、第二行星排的行星轮施加给测试滚针轴承的径向载荷分别为：
Figure 466677DEST_PATH_IMAGE021
则有
Figure 793753DEST_PATH_IMAGE022
其中，N为行星轮个数，β为螺旋角；
根据所需的径向载荷和有效液压作用面积，确定活塞两端液压腔液压P 1和P 2。
采用本发明试验装置进行试验的方法如下：
S1：调节与行星架连接的电机转速
根据测试滚针轴承所需的离心加速度
Figure 609262DEST_PATH_IMAGE023
，确定行星排行星架转速n c ，进而调整第一电机转速n 1为：
Figure 287368DEST_PATH_IMAGE024
S2：调节与主轴连接的电机转速
根据测试滚针轴承所需的内外圈转速差Δn，确定主轴转速n s ，进而调整第二电机转速n 2为：
Figure 846525DEST_PATH_IMAGE025
S3：调节第一电机扭矩T 1和第二电机扭矩T 2
根据行星排行星架和主轴3的扭矩差，调节第一电机扭矩T 1和第二电机扭矩T 2：
Figure 293687DEST_PATH_IMAGE026
其中，T s 为行星排太阳轮理论传递的扭矩，ζ s-p 为行星排太阳轮与行星轮的扭矩传递效率，ζ r-p 为行星排行星轮与齿圈的扭矩传递效率。
S4：调节行星轮质量和活塞两端液压腔液压
根据测试滚针轴承所需的总载荷F，调节行星轮质量和活塞两端液压腔液压。
在试验装置工作中，存在以下两种情况：
（1）离心载荷大于等于要求的总载荷F（F 1,F 2），则此时应调节活塞两端液压腔液压至满足关系：
Figure 765251DEST_PATH_IMAGE027
同时，调整行星轮质量为：
Figure 930653DEST_PATH_IMAGE028
。
（2）离心载荷小于要求的总载荷F，则此时应调节活塞两端液压腔液压至满足关系：
Figure 27922DEST_PATH_IMAGE029
同时，行星轮质量不变。
以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种行星排滚针轴承试验装置，其特征在于，包括壳体（13）、第一行星排（1）、第二行星排（2）、活塞（10）、端盖（9）、主轴（3）、测试滚针轴承（12）、第一电机和第二电机，第一行星排（1）和第二行星排（2）的所有齿轮均为斜齿；
其中，第一行星排太阳轮（5）与主轴（3）固连，活塞（10）套设于主轴（3）上，并可沿主轴（3）的轴向移动，活塞（10）通过花键与第一行星排太阳轮（5）连接，第二行星排太阳轮（8）与活塞（10）固连，端盖（9）与主轴（3）固连，活塞（10）一端与端盖（9）之间形成第一液压腔（15），另一端与主轴之间形成第二液压腔（16），第一行星排（1）和第二行星排（2）共用行星排齿圈（7）和行星排行星架（4），第一行星排行星轮（6）和第二行星排行星轮（11）的测试滚针轴承（12）均设于行星排行星架（4）的行星轴上，且第一行星排行星轮（6）和第二行星排行星轮（11）不共轴；
第一电机和第二电机分别与行星排行星架（4）和主轴（3）连接，提供动力输入。
2.根据权利要求1所述的行星排滚针轴承试验装置，其特征在于，第一行星排（1）和第二行星排（2）的几何参数相同。
3.根据权利要求1所述的行星排滚针轴承试验装置，其特征在于，所述壳体（13）包括壳盖（14）。
4.一种基于权利要求1-3任一所述行星排滚针轴承试验装置的试验方法，其特征在于，通过调节与行星排行星架（4）连接的第一电机转速n 1模拟测试滚针轴承（12）实际工况中的离心加速度
Figure 300620DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 654241DEST_PATH_IMAGE002
其中r c 为行星排行星架半径，i 1为第一电机到行星排行星架（4）的传动比。
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，通过调节与主轴（3）连接的第二电机转速n 2模拟测试滚针轴承（12）实际工况中的内外圈转速差Δn：
Figure 937586DEST_PATH_IMAGE003
其中，n c 为行星排行星架转速，d s 和d p 分别为行星排太阳轮和行星排行星轮的分度圆直径，i 2为第二电机到主轴（3）的传动比。
6.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，通过调节第一电机扭矩T 1和第二电机扭矩T 2来补充行星排行星架（4）和主轴（3）的扭矩差：
Figure 667645DEST_PATH_IMAGE004
其中，T s 为行星排太阳轮理论传递的扭矩，ζ s-p 为行星排太阳轮与行星轮的扭矩传递效率，ζ r-p 为行星排行星轮与齿圈的扭矩传递效率。
7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，通过调节行星排行星轮质量和活塞（10）两端液压腔液压模拟测试滚针轴承（12）实际工况中的总载荷F，总载荷F包括行星轮施加的离心载荷和径向载荷，具体包括：
（1）离心载荷大于等于要求的总载荷F，则调节活塞（10）两端液压腔液压至满足关系：
Figure 602103DEST_PATH_IMAGE005
其中，A 1和A 2分别为第一液压腔（15）和第二液压腔（16）的有效液压作用面积，P 1和P 2分别为第一液压腔（15）和第二液压腔（16）中的液压；
调整行星排行星轮质量m p 为：
Figure 126625DEST_PATH_IMAGE006
（2）离心载荷小于要求的总载荷F，则调节活塞（10）两端液压腔液压至满足关系：
Figure 146534DEST_PATH_IMAGE007
其中，A 1和A 2分别为第一液压腔（15）和第二液压腔（16）的有效液压作用面积，P 1和P 2分别为第一液压腔（15）和第二液压腔（16）中的液压，N为行星轮个数，β为螺旋角；
行星排行星轮质量不变。
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