专利名称：用于试验具有不同齿轮比的齿轮箱的试验设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于试验齿轮箱的试验设备和一种用于试验齿轮箱的方法。更具体地，本发明涉及提供一种试验设备，所述试验设备适用于具有不同齿轮比的不同齿轮箱并且能够向试验中的齿轮箱施加可控制的试验扭矩。
背景技术：
对现代齿轮箱设定的要求要满足诸多挑战。齿轮箱应该是高效、牢固、足够小、安静和易于制造的。此外，齿轮箱应该有成本效率。尽管这些年在分析和模拟方面取得了进步，但实验仍然是基本的。当超过齿轮箱的负荷能力时会出现多种模式的故障。齿断裂、点状腐蚀和微点状腐蚀以及过度磨损甚至变形都是潜在的问题。除了负荷能力，还有其它重要参数如效率和动力特性需要实验研究。因此，需要允许齿轮箱运行在预定的速度和扭矩条件下的试验设备。设计这种试验设备的一个简单方法是将试验中的齿轮箱放置在马达和制动器之间。然而这种布置有很多缺点。首先，马达必须具有提供全部功率的尺寸，在所述功率下试验齿轮箱。其次，制动器必须具有能够接收全部功率的尺寸。结果是高安装成本和高能量消耗。试验齿轮箱的一个更有利的方法是将试验中的齿轮箱包含在闭合功率回路中，该闭合功率回路可以是电的也可以是机械的。在第一种情况下，电动机驱动试验中的齿轮箱的输入轴，并且齿轮箱的输出轴连接到发电机，该发电机使功率回馈至电网。在这种方法中，总能量消耗明显降低。然而，存在马达和发电机两者的尺寸较大的缺点，因为它们必须根据最大试验功率来确定尺寸。在第二种情况下，试验设备包括能够连接到在试验中的齿轮箱的输入和输出轴的齿轮系统和传动轴，使得机械功率能够在由齿轮系统、试验中的齿轮箱和传动轴构成的闭合的机械功率回路中传递。驱动马达被用于旋转该系统。基于所述闭合的机械功率回路的试验设备提供了显著的优点。安装成本明显降低，因为不需要发电机或制动器，并且驱动马达只需要根据发生在闭合的机械功率回路中的机械功率损耗来定额。除此以外，基于闭合的机械功率回路的试验设备的挑战涉及实现期望的并且可控制的试验转矩，并且涉及试验具有不同齿轮比的不同齿轮箱的需求。公开文件US3112643公开了包括在闭合的机械功率回路上的一个行星齿轮的试验设备。试验转矩通过向行星齿轮的行星轮架应用切向力而被施加给试验中的齿轮箱。切向力在试验过程中由连接到行星轮架的外周的辅助蜗轮传动装置生成。辅助蜗轮传动装置可以被控制，例如，手动地或者使用数控步进电机控制。US3112643中公开的试验设备提供了向试验中的齿轮箱施加期望的和可控制的试验转矩的可能性。在试验期间通过控制辅助蜗轮传动装置能够改变试验转矩。该试验设备的缺点是该试验设备仅适用于试验具有确定齿轮比的齿轮箱，也就是说，其不能试验具有任意齿轮比的不同齿轮箱。
发明内容
下面的内容陈述简要的发明内容，以便提供对本发明各实施例的一些方面的基本理解。该发明内容不是本发明的广泛概述。该发明内容的意图不在于确定本发明的关键或重要元素，也不在于描述本发明的范围。下面的描述仅仅以简化的形式给出本发明的若干概念，作为本发明的示范性实施例的更详细描述的开始。根据本发明的第一方面，提供了一种新的用于试验齿轮箱的试验设备。根据本发明的该试验设备包括-齿轮系统，包括可旋转的连接接口，所述可旋转的连接接口适于连接到试验中的齿轮箱的输入和输出轴；-传动轴，使得机械功率能够在由齿轮系统、试验中的齿轮箱和传动轴构成的闭合的机械功率回路内传递；和-驱动马达，用于驱动闭合的机械功率回路；其中齿轮系统包括具有第一和第二可旋转元件的差动齿轮级，所述第一和第二可旋转元件构成闭合的机械功率回路的一部分，并且所述第一和第二可旋转元件彼此间的转速差取决于差动齿轮级的第三可旋转元件的转速，并且所述试验设备还包括连接到差动齿轮级的第三可旋转元件的控制装置，所述控制装置被布置成当第三可旋转元件旋转时控制作用在第三可旋转元件上的转矩。通过允许差速齿轮级的第三可旋转元件以如下速度旋转，将上述的试验设备调整到要试验的不同齿轮箱的不同齿轮比，所述速度使得在闭合的机械功率回路中差动齿轮级的第一和第二可旋转部件的速度差抵消包括试验中的齿轮箱的其它部件的齿轮比的效果。因此，在闭合的机械功率回路内全部齿轮比的产品统一的必要条件是差动齿轮级帮助实现的。在试验期间向试验中的齿轮箱施加的转矩可以改变，并且该转矩可以通过控制作用在差动齿轮级的第三可旋转元件上的转矩来控制。差动齿轮级例如可以是行星齿轮，其中所述行星齿轮的太阳轮轴和齿圈分别作为第一和第二可旋转元件，所述行星齿轮的行星轮架作为第三可旋转元件。应当注意行星齿轮不是差动齿轮级唯一可能的选择。差动齿轮级例如还可以是正齿轮差速器或基于锥齿轮的差速齿轮。根据本发明的第二方面，提供了一种新的用于试验齿轮箱的方法。根据本发明的该方法包括-连接试验中的齿轮箱的输入和输出轴到齿轮试验设备的可旋转的连接接口，齿轮试验设备与试验中的齿轮箱共同构成闭合的机械功率回路，-驱动闭合的机械功率回路以便向闭合的机械功率回路提供机械功率损耗，-在差动齿轮级的帮助下调整齿轮试验设备的齿轮比以与试验中的齿轮箱的齿轮比相对应，所述差动齿轮级具有第一和第二可旋转元件，所述第一和第二可旋转元件构成闭合的机械功率回路的一部分，并且所述第一和第二可旋转元件彼此间的转速差取决于差动齿轮级的第三旋转部件的转速，和-当第三可旋转元件旋转时通过控制作用在第三能够旋转的部件上的转矩来将试验转矩施加到试验中的齿轮箱。本发明的多个示例性实施例在随附的从属权利要求中描述。当结合附图进行阅读时根据随后的具体的示例性实施例的描述将更好地理解本发明的多种示例性实施例的构造和操作的方法两者以及本发明的另外的目标和优点。
本说明书中使用的动词“包括”用作开放式限制，既不排除也不要求未列举的特征存在。除非有另有明示，从属权利要求引用的特征能够相互自由组合。
本发明的示例性实施例以及优点在下文中以示例的形式并且参照附图更详细地阐述，其中图1图示了用于试验齿轮箱的根据本发明的实施例的试验设备的原理；图2示出了用于试验齿轮箱的根据本发明的实施例的试验设备的示意图；和图3示出了用于试验齿轮箱的根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施例方式图1描述了用于试验齿轮箱114的根据本发明的实施例的试验设备的原理。试验设备包括齿轮系统101和传动轴104。齿轮系统包括可旋转的连接接口 102和103，例如法兰，适于连接到试验中的齿轮箱114的输入和输出轴。齿轮系统101和传动轴104共同与试验中的齿轮箱114构成如图1所示的闭合的机械功率回路。试验设备还包括被布置为驱动闭合的机械功率回路的驱动马达105。在稳定状态下,驱动马达105必须仅提供闭合的机械功率回路的功率损耗，因此驱动马达105的额定功率可以明显比试验中的齿轮箱114的最大试验功率低。齿轮系统101包括差动齿轮级106，所述差动齿轮级具有第一和第二可旋转元件107和108，所述第一和第二可旋转元件107和108构成闭合的机械功率回路的一部分，并且所述第一和第二可旋转元件107和108彼此间的齿轮比取决于差动齿轮级的第三可旋转元件109的转速。通过允许差动齿轮级的第三可旋转元件109以如下速度旋转来调整该试验设备到试验中的齿轮箱114的齿轮比，所述速度使得在闭合的机械功率回路中，差动齿轮级的第一和第二可旋转元件107和108的速度差抵消包括试验中的齿轮箱的其它部件的齿轮比的效果。在图1所示的示例性情形中，差动齿轮级是行星齿轮。第一和第二可旋转元件107和108分别是行星齿轮的太阳轮轴和行星齿轮的齿圈。在图1所示的示例性构造中，齿圈在其外周上也有轮齿。差动齿轮级106的第三可旋转元件109是行星齿轮的行星轮架。如早先在该文献中所提到的，应当注意行星齿轮不是差动齿轮级唯一可能的选择。试验设备还包括连接到差动齿轮级的第三可旋转元件109的控制装置，所述控制装置被布置为当第三可旋转元件旋转时控制作用在第三可旋转元件上的转矩。通过控制作用在第三可旋转元件109上的转矩，能够控制施加到试验中的齿轮箱114的试验转矩。在图1所示的示例性情形中，控制装置包括电动机110和电变换器装置111。电转换器被布置成根据电动机的转矩和参考转矩之间的差来控制电动机110。在根据本发明的示例性实施例的试验设备中，电变换器装置111被布置成响应于电动机110的转速达到速度上限或速度下限的情况来改变参考转矩。参考转矩在转速返回由速度上限和速度下限所限定的速度窗口的方向上被改变。电动机110可以是交流“AC”电动机，并且电变换器装置111可以是连接到三相电网113的变频器。AC电动机可以是，例如，感应电动机或永磁同步电动机。为了达到好的控制精度，变频器可以布置成使用矢量控制，所述矢量控制不仅根据电压和电流的频率和振幅还根据电压和电流的瞬时相位进行控制。特别地，如果使用转速计，则能够达到非�：玫目刂凭取５缍箍梢允侵绷鳌癉C”电动机，转换器装置可以是AC至DC的转换器，例如可控硅变频器。在一些应用中，连接到差动齿轮级的第三可旋转元件109的控制装置可以是简单的制动器，但是制动器的固有缺陷是其仅能产生与旋转方向相反的作用转矩。电动机根据其是作为马达还是发电机运行而可以在两个方向上产生转矩。在根据本发明的实施例的试验设备中，被布置成驱动闭合的机械功率回路的驱动马达105是由电变换器装置112供电和控制的电动马达，所述电变换器装置112被布置成根据电动马达的转速与参考速度之间的差来控制电动马达的转速。在图1所示的示例性示例中，驱动马达105是交流电动马达，电变换器装置112是变频器。为了实现好的速度控制精度，转换器装置112可以被布置成使用矢量控制。特别地，如果使用转速计，则能够实现非常好的速度控制精度。还可能的是电动马达是直接连接到电网113的AC电动马达。在这种情况下，马达105的转速通过电网的频率确定，但是在瞬态载荷状态下当存在动态改变时转速将有明显的波动。图2示出了用于试验齿轮箱214的根据本发明的实施例的试验设备的示意图。图2的上部示出了齿轮箱214处于试验位置处的试验设备的侧视图。图2的下部示出了沿图2的上部中示出的A-A线截取的剖面图。试验设备包括齿轮系统201和传动轴204。齿轮系统包括可旋转的连接接口 202和203，例如法兰，适于连接到试验中的齿轮箱214的输入轴和输出轴。齿轮系统201和传动轴204与齿轮箱214共同构成闭合的机械功率回路。试验设备还包括被布置成驱动闭合的机械功率回路的驱动马达205。齿轮系统201包括A-A剖面中所示的差动齿轮级206,其中轮齿以虚线描绘。差动齿轮级206与图1中所示的差动齿轮级106相似。试验设备还包括连接到差速齿轮级206的行星轮架的电动机210。电动机210由电变换器装置211供电和控制。图3示出了用于试验齿轮箱的根据本发明的实施例的方法的流程图。该方法包括-动作301:连接试验中的齿轮箱的输入和输出轴到试验设备的可旋转的连接接口，试验设备与试验中的齿轮箱共同构成闭合的机械功率回路；和-动作302:驱动闭合的机械功率回路以便向闭合的机械功率回路提供机械功率损耗；-动作303:在差动齿轮级的帮助下使试验设备的齿轮比适于与试验中的齿轮箱的齿轮比相对应，所述差动齿轮级具有第一和第二可旋转元件，所述第一和第二可旋转元件形成闭合的机械功率回路的一部分，并且所述第一和第二可旋转元件彼此间的转速差取决于差动齿轮级的第三旋转部件的转速；和-动作304:当第三可旋转元件旋转时通过控制作用在第三能够旋转的部件上的转矩来将试验转矩施加到试验中的齿轮箱。在根据本发明的实施例的方法中，差动齿轮级是行星齿轮。行星齿轮的太阳轮轴和齿圈分别作为第一和第二可旋转元件，并且行星齿轮的行星轮架作为第三可旋转元件。在根据本发明的实施例的方法中，作用在第三可旋转元件上的转矩由包含电动机和电变换器装置的系统控制，所述电变换器装置根据电动机的转矩与参考转矩之间的差控制电动机。优选地，电动机是交流电动机，并且电变换器装置是变频器。
在根据本发明的实施例的方法中，参考转矩响应于电动机的转速达到速度上限或速度下限的情况而改变。参考转矩在转速返回由速度上限和速度下限所限定的速度窗口的方向上被改变。在根据本发明的实施例的方法中，闭合的机械功率回路由电动马达驱动，并且电动马达的转速根据电动马达的转速与参考速度之间的差进行控制。电动马达可以是由变频器供电和控制的交流电动马达。在以上给出的说明书中提供的具体示例不能解释为限制。因此，本发明不仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种用于试验齿轮箱的试验设备，该试验设备包括 -齿轮系统(101，202)，所述齿轮系统包括可旋转的连接接口(102，103，202，203)，所述可旋转的连接接口适于被连接到试验中的所述齿轮箱的输入轴和输出轴； -传动轴(104，204)，所述传动轴使得当试验中的所述齿轮箱被连接到所述可旋转的连接接口时，机械功率能够在由所述齿轮系统、试验中的所述齿轮箱和所述传动轴构成的闭合的机械功率回路中流动；和 -驱动马达(105，205)，所述驱动马达用于驱动所述闭合的机械功率回路； 其特征在于，所述齿轮系统包括差动齿轮级(106，206)，所述差动齿轮级具有第一可旋转元件和第二可旋转元件(107，108)，所述第一可旋转元件和第二可旋转元件形成所述闭合的机械功率回路的一部分，并且所述第一可旋转元件和第二可旋转元件彼此间的转速差取决于所述差动齿轮级的第三可旋转元件(109)的转速，并且所述试验设备还包括控制装置(110，111，210，211)，所述控制装置连接到所述差动齿轮级的第三可旋转元件并且被布置成当所述第三可旋转元件旋转时控制作用在所述第三可旋转元件上的转矩。
2.根据权利要求1所述的试验设备，其中所述差动齿轮级是行星齿轮，所述行星齿轮的太阳轮轴和齿圈作为所述第一可旋转元件和第二可旋转元件，所述行星齿轮的行星轮架作为所述第三可旋转元件。
3.根据权利要求1所述的试验设备，其中所述控制装置包括电动机(110，210)和电变换器装置(111，211)，所述电变换器装置被布置成基于所述电动机的转矩与参考转矩之间的差来控制所述电动机。
4.根据权利要求3所述的试验设备，其中所述电变换器装置被布置成响应于所述电动机的转速达到速度上限或速度下限的情况来改变所述参考转矩，在所述转速返回由所述速度上限和速度下限所限定的速度窗口的方向上改变所述参考转矩。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的试验设备，其中所述驱动马达(105)是电动马达，且所述试验设备包括另一个电变换器装置(112)，所述另一个电变换器装置被布置成基于所述电动马达的转速与参考速度之间的差来控制所述电动马达的转速。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的试验设备，其中所述电动机是交流电动机，且所述电变换器装置是变频器。
7.根据权利要求5至6中的任一项所述的试验设备，其中所述驱动马达是交流电动马达，且所述另一个电变换器装置(112)是变频器。
8.一种用于试验齿轮箱的方法，该方法包括 连接(301)试验中的所述齿轮箱的输入轴和输出轴到试验设备的可旋转的连接接口，所述试验设备与试验中的所述齿轮箱共同构成闭合的机械功率回路，和 驱动(302)所述闭合的机械功率回路以便将机械功率损耗供给到所述闭合的机械功率回路， 其特征在于，所述方法还包括 在差动齿轮级的帮助下调整(303)所述试验设备的齿轮比以与试验中的所述齿轮箱的齿轮比相对应，所述差动齿轮级具有第一可旋转元件和第二可旋转元件，所述第一可旋转元件和第二可旋转元件形成所述闭合的机械功率回路的一部分，并且所述第一可旋转元件和第二可旋转元件彼此间的转速差取决于所述差动齿轮级的第三可旋转元件的转速，和当所述第三可旋转元件旋转时，通过控制(304)作用在所述第三可旋转元件上的转矩来将试验转矩施加到试验中的所述齿轮箱。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述差动齿轮级是行星齿轮，所述行星齿轮的太阳轮轴和齿圈作为所述第一可旋转元件和第二可旋转元件，且所述行星齿轮的行星轮架作为所述第三可旋转元件。
10.根据权利要求8所述的方法，其中作用在所述第三可旋转元件上的转矩由包括电动机和电变换器装置的系统控制，所述电变换器装置基于所述电动机的转矩与参考转矩之间的差来控制所述电动机。
11.根据权利要求10所述的方法，其中响应于所述电动机的转速达到速度上限或速度下限的情况来改变所述参考转矩，在所述转速返回由所述速度上限和速度下限所限定的速度窗口的方向上改变所述参考转矩。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的方法，其中所述闭合的机械功率回路由电动马达驱动，并且基于所述电动马达的转速与参考速度之间的差来控制所述电动马达的转速。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中所述电动机是交流电动机，且所述电动机由变频器控制。
全文摘要
一种用于试验齿轮箱的试验设备和方法。所述试验设备包括齿轮系统(101)，能够连接到试验中的齿轮箱；传动轴(104)，使得齿轮系统、试验中的齿轮箱(114)和传动轴构成闭合的机械功率回路；和驱动马达(105)，被布置成驱动闭合的机械功率回路。齿轮系统包括差动齿轮级(106)，用于使试验设备的齿轮比适于与试验中的齿轮箱的齿轮比相对应。差动齿轮级包括第一可旋转元件和第二可旋转元件，所述第一和第二可旋转元件构成闭合的机械功率回路的一部分并且所述第一和第二可旋转元件彼此间的转速差取决于差动齿轮级的第三可旋转元件的转速。当第三可旋转元件旋转时，通过控制作用在第三可旋转元件上的转矩将试验转矩施加到试验中的齿轮箱上。
文档编号G01M13/02GK103063429SQ201210449260
公开日2013年4月24日 申请日期2012年9月27日 优先权日2011年9月29日
发明者沃伊多·维尔格伦, 亚里·托伊卡宁 申请人:美闻达传动设备有限公司
专业数控铣床产品供应商
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