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齿轮传动系统中各个零部件传递的扭矩如何测量 题目A 班级： 姓名： 学号： 一、齿轮传动系统中各个零部件传递的扭矩如何测量？ 在电动执行机构中，齿轮传动系统与扭矩测量系统是执行机构两个重要组成部分。本文将简述两种不同的齿轮传动系统以及对应的两种不同的扭矩测量方法。 1齿轮传动系统? 电动执行机构的动力来源是电机，一般电机的转速非常快（额定转速一般为3000rpm或1500rpm），而输出扭矩又非常小（一般介于0.5Nm~20Nm之间），所以必须借助于齿轮系统传动，利用其减速及放大扭矩的功能，一方面把输出转速降到理想速度，另一方面将较小的电机输出扭矩放大到阀门操作所需要的较大的扭矩输出。同时，齿轮传动系统的传动特性也可用于执行机构输出扭矩的测量。 1.1蜗轮蜗杆传动? 不同电动执行机构中采用的齿轮传动型式各不相同，但一般都包含有蜗轮蜗杆传动系统。蜗轮蜗杆传动系统具有很多的优点，例如单级传动比大、轮系接触面积大、承载能力强、传动平稳、特定螺旋角下可实现自锁等，然而蜗轮蜗杆传动系统因自身的结构也同时存在这较大的缺点： ?1）传动效率低：由于轮系接触面积大，相对滑动摩擦较大，传动效率一般仅为10~20%。另外由于较大的滑动摩擦造成的齿面磨损也较大，轮系发热现象严重，需要较好的润滑与散热。 ?2）蜗杆轴向力大：蜗轮蜗杆传动相当于螺旋传动，当蜗杆转动带动蜗轮传动时，受反作用力的影响，在蜗轮转动的同时，蜗杆会受到与蜗轮转动方向相反的轴向力。负载越大，轴向力越大。较大的轴向力会造成蜗杆支持部件的磨损，从而使蜗杆的轴向定位产生间隙，使系统传动的精度降低，并且会产生传动震荡及噪音。 1.2行星齿轮传动? 为了在利用蜗轮蜗杆传动优点的同时又尽量降低其缺点的影响，执行机构可采用两级传动，常用的选择是采用行星齿轮传动+蜗轮蜗杆传动的组合型式。 行星齿轮传动的原理：行星齿轮系统由三个主要传动部件组成：太阳轮、行星轮及齿圈。所有的行星轮一般固定在一个行星架上。行星齿轮系统的传动有双自由度的特性，即在三个传动部件中，固定任意一个部件，另外两个就可传动与蜗杆相联。这样，在电机转动时，太阳轮会驱动行星轮带着行星架围绕太阳轮旋转，从而带动蜗杆转动，输出动力。行星齿轮传动的特性：行星齿轮传动相对蜗轮蜗杆传动有许多独特的优点，恰好弥补克服上述蜗轮蜗杆传动的缺点： 1）机构紧凑：占用空间小，无轴向力。 2）工作平稳：震荡及噪音小。 3）滑动摩擦小：摩擦损耗小，传动效率高。两种传动机构结合使用，既能实现自锁的性能，又能获得较高的传动效率，降低电机功率，减少能耗。下表即采用不同传动系统的执行机构的参数比较。上表中可以看出，两个型号的执行机构全行程时间基本相同，即传动系统的减速比基本一样，但对于同样的输出扭矩，所需要的电机功率及运行电流相差很大，这说明在电动执行机构中采用行星齿轮传动可大大降低能耗。 2.?执行机构输出扭矩的测量：电动执行机构在驱动阀门动作时，其输出扭矩随负载（阀门操作扭矩）的变化而变化。当阀门运行到终点（全开或全关）的位置或在运行过程中阀芯发生卡住不动的时候，执行机构的输出扭矩会急剧升高。为了不至于损坏阀座密封面或阀杆，需要限制执行机构的最大输出扭矩。 而这就需要扭矩测量系统来实时测量执行机构的输出扭矩。 测量执行机构输出扭矩一般 有两种途径：利用蜗杆的轴向位移，或利用行星齿轮齿圈的周向位移。（还有一种测量方法是利用测量电机的速度来计算执行机构的输出扭矩，属于间接测量法，不在本篇论述之列。） 2.1激光多普勒式扭矩测量法 激光多普勒式扭矩测量法的工作原理是：由同一个激光器发出的激光通过分光镜分成两束相同的光并 供给两个截面，截面间距为 a；每一截面的光又被分成 两束平行的激光投射到被测转轴表面，平行光束的间 距为 d；转轴表面的散射光沿原路返回，通过折射镜后 到达光电检测器上；与参考光束叠加形成多普勒差拍频率并被检测，其工作原理如图所示 激光多普勒式扭矩测量法的优点是效率、灵敏度 及准确度都很高，且为非接触测量、不改变转轴运行状 态和不受转轴形状影响；其缺点是成本高，结构复杂， 安装及调试难度大，不适合大规模应用。 2.2激光衍射式扭矩测量法 将大小和形状完全相同的两个钢质圆盘安装在弹性轴两端，在圆盘表面开设两条细小缝隙，且大小和角度完全相同，在弹性轴一端安装激光源，所发出的激光 通过两条缝隙后发生衍射。当弹性轴发生扭转变形时两 条缝隙的公共区域变窄，激光通过的缝隙变小，根据光 的衍射原理，衍射产生的圆斑大小与激光通过的缝隙大 小相关；缝隙变小后，衍射产生的圆斑直径变大，在弹性 轴的另一端用 CCD 传感器接收衍射图像，将成像数据 传至计算机；通过测量衍射圆斑的直径可以得到弹性轴所承受的扭矩大小，其工作原理如图所示 9