实验9 机械传动性能参数测试分析(2)重庆大学机械基础实验报告分析

44实验9机械传动性能参数测试分析9.1实验目的传动系统是机器的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到机器的性能。机械传动系统的性能主要由传动功率、转矩、转速、传动效率、振动噪声和寿命等性能参数来描述。本实验的主要目的如下：1.掌握转速、转矩、传动功率和传动效率等机械传动性能参数测试的基本原理和方法。2.了解机械传动性能参数测试实验台的基本构造及其工作原理，提高学生综合设计实验的能力。3.通过测试常见机械传动装置（如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等）在传递运动与动力过程中的参数曲线（速度曲线、转矩曲线、传动比曲线、功率曲线及效率曲线等），加深对常见机械传动性能的认识和理解。4.通过机械传动系统的拼装，培养学生的工程实践能力、动手能力及团队工作能力。9.2实验测试对象可为各种传动装置，包括直齿圆柱齿轮减速器、摆线针轮减速器、蜗轮减速器、同步带传动、V带传动、链传动等。9.3测试原理机械传动中，输入功率应等于输出功率与机械内部损耗功率之和。即：foiPPP（9－1）式中：iP——输入功率；oP——输出功率；fP——机械内部所消耗功率。则机械效率η为：ioPP（9－2）由力学知识可知，对于机械传动若设其传动力矩为M，角速度为ω，则对应的功率为：MnMnMP30602＝（9－3）式中：n——传动机械的转速（r/min）所以，传动效率η可表述为：iioonMnM（9－4）45式中：Mi，Mo——分别为传动机械输入、输出转矩ni，no——分别为传动机械输入、输出转速因此，若能利用仪器测出被测试对象的输入转矩和转速，以及其输出转矩和转速，就可以通过式（9－4）计算出其传动效率。9.4实验台的组成及主要实验测试仪器设备9.4.1实验台的类型根据测试对象的功率的大小，机械传动性能参数测试实验台可采用开放功率流式与封闭功率流式两种构造形式。开放功率流式实验台借助一个加载装置(机械制动器、电磁测功器或磁粉制动器)来消耗测试对象所传递的能量。开放功率流式的优点是与实际工作情况一致，实验装置简单，安装方便；缺点是能量消耗大，对于需作较长时间试验的场合(如疲劳试验)，耗费能量尤其严重。一般测试对象的功率较小时多采用此种形式。封闭功率流式实验台采用输出功率反馈给输入从而形成功率流封闭。封闭功率流式的优点是电源只供给传动中摩擦阻力所消耗的功率，可以大大地减小功耗；缺点是实验台的控制复杂，价格较高。一般测试对象的功率较大时或需作较长时间试验时(如疲劳试验)多采用此种形式。9.4.2实验台的组成本实验台采用开放功率流式实验台，其基本构造简图如图9-1所示，其实物构成如图9-2所示。图中：1——变频电动机2、5、7、10——联轴器图9-1实验台的基本构造简图463、8——转矩转速传感器4、9——机械效率仪11——磁粉制动器12——恒流电源图9-2实验台的实物构成图本实验台采用模块化结构，机械结构上它主要由输入模块、过度节模块、测试模块和加载模块组成；控制部分主要由面板控制模块、工控机程控模块组成。实验测试对象为：（1）直齿圆柱齿轮减速器：速比1：5，齿数Z1=19，Z2=95。（2）摆线针轮减速器：减速比1：9。（3）蜗轮减速器：减速比1：10，蜗杆头数Z1=1，中心距a=50ｍｍ。（4）同步带传动：L型同步带3×16×80，带轮齿数Z1=18，Z2=25，节距LP=9.525。（5）V带传动：Z型带，带轮基准直径D1=70mm，D2=115mm，L内=900mm，带轮基准直径D1=76mm，D2=145mm；带轮基准直径D1=70mm，D2=88mm；Z型带L内=630mm。（6）链传动：滚子链08A-1×72，滚子链08A-1×52，滚子链08A-1×68，链轮Z1=17，Z2=2；利用以上测试对象，可以组合出26种不同的机械传动方案（见附件），学生可以根据选择或设计的实验类型、方案和内容，自己动手进行传动连接、安装调试和测试、进行设计性实验、综合实验或创新性实验。9.4.3磁电型转矩转速传感器的工作原理磁电型转矩转速传感器属磁电式相位差传感器，基本原理是：通过弹性轴、两组磁电47信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。将传感器的这两组电信号用专用屏蔽电缆送入转矩测量仪或机械效率仪或装有转矩卡的计算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值。磁电转矩传感器与转矩仪配套使用，是一种测量各种动力机械转动力矩、转速及机械功率的精密仪器。其用途十分广泛，在电机、风机、水泵、齿轮及减速器、铁路机车、汽车拖拉机、飞机、船舶、矿山机械、液压气动元件等几乎所有机械制造部门及其科研院所、大专院校均有广泛的应用。图9-3是其工作原理图。在弹性轴的两端安装有两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性的变化，在两个信号线圈中感生出两个近似正弦变化的电势1u、2u。当转矩转速传感器受扭后，这两个感应电势分别为tZUumsin1（9－5）)sin(2ZtZUum（9－6）式中Z——齿轮齿数；——轴的角速度，单位为srad/；——两个基本点齿轮间的偏转角度，单位为rad。角由两部分组成，一是齿轮的初始偏差角0；另一部分是由于受转矩M后，弹性轴变形而产生的偏转角MK1，因此)sin(102MZKZtZUum（9－7）图9-3JC型转矩转速传感器工作原理图图9-4转矩转速传感器输出信号这两组交流电信号的频率相同且与齿轮的齿数和轴的转速成正比，因此可以用来测量48转速。这两组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方向有关。当弹性轴不承受扭矩时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关，这一相位差一般称为初始相位差，在设计制造时，使其相差半个齿距，则两组交流电信号之间的初始相位差在180°。当弹性轴承受扭矩时，将产生扭转变形，于是在安装齿轮的两个段面之间相对转动角，从而使两组交流电信号之间的相位差发生变化（图9-4），在弹性变形范围内，与成正比，也就是正比于扭矩值，由此即可测出扭矩的大小。（1）转速的测试设转矩转速传感器信号齿轮的齿数为Z，每秒钟转矩转速传感器输出的脉冲数为f，则转速n为：60Zfn)(rpm（9-8)（2）转矩的测试设转矩转速传感器信号齿轮的齿数为Z，若要求两信号齿轮输出信号的两路信号的初始相位差为1800，则两信号齿轮安装时需要错开Z2360度。当弹性轴承受扭矩时，将产生扭转变形，于是在安装齿轮的两个段面之间相对转动度，两信号齿轮的错位角变为Z2360，从而使两组交流电信号之间的相位差变为：Z180)Z2360(z(9-9)则两组交流电信号之间的相位差的增量为：Z0(9-10)由材料力学知，在弹性变形范围内，转角与力矩成正比，，即：MK1(9-11)式中：K1——弹性系数，设弹性轴的直径为d,长度为L，弹性模数为G，则GdLK4132(9-12)M——作用于弹性轴的力矩将代入式(9-10)得：KMMK1Z(9-13)式中：K——比例系数，1ZKK因此，由式(9-13)可以看出，测出两组交流电信号之间的相位差的增量即可测出对应的力矩的大小。49（3）传动功率的测试传动功率与转速和力矩的乘积成正比，即30nMMP，因此只要测出转速和力矩即可计算出传动功率的大小。（4）转矩转速传感器的机械结构图9-5是转矩转速传感器机械结构图。其结构与图9-3的工作原理图的差别是，为了提高测量精度及信号幅值，两端的信号发生器是由安装在弹性轴上的外齿轮、安装在套筒内的内齿轮、固定在机座内的导磁环、磁钢、线圈及导磁支架组成封闭的磁路。其中，外齿轮、内齿轮是齿数相同互相脱开不相啮合的。套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时，通过传感器顶部的小电动机及齿轮或皮带传动链带动套筒，使内齿轮反向转动，提高了内、外齿轮之间的相对转速，保证了转矩测量精度。图9-5转矩转速传感器机械结构图9.4.4磁粉制动器的工作原理(1)基本结构和工作原理磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递扭矩的，它具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系，响应速度快、结构简单等优点，是一种多用途、性能优越的自动控制元件。是各种机械制动、加载的理想装置。磁粉制动器的结构简图如图9-6示。在定子与转子间隙中填入磁粉，当激磁线圈未通电时，磁粉主要附在定子表面；而当激磁线圈接通直流电时，产生磁通使磁粉立即沿磁通50连接成链状。这时磁粉间的结合力和磁粉与工作面间的摩擦力产生制动力矩，该力矩与激磁电流基本上成正比。通过可调稳流器来控制激磁电流大小，也就是控制力矩的大小。但是，当激磁电流增大到一定值时，该力矩趋向饱和。在加载过程中输入的机械能通过摩擦转变为热能。在额定力矩的情况下，制动功率的大小决定于散热的快慢，为了增加制动功率，必须采取强迫冷却。此外，由于在试验过程中，磁粉制动器是在连续状态下运行，因此选择制动器规格时，除考虑到制动力矩外，还应根据负载特性来选择，即磁粉制动器的允许制动功率应大于被测功率。(2)磁粉制动器的特性1）激磁电流——转矩特性激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小。其特性如图9-7示。2）转速——转矩特性转矩与转速无关，保持定值。静力矩和动力矩没有差别，其特性如图9-8示。图9-7激磁电流—转矩特性曲线图9-8转速—转矩特性曲线图9-6磁粉制动器1.磁粉2.线圈3.定子4.转子5.轴承6.转轴519.6实验步骤（1）设备安装根据不同的测试对象，参照附26种实验方案，将各设备安装接好。并注意各个设备之间的同轴度，以避免产生不必要的弯矩，从而保证测量精度。在有带、链传动的实验装置中，为防止径向力直接作用在传感器上影响传感器测试精度，在传感器前加一个过度节模块。安装完毕，正式实验前一般应开机试运转几分钟至半小时，考核设备安装可靠程度，发现异常振动和噪音等应立即停机予以排除。（2）开启转矩转速传感器的背包电机，对机械效率仪进行调零（注意：背包电机的转向一定要与主轴的转向相反）。（3）启动主电机进行测量。测量从空载开始，依次调整磁粉制动器的加载电流增加负载，直至满载荷。依次记录在不同载荷下的输入、输出转速、力矩和功率。若输出轴的转速低于600rpm时应开启背包电机，背包电机的转向应与输出轴的转向相反，此时，测得的输出轴的转速应该减去背包电机的转速。（4）测试完毕，关闭主电机和各测试仪器。（5）根据测试记录，计算出测试对象的传动效率，并绘制出测试对象的效率曲线。9.7注意事项1.开动电机之前、要先检查实验装置，包括线路连接、装置搭接的正确可靠。2．测试时、加载一定要平稳缓慢，否则将影响采样的测试精度。3．测试结果如果误差较大，应检查实验装置是否正确安装、转速转矩传感器的调零是否正确。4．实验的过程中注意稳拿轻放防止碰撞。5．联轴器之间中心必须高相等，两半联轴器之间一般应留有1~3毫米的间隙；实验元器件与实验台的连接要紧固。6．进行带、链传动时，两轴要保持平行。7．禁止带负载启动，以免造成安全事故。8．使用本实验系统之前一定要了解实验准则，了解本实验系统的操作规程，在实验老师的指导下进行，切勿盲目的进行实验。9．实验过程中，发现有问题要先停止传动电机，在元器件停止转动后，修正后再继续进行实验。10．本实验台采用高压供电，实验时请勿打开电器控制柜，以免造成安全事故。11．注意：变频器出厂前设定完成、若需更改内部参数，必须由专业技术人员或熟悉变频器的相关人员担任，避免设定参数不当造成不必要的损坏。12．实验完毕后，要清理好元器件；做好元器件的保养和实验台的整洁工作。思考题1.常见的机械传动装置的性能