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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。
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。
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：
P Po P （ 9-1）
式中：Pi ――输入功率； Po ――输出功率；Pf ――机械内部所消耗功率。则机械效率
为：
巴 （9— 2）
P
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3,则对应的功率为：
P M ?M =」M （9— 3）
60 30
式中:
n 传动机械的转速（r/mi n ）
所以，传动效率n可表述为：
(9— 4)M
(9— 4)
Mm
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。
942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9-1实验台的基本构造简图
图中：1——变频电动机
2、5、7、10――联轴器
3、 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：
直齿圆柱齿轮减速器：速比 1 : 5,齿数Z仁19，Z2=95。
摆线针轮减速器：减速比 1： 9。
蜗轮减速器：减速比 1： 10,蜗杆头数Z1=1，中心距a=50mm。
同步带传动：L型同步带 3X16X80,带轮齿数 Z仁18 , Z2=25，节距LP=9.525。
V带传动：Z型带，带轮基准直径 D仁70mm , D2=115mm , L内=900mm，带 轮基准直径 D仁76mm , D2=145mm ;带轮基准直径 D仁70mm , D2=88mm ; Z型带L内 =630mm。
(6 )链传动：滚子链 08A-1X72，滚子链 08A-1X52，滚子链 08A-1 X68，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
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。
(9-5)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 ui、
(9-5)
u1 UmsinZ t
U2 Umsin(Z t Z ) (9-6)
式中 z—齿轮齿数；
――轴的角速度，单位为 rad/s；
—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 °；另一部分是由于受转矩 M后，弹性
轴变形而产生的偏转角 K1M，因此
U2 U mSin(Z t Z 0 ZKiM) (9-7)
图9-3 JC型转矩转速传感器工作原理图图
图9-3 JC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
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：
n f. Z
n f. Z
60 (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
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
360
始相位差为0180，则两信号齿轮安装时需要错开-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 3602Z
度，两信号齿轮的错位角变为 360
2Z
，从而使两组交流电信号之间的相位差变为:
360 Z (_2Z~则两组交流电信号之间的相位差的增量为：
360 Z (_2Z~
则两组交流电信号之间的相位差的增量为：
)180 Z
(9-9)
(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:
由材料力学知，在弹性变形范围内，转角
与力矩成正比，，即:
K,
K,M
(9-11)
式中：K1――弹性系数，设弹性轴的直径为K
式中：K1――弹性系数，设弹性轴的直径为
K1
d，长度为L，弹性模数为G，则
32L
d4G
(9-12)
M――作用于弹性轴的力矩
将 代入式(9-10) 得:
(9-13)ZK1M KM
(9-13)
式中：K ――比例系数，K ZK1
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。
（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P M ,因此只要测出 转速和力
30
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
944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
2 3 4 5 6
图9-6
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
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)激磁电流一一转矩特性
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。
IIA)M(Nm)
IIA)
io-
6
图9-7
图9-7激磁电流一转矩特性曲线
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。
9.6 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
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参数有哪些 ?
机械传动装置的效率与所传递的功率大小有没有关系 ?
影响传动装置效率的因素有哪些 ?
常见的机械传动装置机械性能测试实验台有哪些构造类型 ?
磁粉制动器具有哪些优缺点 ?
为什么在测试转矩之前需要对转矩转速传感器进行调零 ?
?小电机应与主轴转矩转速传感器上的小电机有什么功用 ?
?小电机应与主轴
同向转动还是反向转动 ?开启小电机对哪些测试参数有影响 ?
实验装置采用的是什么类型的加载方式？其特点如何？
附：26种实验方案
1、
V带传动实验
输入模块
过渡节模
过渡节模
篩出模块
V带
V型带轮
联轴器
2、同步带传动实验
输入模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
输入模
TL-
输岀模
|联轴器
?同步带-
同步带.
输入模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
3、链轮传动实验
It
It
孑一缺传动翹
输入模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-输岀模块
4、齿轮减速器传动实验
5、摆线针轮减速器传动实验
5-戲枫传动蚂输入模块-摆线针轮减速器模块-输岀模块6、蜗轮蜗杆减速器传动实验… ,L F1—蜗轮蜗杆减输出模块-
5-戲枫传动蚂
输入模块-摆线针轮减速器模块-输岀模块
6、蜗轮蜗杆减速器传动实验
… ,L F1
—蜗轮蜗杆减
输出模块-
n
—
-
>
M *
6亠「螂删传动实验
输入模块-万向节模块-蜗轮蜗杆减速器模块-输岀模块
7、V带-齿轮减速器传动实验
输出模块V■带输入模块联轴器一联轴器 直齿圆柱 齿轮减速V型带轮.过渡节模7,皿一威舲传麒验
输出模块
V■带
输入模块
联轴器
一联轴器 直齿圆柱 齿轮减速
V型带轮
.过渡节模
7,皿一威舲传麒验
输入模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-齿轮减速器模块-输岀模块
k -
? e
<D
8、齿轮减速器-V带传动实验
1—II：过渡节模输出模块'7型带轮联轴器联轴器 直齿圆柱V带齿轮减速
1—
II：
过渡节模
输出模块
'7型带轮
联轴器
联轴器 直齿圆柱
V带
齿轮减速
输入模块I
3,齿號- -碎组刊
输入模块-齿轮减速器模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
9、同步带-齿轮减速器传动实验
-S-1j输入模块」-输出模块-联轴器 直齿圆柱 齿轮减速-同步带轮一同步带?过滤节模9’ HH-mm
-S-
1j
输入模块」
-输出模块-
联轴器 直齿圆柱 齿轮减速
-同步带轮
一同步带
?过滤节模
9’ HH-mm
输入模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-齿轮减速器模块-输岀模块
10、齿轮减速器-同步带传动实验
￡□过渡节模输出模块.同步带_联轴器_ 直齿圆柱'齿轮减速
￡
□
过渡节模
输出模块.
同步带
_联轴器_ 直齿圆柱'
齿轮减速
10,觥一肘糊合赠
输入模块-齿轮减速器模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
11、链-齿轮减速器传动实验
直齿圆柱 齿轮减速TT联轴器C万向联轴模块.￡输出模块JL链轮
直齿圆柱 齿轮减速
TT
联轴器
C
万向联轴
模块.
￡输出模块J
L链轮_厂
3过渡节模了:
iir
输入模块-过度节模块-万向节模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-齿轮减速器模块-输岀模
块
12、齿轮减速器-链传动实验
12,齿轮…链组合实验
输入模块-齿轮减速器模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-万向节模块-过度节模块-输岀模
13、V带-链传动实验
输入模块.过渡节模联轴器滚子链.输出模块■」1链轮V带
输入模块
.过渡节模
联轴器
滚子链
.输出模块■」
1
链轮
V带
V型带轮
13,
输入模块-过度节模块-带传动模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-输岀模块
14、链-V带传动实验
链轮输入模块-L 一滚子链A联轴器过渡节模块V
链轮
输入模块-
L 一滚子链
A
联轴器
过渡节模块
V带
7型带轮」
1
计
严
■
Il h
J输岀模块1
他链一』带组停验
输入模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-带传动模块-过度节模块-输岀模块
15、V带-蜗轮蜗杆减速器传动实验
向联轴?
〕过渡节模
输出模块
■带
联轴器
万
V型带轮
is.
输入模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-蜗轮蜗杆减速器模块-输岀模块
16、蜗轮蜗杆减速器-V带传动实验
万向联轴器
V型带轮
蜗轮蜗杆减速器
过渡节模块
I联轴器
16.龜翩■曲齢实址
输入模块-蜗轮蜗杆减速器模块-万向节模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
17、同步带-蜗轮蜗杆减速器传动实验
联轴器蜗轮蜗杆减速过渡节模块联轴器T二输出模块同步带亍向联轴器一同步带轮〔
联轴器
蜗轮蜗杆减速
过渡节模块
联轴器
T
二
输出模块
同步带
亍向联轴器一
同步带轮
〔
.输入模块
万向联轴
过渡节模
17.同歩社屬址靳舲赠
输入模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-蜗轮蜗杆减速器模块-万向节模块-输岀模块
18、蜗轮蜗杆减速器-同步带传动实验
18,轆翩一同步糊訣验
输入模块-蜗轮蜗杆减速器模块-万向节模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
19、链-蜗轮蜗杆减速器传动实验
联轴器万向联轴
联轴器
万向联轴
.输入模块
蜗轮蜗杆
.输出模块
.输出模块
过渡节
「链轮7产
滚子链
19,铤—聃蝴f舲轴
输入模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-齿轮减速器模块-万向节模块-输岀模块
20、蜗轮蜗杆减速器-链传动实验
20( 七倔
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输入模块-蜗轮蜗杆减速器模块-万向节模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-输岀模块
21、V带-摆线针轮减速器传动实验
联轴器=64过渡节模输入模块V带联轴器 摆线针轮减速器V型带轮输入模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-摆线针轮减速器模块-输岀模块
联轴器
=6
4
过渡节模
输入模块
V带
联轴器 摆线针轮
减速器
V型带轮
输入模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-摆线针轮减速器模块-输岀模块
22、摆线针轮减速器-V带传动实验
22、摆线针轮减速器-V带传动实验
输入模块
过渡节模
输出模块
联轴器
联轴器 摆线针轮
减速器
J型带轮了L
V 带—
22,
?匸输入模块同步带联轴器过渡节模输出模块联轴器摆线针轮 减速器同步带轮:
?匸
输入模块
同步带
联轴器
过渡节模
输出模块
联轴器
摆线针轮 减速器
同步带轮
:
输入模块-摆线针轮减速器模块-过度节模块-V带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
23、同步带-摆线针轮减速器传动实验
联轴器
同步带轮
摆线针轮
-减速器
输出模块-
-过渡节模
23.同线针聲姐含实验
输入模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-摆线针轮减速器模块-输岀模块
24、摆线针轮减速器-同步带传动实验
2匚灘黠一同步帶组令翘
输入模块-摆线针轮减速器模块-过度节模块-同步带传动测试模块-过度节模块-输岀模块
25、链-摆线针轮减速器传动实验
=LZ滚子链过渡节模输出模块摆线针轮 减速器入模块联轴器25”链一雄谿榊跆翹
=L
Z
滚子链
过渡节模
输出模块
摆线针轮 减速器
入模块
联轴器
25”链一雄谿榊跆翹
链轮
输入模块-过度节模块-链传动测试模块-过度节模块-摆线针轮减速器模块-输岀模块
26、摆线针轮减速器-链传动实验
? ?
? ?
输入模?
联轴器-
输出模
输入模块-摆线针轮减速器模块
-过度节模块-输岀模块