新型转矩可调式内斜齿液压加载装置的设计

何卫东 吴鑫辉 鲍君华 董淑婧

(①大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028;②大连科技学院机械工程系，辽宁大连 116028)

加载装置是封闭功率流试验台至关重要的一个环节。液压加载装置能够在试验台运转过程中方便地调整载荷，并且最大加载力矩很高，因此得到比较广泛的应用。目前的液压加载装置主要分为内斜齿式和叶片式两大类，现有的机械封闭齿轮试验台所采用的内斜齿式液压加载装置的左端为内斜齿，右端为直齿且均为齿轮轴的形式，且密封性不佳。本文提出的转矩可调式内斜齿液压加载装置，其特点是不仅保留了内斜齿液压加载装置原有的优点，而且通过合理的结构设计和密封布置，实现了加载力矩增加一倍，得到了良好的密封性能;加载可靠，具有足够的准确性，载荷便于测量，能在长期运转中保持加载力矩稳定不变;能实现空载起动，并能在运转中改变加载力矩的大小和方向，便于进行模拟实验。因此新型转矩可调式内斜齿液压加载装置的设计，必将为机械封闭功率流试验台提供一种结构简单、紧凑，且使用方便、可靠的加载装置。

1 工作原理

转矩可调式内斜齿液压加载装置的结构简图如图1所示，它主要由左右传动轴1和3、活塞2、缸体4、内斜齿轮5和中间轴6五部分组成。

转矩可调式内斜齿液压加载装置串联在机械封闭式齿轮试验台中，通过油泵向缸体中加入压力油，利用加载装置自身的配置压力油的系统，使得缸体中油压得到调节和控制。当齿轮试验台空载时，压力油不通入油缸，中间轴不移动，左传动轴与右传动轴之间没有相对的转角，封闭回路中没有载荷。当需要加载时，调节压力油充入缸体，使活塞带动中间传动轴作轴向移动，中间传动轴作轴向移动的同时，沿着斜齿的螺旋角作圆周的角度位移，左传动轴和右传动轴便产生一个转角以达到在封闭系统中建立一定转矩的目的。在整个加载装置中，只有左传动轴、右传动轴、中间传动轴和内齿套旋转，其他零件都不转动，因而加载器运转平稳、寿命长。封闭回路中转矩的大小，只需调节加载装置工作油压高低即可，这样就可以在动态情况下加载。由于活塞可双向调节，故亦可以对不同转向进行相应加载。另外，为了模拟真实工况，如对负荷有脉动要求，只要在液压系统中制造产生一定的脉动油压，就能够很容易地在封闭回路中产生所需幅度和频率的脉动转矩。

中间传动轴的移动距离与左右传动轴的相对转角之间的关系为

式中:φ为左右传动轴的相对转角;L为中间传动轴的移动距离;d为内斜齿轮的分度圆直径;β为内斜齿轮螺旋角;mn为内斜齿轮法向模数;z为内斜齿轮齿数。

所以封闭系统内的总转角为

2 结构设计

该转矩可调式内斜齿液压加载装置的结构如图2所示。

(1)内斜齿轮

内斜齿轮是关键件，设计时，应选择适当的几何参数，其中特别是螺旋角、模数、齿数和斜齿端面分度圆直径的选择。理想的设计是用较小的轴向力来获得较大的加载力矩。当加载力矩一定时，螺旋角愈小，斜齿端面分度圆的直径愈大，则所需的轴向力就愈小。因此，在设计内斜齿加载器时，在径向尺寸允许的情况下，应尽量使斜齿端面分度圆的直径大一些。再者，齿轮模数过大会造成加工困难，齿数选择可以多些。因此，从增加齿数来看，模数也应取得适当小些。

(2)中间轴

由于制造和装配误差，零部件之间会存在间隙，且加载过程中零部件产生变形，因此在加载过程中就会有一部分转角用来补偿零部件之间的间隙和变形，所以转角设计应该大些。分析结构可知，中间轴的移动距离越大则转角越大，但如果中间轴的移动距离太大会增大系统的尺寸，所以为了既满足克服间隙和零件的弹性变形的要求，又使得加载装置的结构紧凑，选择一对基本参数相同，旋向相反的内斜齿圆柱齿轮来保证在中间传动轴有较小的移动距离时，有足够大的转角，并且很好地实现了使加载转矩增加一倍的效果。

(3)缸体

缸体为焊接结构，其设计主要考虑可靠地支撑左右传动轴以及中间轴;此外，还要便于制造和安装拆卸，润滑密封可靠。

3 内斜齿的受力分析

内斜齿轮受力分析如图3所示。图中:β为内斜齿螺旋角;αn为内斜齿轮法向压力角;Φ1、Φ2为内斜齿滑道诱导摩擦角;N1、N2为内齿齿轮接触面法线方向上的反作用力。

式中:f1、f2为内斜齿轮摩擦系数。

由于左右内斜齿轮除螺旋角不同外，其余参数均相同，所以Φ1=Φ2。中间传动轴所受轴向推力

式中:D为液压油缸的内径;p油为液压油缸内的油压压力。由受力分析图3可知，中间传动轴共受5个作用力，其中N1·sinαn、N2·sinαn是沿圆周分布的径向力，所以相互抵消。当加载到要求转矩时，中间传动轴相对于两边的内斜齿套处于静止状态，即此时中间传动轴所受外力平衡，即在不计斜齿滑道与内斜齿处啮合的直径的不同，则中间传动轴所受外力R1、R2、Fa三力平衡，

图4中Ft为不计斜齿滑道与内斜齿处啮合的直径的不同，中间传动轴所受的圆周力，根据力的多边形法则，可得

右轴向推力在封闭系统中产生的扭矩

式中:mn为内斜齿轮法向模数;z为内斜齿轮齿数。

4 强度校核

设计参数:Mmax=3 300 N·m、nmax=3 000 r/min、油缸内径d=220 mm、油压0～11.76 MPa，内斜齿轮设计参数见表1。

表1 内斜齿轮设计参数

表2 轴承寿命计算结果

表3 强度校核计算结果

根据转矩可调式内斜齿液压加载装置总体结构，选择轴承30215和32217，轴承寿命计算结果见表2。

依据齿式联轴器的强度计算来对内斜齿进行强度校核，计算结果见表3。

5 结语

(1)新型转矩可调式内斜齿液压加载装置结构紧凑，支撑刚度高，密封性能良好，加载力矩较原内斜齿液压加载装置增加一倍，特别适用于低速重载的机械封闭式齿轮试验台的加载。

(2)通过对内斜齿轮的受力分析以及加载装置关键件的强度校核，我们设计的新型转矩可调式内斜齿液压加载装置各部件强度能满足设计要求，并实现可靠加载。如图1所示的《转矩可调式内斜齿液压加载装置》已向中华人民共和国专利局申报了发明专利。

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