机械传动性能综合实验指导书

机械传动系统设计综合
实验指导书
目录
一、实验目的 (2)
二、实验内容 (2)
三、实验设备介绍 (2)
1. 实验设备的总体布局 (2)
2. 实验台各部分的安装连线 (3)
3. 实验台组成部件的主要技术参数 (5)
四、实验台的使用与操作 (5)
五、测试软件介绍 (7)
1.数据操作面板 (8)
2.电机控制操作面板 (8)
3.下拉菜单 (9)
六、实验注意事项 (14)
附录1：机械传动方案设计和性能测试综合实验任务卡 (15)
附录2：机械传动方案设计和性能测试综合实验方案书 (16)
附录3：机械传动方案设计和性能测试综合实验报告 (16)
附录4：实验系统各模块展示 (17)
附录5：转矩转速传感器介绍 (25)
一、实验目的
1.了解机械传动性能综合测试的工作原理和方法及计算机辅助实验的新方法；
2.掌握机械传动合理布置的基本要求和机械传动方案设计的一般方法；
3.加深对常见机械传动装置传动性能的认识和理解；
4.培养学生根据机械传动实验任务，进行自主实验的能力。

二、实验内容
1.从附录1中选择3～4个实验任务，自主设计满足要求的机械传动系统，并参照
附录2写出实验方案书；
2.按照所设计传动系统的组成方案在综合实验台上搭接机械传动性能综合测试系
统，并进行主电机转速一定载荷变化的性能测试及绘制性能参数曲线（转速曲线、
转矩曲线、传动比曲线、功率曲线及效率曲线等）；
3.根据测试结果分析传动系统设计方案。

三、实验设备介绍
1.实验设备的总体布局
“机械传动性能综合测试实验台”由变频电机、联轴器、机械传动装置、加载装置（磁粉制动器）、转矩转速传感器和工控机等硬件模块及测试软件组成，如下图所示。

变频电机、机械传动装置、加载装置（磁粉制动器）、转矩转速传感器之间用联轴器连接；两转矩转速传感器的信号线分别与安装在工控机主板上的两块转矩转速测试卡联接，两转矩转速传感器的信号由此传入工控机，系统性能参数的测量通过测试软件控制。

学生可以根据不同的设计任务，设计相应的实验方案，选用不同机械传动装置，在此实验台上进行各种不同传动系统的搭建、安装调试和传动系统的各种性能测试，并分析系统传动性能，完成设计性实验、综合性实验或创新性实验。

1-变频调速电机 2-联轴器 3-转矩转速传感器 4-机械传动装置5-加载与制动装置 6-工控机及测试软件 7-实验控制柜 8-台座
2.实验台各部分的安装连线
（1）先接好工控机、显示器、键盘和鼠标之间的连线、显示器的电源线接在工控机上、工控机的电源线插在电源插座上。

（2）将主电机、主电机风扇、磁粉制动器、ZJ10传感器（辅助）电机、ZJ50传感器（辅助）电机与控制台连接，其插座位置在控制台背面右上方（见图2）。

（3）输入端ZJ10传感器的信号口Ⅰ、Ⅱ接入工控机内卡TC-1 （300H）信号口Ⅰ、Ⅱ(见图3)。

输出端ZJ50传感器的信号口Ⅰ、Ⅱ接入工控机内卡TC-1 （340H）信号口Ⅰ、
Ⅱ(见图3)。

（4）将控制台37芯插头与工控机连接、即将实验台背面右上方标明为工控机的插座与工控机内IO控制卡相连(见图2、图3)。

图2 实验控制柜背面示意图
图3 工控机插卡示意图
3.实验台组成部件的主要技术参数
如表1所示。

表1
四、实验台的使用与操作
1.搭接实验装置前应仔细阅读本实验台的使用说明书，熟悉各主要设备的性能、参数
及使用方法，正确使用仪器设备及测试软件。

2.按照实验任务要求选择恰当的传动装置。

3.搭接实验装置时，由于电动机、被测传动装置、传感器、加载器的中心高均不一致，
组装、搭接时应选择合适的垫板、支承板、联轴器，调整好设备的安装精度、以使测量的数据精确。

注意各组件均不可握轴搬动，组装时的电源为关闭状态。

各主要搭接件中心高及轴径尺寸如下：
变频电机中心高80mm 轴径φ19
ZJ10转矩转速传感器中心高60mm 轴径φ14
ZJ50转矩转速传感器中心高70mm 轴径φ25
FZ-5发兰式磁粉制动器最大直径220mm 轴径φ25
WPA50-1/10蜗轮减速器输入轴中心高轴径φ12
输出轴中心高轴径φ17
齿轮减速箱中心高120mm 轴径φ18 中心距85.5mm
轴承支承中心高120mm 轴径(a) φ18
轴径(b) φ14、φ18
4.在有带、链传动的实验装置中，为防止压轴力直接作用在传感器上，影响传感器测
试精度，一定要安装本实验台的专用轴承支承座。

5.在搭接好实验装置后，用手驱动电机轴，如果装置运转自如，即可接通电源，开启
电源进入实验操作。

否则重调各连接轴的中心高、同轴度，以免损坏转矩转速传感器。

6.本实验台可进行手动及自动操作。

在实验台正面控制柜内的实验台控制面板(见图
4)有手动与自动操作的转换按钮，按动该按钮可以实现手动与自操作的转换。

采用
手动操作时，主电机的启闭及其速度、输入输出传感器电机正反转及磁粉制动器电流大小的调节（即负载大小的调节）在实验台控制面板上完成，数据的采集由配套的测试软件完成；采用自动操作时，除主电机的启闭与手动操作一样外，其余均采用配套的测试软件完成。

控制面板中：
电源：接通、断开电源及主电机冷却风扇
自动－手动：选择操作方式
主电机：开启、关闭变频电机
Ⅰ正转：输入端ZJ10型传感器电机正向转动的开启、关闭
Ⅰ反转：输入端ZJ10型传感器电机反向转动的开启、关闭
Ⅱ正转：输出端ZJ50型传感器电机正向转动的开启、关闭
Ⅱ反转：输出端ZJ50型传感器电机反向转动的开启、关闭
电流粗调： FZ5型磁粉制动器加载粗调
电流微调： FZ5型磁粉制动器加载微调
图4 实验台控制面板
7.搭建好系统后，必须进行测试软件的设置（详见测试软件介绍）。

五、测试软件介绍
双击桌面上的"Text"，进入"机械传动实验台Ver6.0"测试主界面。

如下图所示，主要由下拉菜单、数据操作面板、电机控制操作面板、数据操作面板及显示面板组成。

图5 主界面
1.数据操作面板
用于对被测参数数据库和测试记录数据库进行操作。

2.电机控制操作面板
（1）电机转速调节框
自动操作时使用，通过调节此框内数值可改变主电机的转速，调节范围是0～1500。

操作顺序是，
（2）被测参数装入按钮
根据被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。

注意每次实验前，必须执行此操作，否则，程序将报错或无法记录数据。

（3）测试参数自动采样按钮
试验台开始运行后，按下此按钮后，计算机将自动进行采样并记录下采样点的各参数，用户对数据的采样无须干预。

自动操作时，还同时起开启主电机的作用。

（4)停止采样按钮
按下此按钮，计算机停止对试验数据进行采样，在自动操作时，还同时起停止主电机的作用。

（5)手动采样按钮
在整个试验期间，用户必须在认为需要采集数据的时刻按下此按钮，计算机会将该时刻采集的试验数据填入下面表格中显示并等待用户进行下一个采样点的采样。

（6）主电机电源开关
此键不可用。

（7)电机负载调节框
在此框内输入加载值后，按下调载按钮，进行不同电机不同负载的调节。

3.下拉菜单
（1）设置菜单
设置菜单对本实验台有效的菜单项包括“基本试验常数”，“选择测试参数”，“设定转矩转速传感器参数”。

a)设置基本试验常数。

弹出对话框如下图所示：报警参数限制各参数的上下限数值，根据实际情况而定；采样周期的具体大小由采样总时间而定,譬如采样2分钟一般设置为1000ms已经足够,采样周期主要影响采样曲线以时间为X轴时点的隔距离。

b)设置试验时应显示的测试参数
设置实验中需要在操作面板上显示的测试参数。

勾选本实验用到的“n1——输入转速”“M1——输入转矩”“n2——输入转速”“M2——输入转矩”及“n——效率”及
“i——速比n1:n2”即可，如下图所示。

c) 设置扭矩传感器参数
选择“设定扭矩传感器参数”，弹出对话框如下图所示：
其中，系数、扭矩量程及齿数直接从传感器上得到，本实验中该数据不变；
每次实验台重新安装时需要扭矩调零。

扭矩调零时，启动小电机，按下钥匙按钮便可自动调零。

注意此时小电机转向必须和主电机转向相反。

保证小电机转向和主电机转向相反的步骤：点击“试验”菜单（如下图所示），启动小电机（方向任意），接着点击“开始采样”按钮，待数据稳定后记下显示窗口的n1和
n2的读数。

然后在电机控制操作面板上增加主电机的转速，同时观察显示窗口的n1和n2的读数变化，若增加，则说明小电机转向与主电机转向相反，否则，改变小电机的转向，直至与主电机转向相反。

当主轴转速小于100r/min时，需要启动小电机，所以需要设置小电机转速。

在保证小电机转向与主电机转向相反的情况下，主电机静止，启动传感器上小电机，按下小电机旁的齿轮按钮，计算机自动检测小电机转速并填入框内（当主轴转速大于100r/min时，小电机转速设置为0）。

（2）试验菜单
这里的命令除小电机转向命令外，其余和电机控制操作面板上的按钮等效。

注意，此处主电机电源按钮不起作用。

（3）分析菜单
如下图所示，包括设置曲线选项、绘制曲线、打印试验表格和设置打印机等，用户可根据实验需要，选择要绘制的曲线并打印结果。

图8 分析菜单
六、实验注意事项
1、传感器是精密仪器，严禁手握轴头搬运，严禁在地上拖拉。

2、三相变频调速电机和输入端转矩转速传感器、磁粉制动器和输出端转矩转速传
感器为一整体，严禁将其从支撑座上拆卸下来，即它们必须作为一个整体安装。

3、安装联轴器时严禁用铁质榔头敲打，两个半联轴器间应留有1~2mm的间隔。

安
装时，被测机械、传感器、负载三者要有较好的同轴度。

4、搭建传动系统时，严禁接通电源。

当搭建好系统后，需用手转动主轴，当主轴
运转自如后方能进行下步实验操作。

5、本实验台采用的是风冷式磁粉制动器，其表面温度不得超过80°C,实验结束
后应及时卸除载荷。

6、在施加载荷时，“手动”应平稳旋转电流微调旋钮，“自动”应平稳加载，并注
意输入传感器的最大转矩不能超过其额定值的120%。

7、先启动主电机后加载荷，严禁先加载荷后开机。

8、在试验过程中，如遇电机转速突然下降或者出现不正常的噪声和振动时，必须
卸载或者紧急停车，以防电机温度过高、烧坏电机、电器及其他意外事故。

9、变频器出厂前设定完成，不得随意修改。

10、严禁在没有输入实验编号的前提下采集数据。

11、在记录采集数据过程中，不要进行任何窗口拖动动作。

附录1：机械传动方案设计和性能测试综合实验任务卡
任务卡1：（一级传动）
设计参数：工作机功率
W N w 300=，工作机转速130w n rpm =
工作条件：载荷有冲击，要求传动比准确
任务卡2：（一级传动）
设计参数：工作机功率450w P W =，工作机转速250w n rpm = 工作条件：载荷有冲击，要求传动比准确
任务卡3：（一级传动）
设计参数：工作机功率350w P W =，工作机转速100w n rpm = 工作条件：载荷平稳，要求传动比准确
任务卡4：（二级传动）
设计参数：工作机功率400w P W =，工作机转速150w n rpm = 工作条件：载荷平稳，工作环境有粉尘，要求传动比较准确
任务卡5：（二级传动）
设计参数：工作机功率350w P KW =，工作机转速200w n rpm = 工作条件：载荷有冲击
附录2：机械传动方案设计和性能测试综合实验方案书
1．实验目的
2．实验原理
3．确定方案及其理由
4．实验步骤（粗略）
5．注意事项（粗略）
附录3：机械传动方案设计和性能测试综合实验报告
1．实验数据及曲线
列出实验数据表和绘制传动系统特性曲线
2．实验分析和结论
3．实验总结
总结经验教训，提出合理化建议。

5.思考题：
多级传动中机械系统方案的选择中应考虑哪些问题？一般情况下宜采用何种方案？
附录4：实验系统各模块展示1、工作台和控制柜
实验平台总图
实验台平面图
2、工控机
3、三相变频调速电机和输入端转矩转速传感器
转矩转速传感器结构图
ZJ5转矩转速传感器中心高H=80，轴径D=14mm，最大测量转矩=5N.m 底座高度 90mm
4、磁粉制动器和输出端转矩转速传感器
FZ-5发兰式磁粉制动器最大直径220mm 轴径φ25 转矩50N.m ZJ50转矩转速传感器中心高H=70，轴径D=25mm，最大测量转矩=50N.m 底座高度 100mm
5、机械传动装置
（1）直齿圆柱齿轮减速器中心距90mm 中心高 120mm
（2）WPA50-1/10蜗轮减速器中心高 100mm 底座高度 120mm
（3）V带轮直径为：70 、76、88、115、145 O型V带内周带长：630、900
（4）链轮齿数为： 17、25
滚子链 08A-1⨯71、08A-1⨯53
（5）同步带轮齿数：18、25
（6）L型同步带 3⨯16⨯80
（7）半联轴器Φ12⨯Φ68⨯30、Φ14⨯Φ68⨯28、Φ17⨯Φ88⨯40、Φ18⨯Φ68⨯40、Φ18⨯Φ88⨯40、Φ18⨯Φ88⨯45、Φ19⨯Φ68⨯40、Φ25⨯Φ88⨯45、Φ25⨯Φ88⨯57
（8）支承 4套中心高 120mm
（9）支承底座 3块高度 50mm
6、联接件
T型螺栓M10⨯40，25个六角螺栓M10⨯30，15个
平垫圈GB95-85-10，40个柱销L=26,29，各20根
7、辅助工具
开口扳手；活动扳手；一字起和十字起；内六角扳手；拉马；机油壶
附录5：转矩转速传感器介绍
１.概述
ZJ型转矩转速传感器(简称传感器)是根据磁电转换和相位差原理，将转矩，转速机械量转换成两路有一定相位电压讯号的一种精密仪器，它一般与转矩转速(简称测量仪)配套使用，能直接测量各种动力机械的转矩与转速(即机械功率)，具有测量精度高，操作简便，显示直观，测量范围广等优点，可以测量轴静止状态至额定转速范围的转矩，广泛应用于：
A．各种发动机的台架试验；
B．各种电机的转矩、转速及功率测试；
C．各种不同类型水泵、液压泵的转矩、转速及功率测试；
D．各种类型的风机的转矩、转速及功率测试；
E．各种减速器、变速器的转矩、转速及功率测试；
F．各种家用电器设备旋转轴的转矩、转速及功率测试。

G．各种旋转机械的转矩、转速及功率测试。

2．结构原理
图一为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等组成。

内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上，当内外齿轮发生相对转动时，由于磁通不断变化、在线圈中便感应出近似正弦波的感应电势μ1、μ2，两感应电势的初始相位差是恒定的，考虑到正反加载，α0设计在大约1800位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形。

在弹性范围内外加扭矩与机械扭转角成正比，这时μ1、μ2讯号的相位差要发生变化，α=α0±Δα。

当传感器的扭矩增加到额定值时，变化的相位Δα大约为900。

因此，测量出α就等于间接测量出轴上的外加转矩，这样，传感器就实现了把机械量(扭角变化)转化成电子量(相位差变化)的过程。

图二为讯号的时序波形图。

此时，扭力轴的机械扭转角Δβ为3600/Z的1/4（Z为齿轮齿数）。

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