一种基于智能复合材料的复合型齿轮制造技术

本发明专利技术公开一种基于智能复合材料的复合型齿轮。该齿轮将智能复合材料腹板与金属齿圈连接，保证齿轮啮合强度的同时实现了轻量化。齿轮腹板部分基于智能复合材料，将复合材料的部分区域改性，如：加入压电纳米颗粒、碳纳米管等使其具有压电特性、压阻特性、热敏效应等，将结构与传感检测功能集于一体。通过智能复合材料腹板实时检测齿轮温度、应力、应变、振动等，提高齿轮耐用性和可靠性，并减少检查和结构的维护成本。同时，由于压阻特性与齿轮结构设计产生的附加阻尼，使得该齿轮拥有额外减振效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能复合材料的复合型齿轮
本专利技术涉及齿轮传动领域，具体是一种基于智能复合材料的能够实现运行状态实时监测的复合型齿轮。
技术介绍
在航空传动领域，齿轮的健康监测和重量一直是业内关注的重点。对于前者，齿轮长期在高速、重载、高温、高压的恶劣环境下运转,很容易诱发剧烈振动或产生失效，并且一旦发生后果不堪设想。使用健康监测，可以检测齿轮的实时工况，避免齿轮失效。对于后者，航空设备天然要求重量轻。除却在机体的结构设计和材料选用方面考虑减重，还要求齿轮等零件的质量尽可能小。因此,需要一种能够实时监测齿轮健康、减振的轻量化齿轮。在减轻齿轮重量方面，传统轻量化齿轮的方式大多是采取薄腹板、薄轮缘设计，但伴随而来的是齿轮刚度降低、更容易发生变形，进而导致齿轮失效。凭借其出色的比强度、比刚度，复合材料在航空航天领域得到了广泛关注和应用，亦有研究学者提出采用复合材料代替金属制造齿轮。与金属齿轮相比，复合材料齿轮虽然具有降噪、质轻、易于加工等优点，但存在接触强度和耐磨性不足等缺点。在齿轮实时监测方面，传统齿轮的实时传感方法是利用热电偶与压阻薄膜传感器放置在齿轮表面或嵌入齿轮内部进行检测温度与压力，不仅会破坏齿轮的结构，影响齿轮的刚度，还存在成本高、传感面积小、耐久性差、易受周围环境的影响等缺点。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于智能复合材料的复合型齿轮，能够通过智能复合材料腹板实时检测齿轮温度、应力、应变、振动等，提高齿轮耐用性和可靠性，并减少检查和结构的维护成本。同时，由于压阻特性与齿轮结构设计产生的附加阻尼，使得该齿轮拥有减振效果。针对上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于智能复合材料的复合型齿轮，包括轮缘、智能复合材料腹板组件、轮毂；所述智能复合材料腹板组件位于轮缘与轮毂之间；智能复合材料腹板组件中包括若干智能传感材料区域，该智能传感材料区域内具有压电纳米颗粒、碳纳米管聚合物。或者，本专利技术也可采用以下技术方案：一种基于智能复合材料的复合型齿轮，包括轮缘、智能复合材料腹板组件、轮毂；所述智能复合材料腹板组件位于轮缘与轮毂之间，通过螺栓连接、胶接、铆接等方式与轮缘、轮毂相连接；智能复合材料腹板组件中包括若干智能传感材料区域，该智能传感材料区域内具有压电特性、压阻特性、热敏效应，用以获取齿轮的负载、应力、应变、振动、温度信息。有益效果：与现有的技术相比，本专利技术具有如下优势：本专利技术基于智能复合材料，设计了一种能够实时监测的复合型齿轮。复合型齿轮采用智能复合材料作为腹板，较传统的一体式齿轮而言，能够大大减轻齿轮的重量，有望在航空航天领域得到广泛的应用。创新性地将复合材料的部分区域改性(加入压电纳米颗粒、碳纳米管等)形成智能复合材料，使其具有压电特性、压阻特性、热敏效应等，获得对运作过程中的齿轮所处的环境与条件的感知功能，如负载、应力、应变、振动、温度等的强度及其变化。在具有传感特性的基础上，智能复合材料还能够产生附加阻尼，最终形成具有传感与减振功能于一体的智能复合材料腹板，使得齿轮在轻量化的基础上，进一步智能化、集成化，获得了实时监测、减振等功能，从而极大地提高从齿轮到齿轮传动系统的安全性与可靠性，避免事故发生。附图说明图1为本专利技术实施例一的复合型齿轮的结构示意图。图2为本专利技术实施例一的复合型齿轮的横截面示意图。图3为本专利技术实施例二的复合型齿轮的结构示意图。图4为本专利技术实施例二的复合型齿轮的横截面示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例一结合图1、图2所示。本实施例提供一种用螺栓紧固件连接的复合型齿轮，包括轮缘1、若干螺栓紧固件2、智能复合材料腹板组件3、轮毂4。其中，智能复合材料腹板组件3内部有数个智能传感材料区域5。所述智能复合材料腹板组件3通过螺栓紧固件2与轮缘1、轮毂4相连接。智能复合材料腹板组件3包括两块相互贴合的智能复合材料腹板301、302。智能齿轮的轮缘1插装在智能复合材料腹板组件3中，并且通过六组螺栓连接实现固定装配。智能齿轮的轮毂4包括两个独立的内轴部件401、402。两个内轴部件401、402分别安装于智能复合材料腹板组件3两侧，并且通过四组螺栓连接实现固定装配。所述智能复合材料腹板组件3材料为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维复合材料中的至少一种。轮缘1和轮毂4的材料可以选用碳素结构钢、合金结构钢等所述智能传感材料区域5是将智能复合材料腹板301、302的部分区域改性，如加入压电纳米颗粒、碳纳米管聚合物等使其具有压电特性、压阻特性、热敏效应等。智能传感材料区域5获取齿轮的负载、应力、应变、振动、温度等的强度及其变化，齿轮获得了实时监测等智能功能。通过引线，智能复合材料将获取的信息反馈至数据处理系统，从而赋予智能齿轮实时监测的智能功能。所述智能复合材料腹板组件3会产生附加阻尼，达到减振的目的。附加阻尼一方面来源于智能复合材料内部的纤维、纳米颗粒等与将其包裹的复合材料产生的摩擦阻尼；另一方面，智能传感材料区域5内部的压电纳米颗粒所产生压电分流阻尼。实施例二结合图3、图4所示。本实施例提供一种用粘合剂胶接的复合型齿轮，智能复合材料腹板组件2与轮缘1、轮毂3通过粘合剂连接；同时，腹板组件2与轮缘1、轮毂3连接处设置类花键4、5，以增加所传递扭矩。所述智能传感材料区域6是将智能复合材料2的部分区域改性，加入压电纳米颗粒、碳纳米管聚合物等使其具有压电特性、压阻特性、热敏效应等。智能传感材料区域6获取齿轮的负载、应力、应变、振动、温度等的强度及其变化，齿轮获得了实时监测等智能功能。所述智能复合材料腹板组件2会产生附加阻尼，达到减振的目的。附加阻尼一方面来源于智能复合材料内部的纤维、纳米颗粒等与将其包裹的复合材料产生的摩擦阻尼；另一方面，智能传感材料区域2内部的压电纳米颗粒所产生压电分流阻尼。本专利技术的工作过程如下：在本专利技术中，智能齿轮集传动、传感、减振于一体。当齿轮传动系统在运作时，智能齿轮内部的智能传感材料区域5不断感应、采集能够反应齿轮工作情况的信息，通过传感网络，将信息反馈至控制系统，从而获得齿轮的健康状况，实现齿轮实时监测的智能功能。并且复合型齿轮的结构设计和其中的压电纳米颗粒，对智能齿轮施加了附加阻尼，有一定的减振效果。一方面，在齿轮运作时，智能复合材料腹板组件3内部的纤维、纳米颗粒等与将其包裹的复合材料产生内部摩擦，形成摩擦阻尼。另一方面，在摩擦阻尼的基础上，智能复合材料腹板组件3内部的压电纳米颗粒会产生压电分流阻尼。压电纳米颗粒将机械噪声振动的能量转变为电能，再由分流电路将其电能消耗，从而达到减振降噪的效果。本专利技术的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本专利技术的技术方案做出的技术变形，均落入本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于智能复合材料的复合型齿轮，其特征在于，包括轮缘、智能复合材料腹板组件、轮毂；所述智能复合材料腹板组件位于轮缘与轮毂之间；智能复合材料腹板组件中包括若干智能传感材料区域，该智能传感材料区域内具有压电纳米颗粒、碳纳米管聚合物。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于智能复合材料的复合型齿轮，其特征在于，包括轮缘、智能复合材料腹板组件、轮毂；所述智能复合材料腹板组件位于轮缘与轮毂之间；智能复合材料腹板组件中包括若干智能传感材料区域，该智能传感材料区域内具有压电纳米颗粒、碳纳米管聚合物。


2.根据权利要求1所述的复合型齿轮，其特征在于，所述智能复合材料腹板组件材料为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维复合材料中的至少一种。


3.根据权利要求1或2所述的复合型齿轮，其特征在于，所述智能复合材料腹板组件与轮缘、轮毂通过螺栓紧固件连接实现固定装配，包括两块相互贴合的智能复合材料腹板；轮缘插装在智能复合材料腹板组件中。


4.根据权利要求1或2所述的复合型齿轮，其特征在于，所述智能复合材料腹板组件与轮缘、轮毂通过粘合剂连接；智能复合材料腹板组件与轮缘、轮毂连接处设置类花键。


5.一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旦，林瑶洁，陈蔚芳，朱如鹏，李苗苗，陈柏，王尧尧，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32