专利名称：用于试验齿轮箱的试验设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于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，本发明涉及一种基于闭合的机械功率回路的试验设备，其中驱动马达必须仅向试验设备和试验中的齿轮箱提供机械损耗。
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所需的动力传动机构的尺寸、重量和成本，所述动力传动机构用于与试验中的齿轮箱共同提供闭合的机械功率回路。公开文献US3112643公开了基于闭合的机械功率回路的试验设备。此试验设备的齿轮系统和传动轴必须被设计为试验中的齿轮箱的最大试验功率。因此，此试验设备的齿轮系统和传动轴的尺寸、重量和成本将是实际试验设备实施中的挑战因素。
发明内容
下面陈述简要的发明内容，以便提供对本发明各实施例若干方面的基本理解。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，包括适于连接到试验中的齿轮箱的输入和输出轴的可旋转的连接接
n ；-至少两个传动轴，所述至少两个传动轴与齿轮系统和试验中的齿轮箱共同构成至少两个闭合的机械功率回路；-至少一个驱动马达，用于驱动所述至少两个闭合的机械功率回路；和-加载装置，用于向试验中的齿轮箱施加试验转矩；其中当试验中的齿轮箱是连接到试验设备上的唯一装置并且试验中的齿轮箱的唯一输入轴和试验中的齿轮箱的唯一输出轴连接到齿轮系统的可旋转的连接接口时，形成所述至少两个闭合的机械功率回路。由于存在多于一个的闭合的机械功率回路，所以每个闭合的机械功率回路的动力传动机构的额定功率能够明显小于试验中的齿轮箱的最大试验功率。在许多实际安装中，构造几个较小的动力传动机构比单个大的动力传动机构要更容易、更节省空间和更有成本效率。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试验设备的可旋转的连接接口；-在至少两个传动轴帮助下形成至少两个闭合的机械功率回路，所述至少两个传动轴与试验设备的齿轮系统和试验中的齿轮箱共同构成所述至少两个闭合的机械功率回路；-驱动所述至少两个闭合的机械功率回路，以便向所述闭合的机械功率回路提供机械功率损耗；和-向试验中的齿轮箱施加试验转矩；其中当试验中的齿轮箱是连接到试验设备上的唯一装置并且试验中的齿轮箱的唯一输入轴和试验中的齿轮箱的唯一输出轴连接到试验设备的可旋转的连接接口时，形成所述至少两个闭合的机械功率回路。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图示用于试验齿轮箱的根据本发明的另一个实施例的试验设备的原理，图3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4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图示用于试验齿轮箱115的实施例的根据本发明的试验设备的原理。试验设备包括齿轮系统101和传动轴109和110。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115的输入和输出轴。齿轮系统101和传动轴109和110与试验中的齿轮箱115共同构成如图1所示的两个闭合的机械功率回路。试验设备还包括布置为驱动闭合的机械功率回路的驱动马达104和105。在稳定状态下，驱动马达104和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104和105的总的额定功率能够明显低于试验中的齿轮箱115的最大试验功率。由于两个闭合的机械功率回路并联，所以每个闭合的机械功率回路的动力传动机构的额定功率都可以明显小于试验中的齿轮箱115的最大试验功率。在许多实际安装中，构造两个较小的动力传动机构比构造单个大的动力传动机构要更容易、更省空间且更有成本效率。此外，试验设备包括用于向试验中的齿轮箱施加试验转矩的加载装置。在图1所示的试验设备中，加载装置包括具有第一和第二可旋转元件111和112的差动齿轮级106，所述第一和第二可旋转元件111和112形成闭合的机械功率回路的部分并且所述第一和第二可旋转元件111和112彼此间的齿轮比取决于差动齿轮级的第三可旋转元件113的转速。试验设备通过允许差动齿轮级的第三可旋转元件113以如下速度旋转来调整到试验中的齿轮箱115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111和112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中全部齿轮比的产品统一的必要条件利用差动齿轮级的帮助实现的。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111和112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113是行星齿轮的行星轮架。应当注意行星齿轮不是差动齿轮级唯一可能的选择。差动齿轮级还能够是，例如，正齿轮差速器或基于锥齿轮的差动齿轮。还有可能在大齿轮150的位置由差动齿轮级所替代，或者是除差动齿轮级106之外存在一个差动齿轮级。因此，差动齿轮级的数量能够是I或2，这取决于实现具有足够宽区域的齿轮比的适用于不同的待试验齿轮箱的试验台的最经济的方式。在图1所示的试验设备中，加载装置还包括连接到差动齿轮级的第三可旋转元件113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。通过控制作用在第三可旋转元件113上的转矩，可以控制施加到试验中的齿轮箱115的试验转矩。控制装置包括电动机107和电变换器装置108。电转换器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107。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108布置成响应于电动机107的转速达到速度上限和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107可以是交流“AC”电动机，电变换器装置108可以是连接到三相电网116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，变频器可以被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，则能够达到非常好的控制精度。电动机还可以是直流“DC”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。在若干应用中，连接到差动齿轮级的第三可旋转元件113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。电动机能够根据其是作为马达还是发电机运行而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104和105是由电变换器装置114供电和控制的电动马达，所述电变换器装置114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，马达104和105是交流电动马达，电变换器装置114是变频器。为了实现好的速度控制精度，转换器装置114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。还可能电动机是直接连接到电网116的AC电动马达。在这种情况下，马达104和105的转速通过电网的频率确定，但是在瞬时加载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215的根据本发明的另一个实施例的试验设备的示意图。试验设备包括齿轮系统201和传动轴209和210。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215的输入轴和输出轴。齿轮系统201和传动轴209和210与试验中的齿轮箱215共同构成如图2所示的两个闭合的机械功率回路。所述试验设备还包括由三相电网216供电的驱动马达204和205，所述驱动马达204和205被布置成驱动闭合的机械功率回路。此外，试验设备包括加载装置，用于向试验中的齿轮箱215施加试验转矩。在图2所示的试验设备中，加载装置包括液压操作的活塞219，用于在其轴向上推动斜齿大齿轮217。所述推动方向在图2中由箭头218示出。由于大齿轮217是斜齿，所以相对于与其相邻的大齿轮的轴向运动产生旋转，并且因此向试验中的齿轮箱215施加转矩。还能够如图2中箭头220所示地通过转动整个齿轮箱215来生成试验转矩。例如在液压操作的活塞帮助下，试验中的齿轮箱可以被转动。然而，这个方法不适用于齿轮比为1:1的齿轮箱。此外，如果试验中的齿轮箱的输入和输出轴不是位于相同的空间直线上，则需要万向接头或其它适合的装置用来抵消输入轴和输出轴中的至少一个的径向运动。还能够具有两个在可旋转的连接接口 202和203之间背靠背连接的齿轮箱。可以通过利用例如液压操作的活塞在彼此相反的方向上转动齿轮箱来向试验中的这两个齿轮箱施加试验转矩。图3示出了用于试验齿轮箱315的根据本发明的实施例的试验设备的示意图。图3的上部示出了试验设备的侧视图，其中齿轮箱315处于试验位置。图3的下部示出了沿图3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301和传动轴309、310和321。齿轮系统包括可旋转的连接接口 302和303，例如法兰，适于被连接到试验中的齿轮箱315的输入轴和输出轴。齿轮系统301和传动轴309、310和321与齿轮箱315共同构成三个并联的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。图3示出了所述驱动马达中的一个驱动马达304。在传动轴309、310和321中的每个的两端处都能够具有驱动马达。在这种情况下，一共具有6个驱动马达。此外，试验设备包括用于向试验中的齿轮箱215施加试验转矩的加载装置。加载装置包括在截面A-A中示出的差动齿轮级306，其中轮齿用虚线表示。差动齿轮级306与图1中所示的差动齿轮级106相似。试验设备还包括电动机307，所述电动机307连接到差动齿轮级306的行星轮架。电动机307由电变换器装置308供电和控制。图4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401:连接试验中的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 ；-动作402:在至少两个传动轴的帮助下形成至少两个闭合的机械功率回路，所述至少两个传动轴与试验设备的齿轮系统和试验中的齿轮箱共同构成所述至少两个闭合的机械功率回路；-动作403:驱动至少两个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；和-动作404向试验中的齿轮箱施加试验转矩。一种根据本发明的实施例的方法，还包括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。在根据本发明的实施例的方法中，当第三可旋转元件旋转时，试验转矩通过控制作用在所述第三可旋转元件上的转矩而施加到试验中的齿轮箱。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如下系统控制，所述系统包括-电动机；和-电变换器装置，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。差动齿轮级可以是，例如，行星齿轮，从而使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，行星齿轮的行星轮架作为第三可旋转元件。电动机可以是交流电动机，电变换器装置可以是变频器。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和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一个或更多个电动马达驱动，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，所述试验设备包括 -齿轮系统(101，201，301)，所述齿轮系统包括可旋转的连接接口(102，103，202，203，302，303)，所述可旋转的连接接口适于连接到试验中的所述齿轮箱的输入轴和输出轴； -至少一个驱动马达(104，105，204，205，304)，所述驱动马达用于驱动所述齿轮系统和试验中的所述齿轮箱；和 -加载装置(106，107，108，217，219，306至308)，所述加载装置用于将试验转矩施加到试验中的所述齿轮箱， 其特征在于，所述试验设备还包括至少两个传动轴(109，110，209，210，309，310，321)，当试验中的所述齿轮箱连接到所述可旋转的连接接口时，所述至少两个传动轴与所述齿轮系统和试验中的所述齿轮箱共同构成至少两个闭合的机械功率回路，当试验中的所述齿轮箱是连接到所述试验设备的唯一装置并且试验中的所述齿轮箱的唯一输入轴和试验中的所述齿轮箱的唯一输出轴连接到所述齿轮系统的可旋转的连接接口时，形成所述至少两个闭合的机械功率回路。
2.根据权利要求1所述的试验设备，其中所述加载装置包括 -至少一个差动齿轮级(106，306)，所述差动齿轮级包括第一可旋转元件和第二可旋转元件(111，112)，所述第一可旋转元件和第二可旋转元件(111，112)形成所述闭合的机械功率回路的部分，并且所述第一可旋转元件和第二可旋转元件(111，112)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(113)的转速，和 -控制装置(107，108，307，308)，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。
3.根据权利要求2所述的试验设备，其中所述差动齿轮级(106，306)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。
4.根据权利要求2所述的试验设备，其中所述控制装置包括电动机(107，307)和电变换器装置(108，308)，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控制所述电动机。
5.根据权利要求4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而改变所述参考转矩，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。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的试验设备，其中所述驱动马达(104，105)是电动马达，并且所述试验设备包括另一个电变换器装置(114)，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。
7.根据权利要求4至6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并且所述电变换器装置是变频器。
8.根据权利要求1至7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并且所述另一个电变换器装置(114)是变频器。
9.一种用于试验齿轮箱的方法，所述方法包括 -连接(401)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； -驱动(403)所述试验设备和试验中的所述齿轮箱；和 -将试验转矩施加(404)到试验中的所述齿轮箱； 其特征在于，该方法还包括在至少两个传动轴的帮助下形成(402)至少两个闭合的机械功率回路，所述至少两个传动轴与所述试验设备的齿轮系统和试验中的所述齿轮箱共同构成所述至少两个闭合的机械功率回路，当试验中的所述齿轮箱是连接到所述试验设备的唯一装置并且试验中的所述齿轮箱的唯一输入轴和试验中的所述齿轮箱的唯一输出轴连接到所述试验设备的可旋转的连接接口时，形成所述至少两个闭合的机械功率回路。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法还包括在至少一个差动齿轮级的帮助下调整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，并且其中当所述第三可旋转元件旋转时，通过控制作用在所述第三可旋转元件上的转矩将试验转矩施加到试验中的所述齿轮箱。
11.根据权利要求10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，并且所述行星齿轮的行星轮架作为所述第三可旋转元件。
12.根据权利要求10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。
13.根据权利要求12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。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，其中所述闭合的机械功率回路由一个或更多个电动马达驱动，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。
15.根据权利要求12至14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
提供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，该试验设备包括齿轮系统(101)，能够连接到试验中的齿轮箱(115)的输入和输出轴；至少一个驱动马达(104，105)，用于驱动齿轮系统和试验中的齿轮箱；加载装置(106，107，108)，用于向试验中的齿轮箱施加试验转矩；和至少两个传动轴(109，110)，所述至少两个传动轴(109，110)与齿轮系统和试验中的齿轮箱共同构成至少两个闭合的机械功率回路。当存在两个或更多个机械闭环功率回路而不是单个时，试验设备比仅具有单个闭合的机械功率回路的对应的试验设备更有成本效率并且更易于构造。
文档编号G01M13/02GK103063430SQ20121044927
公开日2013年4月24日 申请日期2012年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者马尔库·鲁马科 申请人:美闻达传动设备有限公司