机械传动性能综合测试实验指导手册

一、实验目的

（1）通过机械传动系统的搭接创意组合实验，进一步了解机械传动系统的基本结构与设计要求；了解机械传动系统创新设计的基本方式，从而提高机械创新意识；

（2）通过对驱动源和传动输出端利用计算机数模和人工对扭矩及各参数的分析，进一步了解机械传动系统的性能特点，提高机械设计能力；

（3）通过实验认识机械传动性能测试与数字化分析的基本原理，培养学生的工程实践能力；

（4）在实验中掌握转速、力矩、传动功率和传动效率等性能参数测试的基本原理和方法；

（5）验证在传动中的摩擦损耗，所引起的输出功率总是小于输入功率，效率总是小于100%。

二、实验设备

本实验在JZC机械传动创意组合与性能分析实验台上进行，本实验台各硬件组成部件的结构布局如图20-1所示。

图20-1　实验台的结构布局

1—变频调速电机；2—联轴器；3—转矩转速传感器；4—试件；5—加载与制动装置；6—工控机；7—电器控制柜；8—台座

实验台组成部件的主要技术参数如表20-1所示。

表20-1　实验台组成部件的主要技术参数

续表

三、实验对象

基本传动装置；带传动（V带、平皮带及同步带）、链传动、减速器（圆柱齿轮减速器、摆线针轮减速器及蜗轮减速器）等。

四、实验原理

从机械原理的角度看，机械是由若干机构和传动零部件搭接而成的能量转换系统。平面连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构以及带传动、链传动、联轴器等广泛应用在机械传动系统中。

机械传动系统的设计是一种创造性劳动，要想设计出性能可靠的机械传动系统，需要了解机构或传动零部件的性能特点，并进行合理的选择与搭接组合，同时要对新设计的传动方案进行性能分析。

本实验在JZC机械传动创意组合与性能分析实验台上进行。该实验台采用模块化结构，由种类齐全的机械传动装置、联轴器、变频电机、加载装置和工控机等模块组成。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、综合性实验或创新性实验。

机械传动性能综合测试实验台的工作原理如图20-2所示。

在机械传动中，输入功率应等于输出功率与机械内部损耗功率之和，即

图20-2　实验台的工作原理

式中　Pi——输入功率；

P0——输出功率；

Pf——机械内部损耗功率。

机械效率η为

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

式中，n——传动机械的转速，r/min。

所以，传动效率η可改写为

式中，P=Mω=πnM/30、M0——传动机械输入、输出扭矩；

ni、n0——传动机械输入、输出转速。

因此，若利用仪器测出被测对象的输入转矩、转速和输出转矩、转速，就可以通过式（20-4）计算出传动效率。

1.ZJ型转矩转速传感器的工作原理

ZJ型转矩转速传感器属磁电式相位差传感器，其基本原理：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，如图20-3所示。

图20-3　ZJ型转矩转速传感器工作原理

在弹性轴的两端安装两只信号齿轮，在两齿轮的上方各安装有一组信号线圈，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地扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量也产生周期性的变化，在两个信号线圈中感生出两个近似正弦变化的电势u1和u2。当转矩转速传感器受扭后，这两个感应电势分别为

式中，z——齿轮齿数；

ω——轴的角速度，rad/s；

θ——两个基本点齿轮间的偏转角度，rad。

θ角由两部分组成：一部分是齿轮的初始偏差角θ0，另一部分是由于受转矩M后弹性轴变形而产生的偏转角Δθ=K1M，因此

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转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为180°。当弹性轴承受扭矩时，将产生扭矩变形，于是在安装齿轮的两个端面之间相对转动角为Δθ，从而使两组交流电信号之间的相位差产生变化Δφ（见图20-4）。在弹性变形范围内，Δφ与Δθ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（r/min）为

（2）转矩的测试

设转矩转速传感器信号齿轮的齿数为z，若要求两信号齿轮的两路输出信号的初始相位差为φ0=180°，则两信号齿轮安装时需要错开

图20-4　转矩转速传感器输出信号

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端面之间相对转动Δθ，两信号齿轮的错位角为，从而使两组交流电信号之间的相位差变为

则两组交流电信号之间的相位差的增量为

由材料力学知，在弹性变形范围内，转角Δθ与力矩成正比，即

式中　M——作用于弹性轴的力矩；

K1——弹性指数。

设弹性轴的直径为d，长度为L，弹性模数为G，则

将Δθ代入式（20-10）得

式中，K——比例系数，K=±zK1。

因此由式（20-13）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）传动功率的测量

传动功率与转速和力矩的乘积成正比，即

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20-5是ZJ型转矩转速传感器的机械结构图。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不转时，通过传感器顶部的小电动机及齿轮或带传动带动套筒，使内齿轮反向转动，提高内、外齿轮之间的相对转速，保证了转矩测量精度。

图20-5　ZJ型转矩转速传感器的机械结构

2.STC-1扭矩测试卡使用说明

（1）概述

STC-1插卡的总线形式为STC-1ISA，即STC-1为计算机ISA总线式插卡，其外形如图20-6所示。

STC-1卡有以下特点：

①STC-1卡与计算机及磁电式相位差型转矩转速传感器配套，配备相应软件，即可实现转矩、转速的高精度测量（一台虚拟仪器）。

②标准的PC/AT/PCI总线。只要将STC-1卡插入计算机的ISA槽，传感器扭矩信号直接输入STC-1卡，无须外接扭矩二次仪表，简单、方便、可靠。

③Windows9x/Windows2000/WindowsXP软件平台，界面生动，操作简单方便。

④不仅转矩、转速、功率CRT数字实时显示，而且可对全程测量数据做数学运算，拟合出各种特性曲线。

⑤　既可快速存储，又可慢速选点存储，以及数据、曲线的回放。

⑥　扭矩转速特性误差全程校正。

⑦　STC-1不仅提供标准的扭矩转速及其曲线的测量、显示软件，而且向用户提供DOS、Windows3.2、Windows9x/Windows2000/WindowsXP环境下的接口：DOS采用内存驻留技术及库函数，Windows则以DLL函数/WDM/VXD（WDM/VXD驱动仅PCI接口卡提供）驱动程序供用户调用，因此用户可以方便地嵌入自己的测量系统。例如，电机、水泵、变速箱、风机等测试系统。

STC-1接口函数如下：

启动测量函数：StartTest（卡号）

判测量结束标志函数：GetTestFlag（卡号）

取测量数据函数：GetTestValue（卡号，M，n）

注意：一台计算机最多可同时使用64块扭矩转速测量卡，其编号为0～63。

⑧　STC-1与计算机并行工作，当STC-1完成一组数据的采集后，其硬件自动保存测量数据，用户可以在下一次启动测量之前的任意时刻提取测量数据。

⑨　STC-1可与JZ系列、ZJ系列、CGQ系列、JC系列、JCZ系列、SS系列等国内外各种磁电式相位差型扭矩传感器配套使用。

（2）技术指标

①扭矩测量(www.xing528.com)

配用传感器：各种量程相位差式转矩转速传感器。精度：±0.1%FS或±0.2%FS。

②转速测量

配用传感器：相位差式转矩转速传感器或测速齿轮精度：±0.1%±1个字

图20-6　STC-1卡

采样速率：50ms～3s任意设定。

注意：采样速度与转速有关，因为相位差型扭矩仪器完成鉴相至少得有一个周期以上的时间，而且为了保证精度，必须保证信号周期的完整性，若采样速率设置值小于信号周期，那么采样周期将会延长到信号周期的两个周期以上的时间。因此，在要求高速采样的场合，应该尽量地提高扭矩信号的频率（即提高转速）。

（3）使用方法

用跳线将扭矩卡上的A4、A5、A6、A7、A8、A9设置I/O地址，必须保证设置之地址不被计算机中其他硬件所占用。STC-1使用16个连续I/O地址，可以在0～0x0FH之间任选一组地址；在IRQ10、IRQ11、IRQ12或IRQ15之间任选一中断，将X3的跳线全去掉，STC-1不使用中断。

STC-1ISA的SW（DIP）开关见表20-2。

表20-2　STC-1ISA的SW（DIP）开关

①将扭矩卡插入计算机的ISA槽中。

②将光盘中的STC-1程序装入计算机。执行SETUP.EXE，按照说明分步选择即可。这是演示程序，能判别扭矩卡与传感器是否正常工作。

③把STC-1嵌入测试系统。STC-1以DLL形式供用户调用，提供四个函数，能让STC-1方便地嵌入测试系统。其中，第一个函数仅调用一次，后面三个函数需循环调用。

设置参数函数：SetParameter（）

启动测量函数：StartTest（）

判测量结束标志函数：GetTestFlag（）

取测量数据函数：GetTestValue（）

④扭矩测试快速入门

a.把扭矩传感器铭牌上的系数、齿数、量程（或额定扭矩）送入扭矩测量卡测试软件（或扭矩测量仪）中。

b.扭矩调零。因为ZJ型扭矩传感器空载转动时其输出二路信号初始相位角并不是0°，而是180°左右，故需要进行扭矩调零。

扭矩调零要满足两个条件：一是空载，二是主轴转动。当空载转动后，单击“自动调零”按钮，系统便可自动测取扭矩零点。实在无法卸去负载时也可以启动小电机调零，但这样将会带来同心度误差和转速特性误差，所以应尽量避免。一般情况下，某一扭矩零点是在某一转速下测得的。当转速变化时，该转速状态下的零点也有可能会发生变化。为了保证在任意转速状态下扭矩的测量精度，STC-1能自动测取多个不同转速（如20种转速）状态下的零点，然后用拟合算法，自动算出任意转速状态下的扭矩零点，从而完全克服由于转速变化而引起的转矩测量误差。单击“OK”按钮将保存零点；单击“Cancel”按钮，所测取的零点将不再保存。

正确的扭矩零点应该在量程值左右。

c.开始测试

3.磁粉制动器的工作原理

（1）基本结构

磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递扭矩的，它具有励磁电流和传递转矩基本呈线性关系、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20-7所示。在定子与转子间隙中填入磁粉，当励磁线圈未通电时，磁粉主要附在定子表面。当励磁线圈接通直流电时，产生磁通，使磁粉立即沿磁通连接成链状。这时磁粉间的结合力和磁粉与工作表面间的摩擦力产生制动力矩，其大小与励磁电流基本上成正比。通过可调稳流器来控制励磁电流的大小，从而控制力矩的大小。但是，当励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，制动功率的大小取决于散热的快慢。为了增加制动功率，必须强迫冷却。此外，由于在实验过程中，磁粉制动器在连续状态下运行，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。

图20-7　磁粉制动器

（2）磁粉制动器的特性

①励磁电流-转矩特性

励磁电流与转矩基本呈线性关系，通过调节励磁电流可以控制力矩的大小。其特性如图20-8所示。

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20-9所示。

图20-8　励磁电流-转矩特性曲线

图20-9　转速-转矩特性曲线

4.实验台软件的使用说明

（1）运行软件

双击桌面上的快捷方式“Test”，就能进入该软件运行环境了。

（2）界面总览

软件的运行界面，主要由下拉菜单、显示面板、电机控制操作面板、数据操作面板、被测参数数据库、测试记录数据库六部分组成，如图20-10所示。其中，电机控制操作面板主要用于控制实验台架；下拉菜单中可以设置各种参数；显示面板用于显示实验数据；测试记录数据库用于存放并显示临时测试数据；被测参数数据库用来存放被测参数；数据操作面板主要用来操作测试记录数据库和被测参数数据库中的数据。

图20-10　软件界面

①测试记录数据库

被测参数装入按钮↘：根据被测试件参数数据库表格中的“实验编号”，装入与编号相符的实验数据，并在下面表格中显示，如图20-11所示。

手动采样按钮↙：按下此按钮，计算机会将该时刻采集的实验数据填入其下面的表格中，显示并等待用户进行下一个采样点的采样。

图20-11　装入数据后的测试记录数据库

②电机控制操作面板

电机控制操作面板由开始采样按钮、停止采样按钮、电机负载调节框、电机转速调节框构成。

开始采样按钮“→开始采样”：实验开始运行后，由计算机自动进行数据采样。

停止采样按钮“（一）停止采样”：按下此按钮，计算机停止对实验数据进行采样。

负载调节框：控制此调节框，计算机将控制电机负载的大小（磁粉制动器）。调节框可调数值范围为0～100。

频率调节框：通过调节此框内数值可改变变频器频率，进而调节电机转速，变频器最高频率由变频器设置。

③数据操作面板

数据操作面板主要由数据导航控件组成，其作用主要是对被测参数数据库和测试记录数据库中的数据进行操作。数据操作面板中按钮的作用依次是前进一个记录、插入一个记录、前进至最后一个记录、删除当前记录、编辑记录、确认编辑有效、放弃编辑、添加一个记录。

④菜单

有“文件”“设置”“试验”“分析”四大主要功能。

“文件”菜单项如图20-12所示，由“打开数据文件”“数据另存为”“清除数据库所有记录”“退出系统”四部分组成。“数据另存为”用于保存当前数据库中的数据及报表头信息，将其存为文件，其中数据库中的数据可以通过数据库窗口进行浏览。“打开数据文件”用于打开以前保存的数据库文件。“清除数据库所有记录”即清空两个数据库。“退出系统”用于退出当前程序，退出程序前一定要先停止数据采样。

“设置”菜单项如图20-13所示。

图20-12　“文件”菜单项

图20-13　“设置”菜单项

选择“设定转矩转速传感器参数”会弹出如图20-14所示对话框。根据扭矩转速传感器的铭牌，如实填写所有参数项即可。

图20-14　“设置扭矩传感器常数”对话框

注意：填写小电机转速时，用户必须启动传感器上小电机，此时测试台架主轴应处于静止状态，按下小电机转速旁一齿轮图标按钮，计算机将自动检测小电机转速，并填入该框内。当主轴转速低于100r/min时，必须启动传感器上小电机，且小电机转向必须同主轴相反！机械台架每次重新安装后都需要进行扭矩的调零，但是没必要每次测试都进行调零。调零时要注意，输入和输出一定要分开调零。调零分为精细调零和普通调零，当进行精细调零时，要先断开负载和联轴器，然后主轴开始转动，进行输入调零，接下来接好联轴器，主轴转动，进行输出调零。当进行普通调零时则没有这么麻烦，无须断开联轴器，直接开动小电机进行调零即可。但小电机转动方向必须与主轴转动方向相反，处于零点状态时用户只需按下调零框右边一钥匙状按钮，便可自动调零。

选择“设定串口参数”会弹出如图20-15所示对话框，用户可根据串口的使用说明进行正确配置。

“试验”菜单项如图20-16所示。

开始采样：功能相当于电机控制面板上的开始采样按钮。

停止采样：功能相当于电机控制面板上的停止采样按钮。

记录数据：功能相当于电机控制面板上的手动记录数据。

覆盖当前记录：此菜单项将新的记录替换当前记录。

“分析”菜单项如图20-17所示。

图20-15　“配置设备串行口”对话框

图20-16　“试验”菜单项

图20-17　“分析”菜单项

选择“设置曲线选项”会弹出如图20-18所示对话框。其中，X轴坐标和Y轴坐标的最大值和最小值可以手动设置，也能让程序自动选择；标记采样点的意思是用明显的标记绘出采样点；曲线拟合算法按需要进行选择。如果曲线格式固定，则设置好各项参数后，一般就无须变动了。

“绘制曲线”和“打印试验表格”用于预览及打印曲线和表格。

图20-18　“绘制曲线的选项”对话框

五、实验步骤

1.设备安装。按图将各设备安装好，并注意各设备之间的同轴度，以避免产生不必要的弯矩，从而保证测量精度。为改变传感器的工作条件，降低安装要求，通常采用柔性联轴器。

安装完毕后，正式实验前一般应开机试运转几分钟至半小时，以检验设备的可靠程度，若发现异常振动和噪声等应立即停机予以排除。

2.按要求接好磁粉制动器和稳流电源的电源线。

3.按要求接好传感器和转矩转速仪之间的信号线，并接好转矩转速仪电源。（注意：接好后如果发现软件界面上转矩转速显示的是负数，或当加载后负数越来越大则需调换正反信号线。）

4.参照前述“STC-1扭矩测速卡使用说明”进行初始参数的设置。

5.开启转矩转速传感器的背包电动机，参照前述“实验台软件的使用说明”进行调零。（注意：背包电动机的转向一定要与主轴的转向相反。）

6.启动主电动机进行测量。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，以及力矩和功率。若输出轴的转速低于600r/min，则应开启背包电动机，背包电动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动机的转速。

7.测试完毕，打印实验结果，注意逐步卸载，关闭主电动机和各测试仪器。

8.根据测试记录，计算出测试对象的传动效率，并绘出测试对象的效率曲线。

9.改变机械传动系统进行实验。在时间许可的情况下再进行新的搭接组合实验（如链传动—齿轮减速器传动系统方案），并重复上述的步骤。

10.整理实验报告。实验报告的内容主要包括：测试数据（表）；参数曲线；对实验结果的分析；对实验改革的新设想或新建议。