智能齒輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能齒輪，包括齒輪本體和監(jiān)控裝置；輪齒與兩齒間底部可同時設置輪齒槽和齒輪槽，亦可僅設置輪齒槽或齒輪槽，其輪齒槽包括兩條分別與齒廓線呈等距曲線的輪齒槽，以及輪齒齒頂與兩條曲線齒輪槽交匯點之間的直線輪齒槽；其齒輪槽為設置在齒槽內并位于齒輪本體徑向方向的直線齒輪槽；輪齒槽和齒輪槽內均填充有彈性體；監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在彈性體內的傳感器，傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接。能夠利用彈性體材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器的智能傳感檢測能力，能夠有效地實時監(jiān)測齒輪的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)，克服了現(xiàn)有傳動裝置中無法監(jiān)控齒輪應力應變的技術缺陷。
【專利說明】智能齒輪
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種齒輪，具體涉及一種在設計的傳動精度范圍內具有自適應變形協(xié)調能力、并能過濾掉動力傳遞與運動變換中所產(chǎn)生的波動的、同時具備高精度與高可靠性能的齒輪。
【背景技術】
[0002]齒輪作為機械傳動裝置中的基礎零件，在機械傳動領域得到了廣泛應用和發(fā)展。隨著船舶、車輛、石油、水利、航空航天和國防武器等工程領域事業(yè)的迅速發(fā)展，對齒輪的傳動精度、可靠性、壽命及減振、降噪等性能提出了新的要求，迫切需要研發(fā)出“高精度、高可靠、長壽命、大轉矩、低能耗、輕量化、免維護”的高性能機電傳動系統(tǒng)。
[0003]長期以來，在機械裝備動力傳遞與運動變換過程中，將輸入端高轉速、小轉矩轉換為輸出端低轉速、大轉矩，不可避免地會產(chǎn)生波動。該波動會降低機械裝備傳動精度和可靠性，并引起機械振動，并影響零件的強度、壽命和降低運動精度、工作性能等。對周期性波動，一般通過增加轉動慣量很大的飛輪來進行調節(jié)；對非周期性波動，一般采用調速器調節(jié)。盡管如此，實踐表明，該類調節(jié)措施實際上很難解決在高鐵機車、工業(yè)機器人、空間機械臂、船舶和衛(wèi)星等高端裝備動力傳遞與運動變換過程中的波動問題。除此之外，機械系統(tǒng)傳動裝置中各零件的制造及裝配誤差，輪齒嚙合時的嚙入、嚙出沖擊，輪齒嚙合齒對數(shù)交替變化時的剛度激勵，負載工況對傳動裝置的激勵，以及運行過程中零部件的摩擦磨損、溫度變化和環(huán)境影響等因素，都將加大傳動機構運行過程中的波動，從而嚴重影響機械系統(tǒng)的精度、可靠性、壽命等。
[0004]現(xiàn)有傳動技術中，高精度與高可靠的矛盾關系并沒有得到解決，在高低溫交變、振動沖擊等極端工況與特殊環(huán)境下，由于齒輪材料的熱變形及與外界環(huán)境產(chǎn)生耦合振動將導致齒廓干涉從而加劇齒面磨損及疲勞，甚至是齒與齒之間的“卡澀”甚至“卡死”現(xiàn)象，嚴重影響齒輪傳動的可靠性。
[0005]同時，在一些特殊工程領域，如機器人、自動化、航空、航天和國防武器裝備等領域中，在滿足功能要求的前提下還對可靠性提出了嚴格要求，要求零部件實現(xiàn)信息化、智能化，能實時在線監(jiān)測各零部件的運行狀態(tài)，并對齒輪傳動的失效作出預估和預判以保證裝備的可靠性及人民財產(chǎn)安全。目前國內外在進行減速器中齒輪運轉過程中各項參數(shù)的信號測量時，由于傳動裝置內部空間狹小，環(huán)境復雜，傳感器布置安裝困難，信號傳輸易受干擾，所以一直缺乏有效的測試方法，給傳動裝置動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、狀態(tài)監(jiān)測帶來極大困難。

【發(fā)明內容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種智能齒輪，該智能齒輪不僅能夠實時監(jiān)控齒輪的運行狀況，而且在傳動精度范圍內具有自適應變形協(xié)調能力，能降低接觸應力并提高承載能力，并過濾掉動力傳遞與運動變換過程中的波動，有效防止齒輪傳動的“卡澀”甚至“卡死”等問題，從而具有高精度、高可靠、長壽命、大轉矩、低能耗、減振降噪等優(yōu)點。[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
一種智能齒輪，包括齒輪本體和用于實時監(jiān)控齒輪本體工況的監(jiān)控裝置，所述齒輪本體上設有輪齒和齒槽；
所述輪齒內設有輪齒槽，所述輪齒槽包括兩條分別與所述輪齒的齒廓線呈等距曲線的曲線輪齒槽和設置在所述輪齒齒頂與兩條曲線輪齒槽交匯點之間并位于所述齒輪本體徑向方向的直線輪齒槽，所述輪齒槽內填充設有彈性體；所述監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在所述彈性體內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，所述傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接；或，
所述齒槽內設有齒輪槽，所述齒輪槽包括對稱設置在所述齒槽內并位于所述齒輪本體徑向方向的直線齒輪槽，所述齒輪槽內填充設有彈性體；所述監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在所述彈性體內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，所述傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接；或，
所述輪齒內設有輪齒槽，所述輪齒槽包括兩條分別與所述輪齒的齒廓線呈等距曲線的曲線輪齒槽和設置在所述輪齒齒頂與兩條曲線輪齒槽交匯點之間并位于所述齒輪本體徑向方向的直線輪齒槽；所述齒槽內設有齒輪槽，所述齒輪槽包括對稱設置在所述齒槽內并位于所述齒輪本體徑向方向的直線齒輪槽；所述輪齒槽和齒輪槽內均填充設有彈性體，所述監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在所述彈性體內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，所述傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接。
[0008]進一步，所述傳感器為無源傳感器，所述數(shù)據(jù)接收裝置內設有電磁波發(fā)送裝置，所述傳感器內設有至少一個用于接收來自數(shù)據(jù)接收裝置的電磁波、并將電磁波轉換為電能的傳導元件；或，
所述傳感器為有源傳感器，且傳感器內設有用于將所述彈性體彈性變形產(chǎn)生的能量轉換為電能的導電聚合物電路。
[0009]進一步，還包括與所述數(shù)據(jù)接收裝置相連并用于處理所述傳感器采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理裝置；所述傳感器為微米級或納米級傳感器。
[0010]進一步，所述齒輪槽還包括設置在所述直線齒輪槽靠近所述齒輪本體中心一端的圓孔槽。
[0011]進一步，所述直線齒輪槽的長度等于所述輪齒齒全高的0.15-2.0倍，所述圓孔槽的直徑等于所述齒輪本體分度圓直徑的0.0005-0.1倍。
[0012]進一步，所述直線齒輪槽的槽寬等于0.001-2mm ;所述直線輪齒槽的長度等于所述輪齒齒全高的0.1-1.5倍。
[0013]進一步，所述彈性體為高分子橡膠合金彈性體或金屬橡膠彈性體。
[0014]進一步，所述彈性體為金屬橡膠彈性體，且所述金屬橡膠彈性體為采用下列工藝制備得到的金屬橡膠彈性體:
將直徑為0.05-0.3mm的金屬絲制成螺旋卷，并將該螺旋卷定螺距拉伸后鋪放形成毛坯，將毛坯循環(huán)冷卻成型處理后再熱處理，得到具有彈性多孔特性的金屬橡膠彈性體。
[0015]進一步，用于制作所述彈性體的金屬絲的材質為適用于常溫無侵蝕環(huán)境的高強度鋼或適用于高溫/有侵蝕環(huán)境的奧氏體不銹鋼。
[0016]進一步，所述金屬絲螺旋卷的中徑等于金屬絲直徑的2-7倍。[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明的智能齒輪，通過在輪齒上設置輪齒槽和/或在齒槽內設置齒輪槽，通過可控的自適應彈性變形過濾掉由電機產(chǎn)生的機械能形態(tài)改變、裝配制造誤差和嚙合沖擊等產(chǎn)生的嚙合干涉、齒面疲勞磨損、振動和噪聲；通過在彈性體內設置用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，能夠實時監(jiān)控齒輪本體的工作狀態(tài)，具體取得了如下有益效果:
O實現(xiàn)齒輪傳動的智能測控功能
本發(fā)明的智能齒輪通過在彈性體內設置傳感器，利用彈性體材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器的智能傳感檢測能力，能夠有效地實時監(jiān)測齒輪的實際工作狀態(tài)，即傳感器能夠實時監(jiān)控齒輪在傳動過程中的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)，并根據(jù)齒輪工況動態(tài)調節(jié)傳動裝置相關參數(shù)，使傳動機構具有自適應變形可控功能，能夠對齒輪傳動的失效作出預估和預判，解決傳動裝置動態(tài)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測困難等難題，克服了現(xiàn)有傳動裝置中無法監(jiān)控齒輪應力應變的技術缺陷，因此本發(fā)明的智能齒輪特別適用于機器人、航空、航天和國防武器裝備等對齒輪傳動機構性能要求嚴格的工程領域；
2)具有自適應變形協(xié)調功能
本發(fā)明的智能齒輪通過在輪齒上設置輪齒槽和/或在齒槽上設置齒輪槽，使得輪齒更具彈性，可以使側隙降低到某一最小值，甚至消除側隙，從而在輪齒嚙合表面間有可能得到零隙，使回差顯著減小，提高傳動精度；當齒輪處于惡劣的工況時，普通輪齒易發(fā)生齒廓“卡澀”或“卡死”，加劇齒面的磨損、疲勞，導致可靠性降低，而本發(fā)明的智能齒輪可避免上述問題，利用彈性體材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器的智能傳感檢測能力，有效地監(jiān)測齒輪的實際工作狀態(tài)，動態(tài)調節(jié)傳動裝置的相關參數(shù)，實現(xiàn)對齒輪傳動中的動態(tài)數(shù)據(jù)進行在線智能測控，特別是在所設計的傳動精度范圍內使傳動機構具有自適應變形協(xié)調等功能，解決高精度與高可靠間的矛盾，有效防止齒輪傳動的“卡澀” “卡死”等問題，降低摩擦、磨損、振動、噪聲、能耗和疲勞等；
3)提高齒輪壽命
本發(fā)明的智能齒輪通過在輪齒上設置輪齒槽和/或在齒槽上設置齒輪槽，可以有效降低赫茲接觸應力，通過在輪齒槽內設置與輪齒齒廓曲線呈等距曲線的曲線輪齒槽，可以增大接觸面積，改善輪齒槽內部的接觸應力，另外，齒根部的彎曲應力也會因輪齒槽和齒輪槽的影響而顯著降低，從而提高了齒輪的壽命；另外，通過設置齒輪槽，將直線齒輪槽的槽寬設計為合理的寬度，并在齒輪槽內填充設置彈性體，當處于極端工況時(比如載荷突然增大)，彈性體可以產(chǎn)生適當?shù)淖冃?，從而改變輪齒的應力狀態(tài)，使其應力更加均布，從而達到提高齒輪壽命和可靠性的目的；
4)減小齒輪振動和實現(xiàn)高效節(jié)能
由于齒輪的重合度通常在廣2之間，在嚙合過程中存在單雙對齒交替嚙合的過程，導致嚙合剛度存在較大的突變，產(chǎn)生剛度激勵，引起齒輪振動，而本發(fā)明的智能齒輪則可有效改善上述情況，因為齒槽內開設有直線齒輪槽，當齒輪在單對嚙合時，載荷由一個輪齒承擔，輪齒產(chǎn)生的變形將消除齒輪本體上的槽的側隙，根據(jù)疊加原理，輪齒的剩余部分載荷將由輪齒從齒頂?shù)烬X根的懸臂梁來承擔；當齒輪進入雙嚙合區(qū)時，載荷由兩個輪齒承擔，每一個齒上承載的力將顯著減小，所以其產(chǎn)生的變形量不足以彌補直線齒輪槽的側隙值，使得齒輪的承載相當于由輪齒的齒頂?shù)烬X輪本體槽的根部的懸臂梁來承擔，導致懸臂長度相對于一個輪齒承載時增加了近一倍，根據(jù)材料力學可知，將顯著減小其剛度值；這樣單嚙和雙嚙的剛度之間的差值將會減小，從而有效減少了剛度激勵，減輕了齒輪振動；
通過在輪齒槽和齒輪槽內填充設置彈性體，彈性體可以有效增大齒輪系統(tǒng)阻尼，吸收波動產(chǎn)生的能量，減小因傳動裝置制造裝配誤差、輪齒嚙合沖擊、負載工況激勵等因素引起的振動和噪聲，過濾掉動力傳遞與運動變換過程中所產(chǎn)生的波動，降低齒輪振動幅值，減小了能量損耗，達到了高效節(jié)能的目的；
5)適用范圍廣
本發(fā)明的智能齒輪可適用于外齒輪和內齒輪，并適用于漸開線的直齒、斜齒、錐齒和擺線齒等齒形的齒輪，當然，非漸開線齒輪也可適用于本發(fā)明的智能齒輪，其原理相當，不再累述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
圖1為本發(fā)明智能齒輪實施例1的結構示意圖；
圖2為圖1的A詳圖；
圖3為普通齒輪在第一個嚙合點時的應力云圖；
圖4為本實施例智能齒輪在第一個嚙合點時的應力云圖；
圖5為普通齒輪在第二個嚙合點時的應力云圖；
圖6為本實施例智能齒輪在第二個嚙合點時的應力云圖；
圖7為普通齒輪在第三個嚙合點時的應力云圖；
圖8為本實施例智能齒輪在第三個嚙合點時的應力云圖；
圖9為普通齒輪的綜合嚙合剛度圖；
圖10本實施例智能齒輪的綜合嚙合剛度圖；
圖11為本發(fā)明智能齒輪實施例2的結構示意圖；
圖12為本發(fā)明智能齒輪實施例3的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0020]實施例1
如圖1所示，為本發(fā)明智能齒輪實施例1的結構示意圖。本實施例的一種智能齒輪，包括齒輪本體I和用于實時監(jiān)控齒輪本體工況的監(jiān)控裝置，齒輪本體I上設有輪齒和齒槽；輪齒內設有輪齒槽，輪齒槽包括兩條分別與輪齒的齒廓線呈等距曲線的曲線輪齒槽3和設置在輪齒齒頂與兩條曲線輪齒槽3交匯點之間并位于齒輪本體I徑向方向的直線輪齒槽2。齒槽內設有齒輪槽4,齒輪槽4包括對稱設置在齒槽內并位于齒輪本體I徑向方向的直線齒輪槽。本實施例的齒輪槽4還包括設置在直線齒輪槽靠近齒輪本體I中心一端的圓孔槽，通過設置圓孔槽，能夠有效改善齒輪本體I在齒輪槽4處變形后的應力分布。輪齒槽和齒輪槽4內均填充設有彈性體5，監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置6和設置在彈性體5內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器7，傳感器7和數(shù)據(jù)接收裝置6之間無線連接，本實施例的彈性體5內設有6個傳感器7，用于分別監(jiān)控齒輪本體I在傳動過程中的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)。
[0021]進一步，本實施例的傳感器7為無源傳感器，數(shù)據(jù)接收裝置6內設有電磁波發(fā)送裝置，傳感器7內設有至少一個用于接收來自數(shù)據(jù)接收裝置6的電磁波、并將電磁波轉換為電能的傳導元件，本實施例的傳感器7內設有一個傳導元件。采用該結構的監(jiān)控裝置，能夠對傳感器7進行供電并保證傳感器7能夠長時間穩(wěn)定工作。本實施例的智能齒輪還包括與數(shù)據(jù)接收裝置6相連并用于處理傳感器7采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理裝置，傳感器7為微米級或納米級傳感器，能夠將傳感器7安裝在彈性體5內，本實施例的傳感器7采用納米級傳感器。
[0022]進一步，直線齒輪槽2的長度等于輪齒齒全高的0.15-2.0倍，圓孔槽的直徑等于齒輪本體I分度圓直徑的0.0005-0.1倍；直線齒輪槽的槽寬等于0.001-2mm ;直線輪齒槽2的長度等于輪齒齒全高的0.1-1.5倍。通過將直線齒輪槽的長度和槽寬根據(jù)齒輪實際運行情況設計為合理值，能夠在保證齒輪傳動精度和承載能力的條件下，使齒輪本體I具有合適的彈性變形能力，能夠有效減小齒輪傳動過程中的振動，改善齒輪傳動受力的應力分布，提高齒輪壽命。本實施例的直線齒輪槽的長度等于輪齒齒全高的0.8倍，圓孔槽的直徑等于齒輪本體I分度圓直徑的0.01倍，直線齒輪槽的槽寬等于0.1mm,直線輪齒槽2的長度等于輪齒齒全高的0.12倍，能夠滿足齒輪受力要求。
[0023]本實施例的智能齒輪，通過在輪齒上設置輪齒槽和/或在齒槽內設置齒輪槽4，通過可控的自適應彈性變形過濾掉由電機產(chǎn)生的機械能形態(tài)改變、裝配制造誤差和嚙合沖擊等產(chǎn)生的嚙合干涉、齒面疲勞磨損、振動和噪聲；通過在彈性體5內設置用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器7，能夠實時監(jiān)控齒輪本體I的工作狀態(tài)，具體取得了如下有益效果。
[0024]I)實現(xiàn)齒輪傳動的智能測控功能
本實施例的智能齒輪通過在彈性體5內設置傳感器7，利用彈性體5材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器7的智能傳感檢測能力，能夠有效地實時監(jiān)測齒輪的實際工作狀態(tài)，即傳感器7能夠實時監(jiān)控齒輪在傳動過程中的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)，并根據(jù)齒輪工況動態(tài)調節(jié)傳動裝置相關參數(shù)，使傳動機構具有自適應變形可控功能，能夠對齒輪傳動的失效作出預估和預判，解決傳動裝置動態(tài)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測困難等難題，克服了現(xiàn)有傳動裝置中無法監(jiān)控齒輪應力應變的技術缺陷，因此本實施例的智能齒輪特別適用于機器人、航空、航天和國防武器裝備等對齒輪傳動機構性能要求嚴格的工程領域。
[0025]2 )具有自適應變形協(xié)調功能
本實施例的智能齒輪通過在輪齒上設置輪齒槽和/或在齒槽上設置齒輪槽4，使得輪齒更具彈性，可以使側隙降低到某一最小值，甚至消除側隙，從而在輪齒嚙合表面間有可能得到零隙，使回差顯著減小，提高傳動精度；當齒輪處于惡劣的工況時，普通輪齒易發(fā)生齒廓“卡澀”或“卡死”，加劇齒面的磨損、疲勞，導致可靠性降低，而本實施例的智能齒輪可避免上述問題，利用彈性體材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器的智能傳感檢測能力，有效地監(jiān)測齒輪的實際工作狀態(tài)，動態(tài)調節(jié)傳動裝置的相關參數(shù)，實現(xiàn)對齒輪傳動中的動態(tài)數(shù)據(jù)進行在線智能測控，特別是在所設計的傳動精度范圍內使傳動機構具有自適應變形協(xié)調等功能，解決高精度與高可靠間的矛盾，有效防止齒輪傳動的“卡澀”“卡死”等問題，降低摩擦、磨損、振動、噪聲、能耗和疲勞等。
[0026]如圖3-8所示，分別為普通齒輪和本實施例的智能齒輪的動態(tài)仿真受力云圖，普通齒輪和本實施例的智能齒輪的齒輪參數(shù)均為:模數(shù)M=I，齒數(shù)Z=20，齒輪材料彈性模量為200Gpa，本實施例的智能齒輪彈性體5的彈性模量為lOGpa。在對普通齒輪和本實施例智能齒輪施加相同載荷的情況下:
1)如圖3和圖4所不,為普通齒輪和本實施例智能齒輪第一個相同哨合點時的應力云圖，可知普通齒輪的最大應力737Mpa，本實施例的智能齒輪最大應力620Mpa ；
2)如圖5和圖6所示，為普通齒輪和本實施例智能齒輪第二個相同嚙合點時的應力云圖，可知普通齒輪的最大應力562Mpa，本實施例的智能齒輪最大應力439Mpa ；
3)如圖7和圖8所示，為普通齒輪和本實施例智能齒輪第三個相同嚙合點時的應力云圖，可知普通齒輪的最大應力607Mpa，本實施例的智能齒輪最大應力525Mpa ；
由上述仿真分析結果可以得出，本實施例的智能齒輪的應力分布較為均勻，最大應力值也隨之減小，彈性體起到了變形協(xié)調的作用，并且緩解了應力集中的狀況。
[0027]3)提高齒輪壽命
本實施例的智能齒輪通過在輪齒上設置輪齒槽和/或在齒槽上設置齒輪槽4，可以有效降低赫茲接觸應力，通過在輪齒槽內設置與輪齒齒廓曲線呈等距曲線的曲線輪齒槽3，可以增大接觸面積，改善輪齒槽內部的接觸應力，另外，齒根部的彎曲應力也會因輪齒槽和齒輪槽4的影響而顯著降低，從而提高了齒輪的壽命；另外，通過設置齒輪槽4，將直線齒輪槽的槽寬設計為合理的寬度，并在齒輪槽4內填充設置彈性體5，當處于極端工況時(比如載荷突然增大)，彈性體5可以產(chǎn)生適當?shù)淖冃危瑥亩淖冚嘄X的應力狀態(tài)，使其應力更加均布，從而達到提高齒輪壽命和可靠性的目的。
[0028]4)減小齒輪振動和實現(xiàn)高效節(jié)能
由于齒輪的重合度通常在f 2之間，在嚙合過程中存在單雙對齒交替嚙合的過程，導致嚙合剛度存在較大的突變，產(chǎn)生剛度激勵，引起齒輪振動，而本實施例的智能齒輪則可有效改善上述情況，因為齒槽內開設有直線齒輪槽，當齒輪在單對嚙合時，載荷由一個輪齒承擔，輪齒產(chǎn)生的變形將消除齒輪本體I上的槽的側隙，根據(jù)疊加原理，輪齒的剩余部分載荷將由輪齒從齒頂?shù)烬X根的懸臂梁來承擔；當齒輪進入雙嚙合區(qū)時，載荷由兩個輪齒承擔，每一個齒上承載的力將顯著減小，所以其產(chǎn)生的變形量不足以彌補直線齒輪槽的側隙值，使得齒輪的承載相當于由輪齒的齒頂?shù)烬X輪本體槽的根部的懸臂梁來承擔，導致懸臂長度相對于一個輪齒承載時增加了近一倍，根據(jù)材料力學可知，將顯著減小其剛度值；這樣單嚙和雙嚙的剛度之間的差值將會減小，從而有效減少了剛度激勵，減輕了齒輪振動；
通過在輪齒槽和齒輪槽4內填充設置彈性體5，彈性體5可以有效增大齒輪系統(tǒng)阻尼，吸收波動產(chǎn)生的能量，減小因傳動裝置制造裝配誤差、輪齒嚙合沖擊、負載工況激勵等因素引起的振動和噪聲，過濾掉動力傳遞與運動變換過程中所產(chǎn)生的波動，降低齒輪振動幅值，減小了能量損耗，達到了高效節(jié)能的目的。
[0029]5)適用范圍廣
本實施例的智能齒輪可適用于外齒輪和內齒輪，并適用于漸開線的直齒、斜齒、錐齒和擺線齒等齒形的齒輪，當然，非漸開線齒輪也可適用于本發(fā)明的智能齒輪，其原理相當，不再累述。
[0030]進一步，彈性體5為高分子橡膠合金彈性體或金屬橡膠彈性體。本實施例的彈性體5為金屬橡膠彈性體，且金屬橡膠彈性體為采用下列工藝制備得到的金屬橡膠彈性體:
將直徑為0.05-0.3mm的金屬絲制成螺旋卷，并將該螺旋卷定螺距拉伸后，按照一定形狀將螺旋卷鋪放形成毛坯，將毛坯循環(huán)放在相應的模具中冷卻成型處理后，再熱處理，并最終得到具有彈性多孔特性的金屬橡膠彈性體。
[0031]本實施例的金屬橡膠彈性體，在特殊與極端環(huán)境下(高溫、低溫、高壓、高真空及劇烈振動)具有所選金屬的固有特性，又具有類似于橡膠一樣的彈性，在空間環(huán)境下不蒸發(fā)，不懼高溫和低溫，不怕空間輻射和粒子撞擊，選擇不同的金屬還可以耐腐蝕環(huán)境，且無老化的可能，并具有阻尼減振等特性。即采用該工藝方法制備得到的金屬橡膠彈性體具有與所選金屬相當?shù)膹椥阅Ａ亢途哂腥缦鹉z一樣的柔性，且相對于高分子橡膠合金彈性體阻尼更大，具有更好的阻尼減振能力。
[0032]優(yōu)選的，用于制作彈性體5的金屬絲的材質為適用于常溫無侵蝕環(huán)境的高強度鋼，如牌號為50CrVA和30VMnSi的高強度鋼，或適用于高溫/有侵蝕環(huán)境的奧氏體不銹鋼，如牌號為GH35、GH20、0Crl8Ni9T1、lCrl8Ni9Ti的奧氏體不銹鋼，即彈性體5的材質根據(jù)齒輪本體I的工作環(huán)境選定，本實施例的智能齒輪應用于高溫有侵蝕的環(huán)境中，彈性體5選用牌號為OCrlSNiOTi的奧氏體不銹鋼制作，能夠滿足使用環(huán)境的要求，提高彈性體5的使用壽命。
[0033]優(yōu)選的，金屬絲螺旋卷的中徑等于金屬絲直徑的2-7倍，采用該結構的彈性體5，能夠保證彈性體5具有足夠的阻尼特性。
[0034]實施例2
如圖11所示，為本發(fā)明智能齒輪實施例2的結構示意圖。本實施例的智能齒輪，包括齒輪本體I和用于實時監(jiān)控齒輪本體工況的監(jiān)控裝置，齒輪本體I上設有輪齒和齒槽。輪齒內設有輪齒槽，輪齒槽包括兩條分別與輪齒的齒廓線呈等距曲線的曲線輪齒槽3和設置在所齒齒頂與兩條曲線輪齒槽3交匯點之間并位于齒輪本體I徑向方向的直線輪齒槽2，輪齒槽內填充設有彈性體5，本實施例的直線輪齒槽2的長度等于輪齒齒全高的0.1倍。監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置6和設置在彈性體5內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器7，傳感器7和數(shù)據(jù)接收裝置6之間無線連接。本實施例的彈性體5內設有4個傳感器7，分別用于分別監(jiān)控齒輪本體I在傳動過程中的轉矩、轉速；應力、應變；加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)。
[0035]采用該結構的智能齒輪能夠利用變形協(xié)調原理，通過可控的彈性變形量過濾掉由電機產(chǎn)生的機械能形態(tài)改變、裝配制造誤差和嚙合沖擊等產(chǎn)生的嚙合干涉、齒面疲勞磨損、振動和噪聲，保證傳動裝置在所設計的傳動精度和承載的能力范圍內工作的同時，能夠有效防止極端工況與特殊環(huán)境影響下齒輪傳動裝置的“卡澀”和“卡死”現(xiàn)象，從而解決目前齒輪傳動中普遍存在的高精度與高可靠的矛盾關系，達到降低振動和噪聲，提高齒輪壽命的目的。
[0036]通過在彈性體5內設置傳感器7，利用彈性體5材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器7的智能傳感檢測能力，能夠有效地實時監(jiān)測齒輪的實際工作狀態(tài)，即傳感器7能夠實時監(jiān)控齒輪在傳動過程中的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)，并根據(jù)齒輪工況動態(tài)調節(jié)傳動裝置相關參數(shù)，使傳動機構具有自適應變形可控功能，能夠對齒輪傳動的失效作出預估和預判，解決傳動裝置動態(tài)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測困難等難題，克服了現(xiàn)有傳動裝置中無法監(jiān)控齒輪應力應變的技術缺陷。
[0037]本實施例的傳感器7為有源傳感器，且傳感器7內設有用于將彈性體5彈性變形產(chǎn)生的能量轉換為電能的導電聚合物電路，采用該結構的傳感器7，能夠利用彈性體5在傳動過程中彈性變形產(chǎn)生的能量，使傳感器7能夠長時間工作，保證監(jiān)控裝置的可靠性。本實施例的智能齒輪應用于常溫無侵蝕的環(huán)境中，彈性體5選用牌號為50CrVA的高強度鋼制作，能夠滿足使用環(huán)境的要求，提高彈性體5的使用壽命。
[0038]本實施例的其他實施方式與實施例1相同，不再累述。
[0039]實施例3
如圖12所示，為本發(fā)明智能齒輪實施例3的結構示意圖。本實施例的智能齒輪，包括齒輪本體I和用于實時監(jiān)控齒輪本體工況的監(jiān)控裝置，齒輪本體I上設有輪齒和齒槽。齒槽內設有齒輪槽4，齒輪槽4包括對稱設置在齒槽內并位于齒輪本體I徑向方向的直線齒輪槽。本實施例的齒輪槽4還包括設置在直線齒輪槽靠近齒輪本體I中心一端的圓孔槽，通過設置圓孔槽，能夠有效改善齒輪本體I在齒輪槽4處變形后的應力分布。齒輪槽4內填充設有彈性體5。監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置6和設置在彈性體5內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器7，傳感器7和數(shù)據(jù)接收裝置6之間無線連接，本實施例的彈性體5內設有I個傳感器7，用于監(jiān)控齒輪本體I在傳動過程中的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)。本實施例的直線齒輪槽2的長度等于輪齒齒全高的2.0倍，圓孔槽的直徑等于齒輪本體I分度圓直徑的0.1倍；直線齒輪槽的槽寬等于1mm。
[0040]采用該結構的智能齒輪能夠利用變形協(xié)調原理，通過可控的彈性變形量過濾掉由電機產(chǎn)生的機械能形態(tài)改變、裝配制造誤差和嚙合沖擊等產(chǎn)生的嚙合干涉、齒面疲勞磨損、振動和噪聲，保證傳動裝置在所設計的傳動精度和承載的能力范圍內工作的同時，能夠有效防止極端工況與特殊環(huán)境影響下齒輪傳動裝置的“卡澀”和“卡死”現(xiàn)象，從而解決目前齒輪傳動中普遍存在的高精度與高可靠的矛盾關系，達到降低振動和噪聲，提高齒輪壽命的目的。
[0041]通過在彈性體5內設置傳感器7，利用彈性體5材料的記憶特性與變形可控特性，以及傳感器7的智能傳感檢測能力，能夠有效地實時監(jiān)測齒輪的實際工作狀態(tài)，即傳感器7能夠實時監(jiān)控齒輪在傳動過程中的轉矩、轉速、應力、應變、加速度和溫度等反應齒輪工況的參數(shù)，并根據(jù)齒輪工況動態(tài)調節(jié)傳動裝置相關參數(shù)，使傳動機構具有自適應變形可控功能，能夠對齒輪傳動的失效作出預估和預判，解決傳動裝置動態(tài)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測困難等難題，克服了現(xiàn)有傳動裝置中無法監(jiān)控齒輪應力應變的技術缺陷。
[0042]本實施例的傳感器7為有源傳感器，且傳感器7內設有用于將彈性體5彈性變形產(chǎn)生的能量轉換為電能的導電聚合物電路，采用該結構的傳感器7，能夠利用彈性體5在傳動過程中彈性變形產(chǎn)生的能量，使傳感器7能夠長時間工作，保證監(jiān)控裝置的可靠性。本實施例的智能齒輪應用于有侵蝕的環(huán)境中，彈性體5選用牌號為GH20的奧氏體不銹鋼制作，能夠滿足使用環(huán)境的要求，提高彈性體5的使用壽命。
[0043]本實施例的其他實施方式與實施例1相同，不再累述。
[0044]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種智能齒輪，包括齒輪本體和用于實時監(jiān)控齒輪本體工況的監(jiān)控裝置，所述齒輪本體上設有輪齒和齒槽，其特征在于:所述輪齒內設有輪齒槽，所述輪齒槽包括兩條分別與所述輪齒的齒廓線呈等距曲線的曲線輪齒槽和設置在所述輪齒齒頂與兩條曲線輪齒槽交匯點之間并位于所述齒輪本體徑向方向的直線輪齒槽，所述輪齒槽內填充設有彈性體；所述監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在所述彈性體內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，所述傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接；或，所述齒槽內設有齒輪槽，所述齒輪槽包括對稱設置在所述齒槽內并位于所述齒輪本體徑向方向的直線齒輪槽，所述齒輪槽內填充設有彈性體；所述監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在所述彈性體內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，所述傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接；或，所述輪齒內設有輪齒槽，所述輪齒槽包括兩條分別與所述輪齒的齒廓線呈等距曲線的曲線輪齒槽和設置在所述輪齒齒頂與兩條曲線輪齒槽交匯點之間并位于所述齒輪本體徑向方向的直線輪齒槽；所述齒槽內設有齒輪槽，所述齒輪槽包括對稱設置在所述齒槽內并位于所述齒輪本體徑向方向的直線齒輪槽；所述輪齒槽和齒輪槽內均填充設有彈性體，所述監(jiān)控裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和設置在所述彈性體內的至少一個用于監(jiān)控齒輪本體工況的傳感器，所述傳感器和數(shù)據(jù)接收裝置之間無線連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能齒輪，其特征在于:所述傳感器為無源傳感器，所述數(shù)據(jù)接收裝置內設有電磁波發(fā)送裝置，所述傳感器內設有至少一個用于接收來自數(shù)據(jù)接收裝置的電磁波、并將電磁波轉換為電能的傳導元件；或，所述傳感器為有源傳感器，且傳感器內設有用于將所述彈性體彈性變形產(chǎn)生的能量轉換為電能的導電聚合物電路。
3.根據(jù)權利要求2所述的智能齒輪，其特征在于:還包括與所述數(shù)據(jù)接收裝置相連并用于處理所述傳感器采集的.監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理裝置；所述傳感器為微米級或納米級傳感器。
4.根據(jù)權利要求1所述的智能齒輪，其特征在于:所述齒輪槽還包括設置在所述直線齒輪槽靠近所述齒輪本體中心一端的圓孔槽。
5.根據(jù)權利要求4所述的智能齒輪，其特征在于:所述直線齒輪槽的長度等于所述輪齒齒全高的0.15-2.0倍，所述圓孔槽的直徑等于所述齒輪本體分度圓直徑的0.0005-0.1倍。
6.根據(jù)權利要求5所述的智能齒輪，其特征在于:所述直線齒輪槽的槽寬等于0.001-2mm ;所述直線輪齒槽的長度等于所述輪齒齒全高的0.1-1.5倍。
7.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的智能齒輪，其特征在于:所述彈性體為高分子橡膠合金彈性體或金屬橡膠彈性體。
8.根據(jù)權利要求7所述的智能齒輪，其特征在于:所述彈性體為金屬橡膠彈性體，且所述金屬橡膠彈性體為采用下列工藝制備得到的金屬橡膠彈性體:將直徑為0.05-0.3mm的金屬絲制成螺旋卷，并將該螺旋卷定螺距拉伸后鋪放形成毛坯，將毛坯循環(huán)冷卻成型處理后再熱處理，得到具有彈性多孔特性的金屬橡膠彈性體。
9.根據(jù)權利要求8所述的智能齒輪，其特征在于:用于制作所述彈性體的金屬絲的材質為適用于常溫無侵蝕環(huán)境的高強度鋼或適用于高溫/有侵蝕環(huán)境的奧氏體不銹鋼。
10.根據(jù)權利要求9所述的智能齒輪，其特征在于:所述金屬絲螺旋卷的中徑等于金屬絲直徑的2 -7倍。
【文檔編號】F16H55/06GK103438183SQ201310206831
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年5月30日 優(yōu)先權日:2013年4月19日
【發(fā)明者】王家序, 蒲偉, 周廣武, 周青華, 韓彥峰, 李俊陽 申請人:四川大學