机械传动多功能试验台

摘要
实验设备对于加深学生对理论知识的理解，锻炼学生的实践、创新能力具有十分重要的意义，在教学体系中占有举足轻重的地位。

目前，我国大部分高校的实验设备存在陈旧、落后的问题，而实验设备开发与实验教学应用严重脱节，导致实验设备无法满足教学发展的要求。

因此，迫切地需要通过新型实验设备的自主设计研制，来改进实验设备现状、提高实验教学水平。

关键词：机械传动，运动学，动力学，实验台，仿真，测试
ABSTRACT
The experimental facilities have the very important function for the understanding of the academic knowledge, exercises student's practice, ability of creation. At present, problems of obsolete and backward facilities exist in majority of the universities.Because of the disjoint between the development of the experimental facilities and the experimental teaching application, the experimental facilities can not suit for the development of teaching. Therefore, it is urgent to develop the new experimental facilities, to improve the test installation present situation, the enhancement experiment teaching level.
Keyword: Mechanical Transmission , Kinematics, Dynamics, Laboratory Bench, Simulation, Test
第一章引言
1.1本课题提出的意义
培养学生根据机械传动实验任务，进行自主实验的能力。

实验在“机械传动性能综合测试实验台”上进行，实验室提供机械传动装置和测试设备资料，学生根据实验任务自主设计实验方案，写出实验方案书，搭接传动系统进行测试，分析传动系统设计方案，写出实验报告。

掌握机械传动合理布置的基本要求，机械传动方案设计的一般方法，并利用机械传动综合实验台对机械传动系统组成方案的性能进行测试，分析组成方案的特点；
通过实验掌握机械传动性能综合测试的工作原理和方法，掌握计算机辅助实验的新方法。

测试常用机械传动装置（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。

1.2多功能实验台的发展现状
第二章试验台简介
2.1 多功能实验台的组成
机械传动多功能实验台由机械传动装置、联轴器、变频电机、加载装置、和工控机几个模块组成，另外还有实验软件支持。

系统性能参数的测量通过测试软件控制，安装在工控机主板上的两块转矩转速测试卡和转矩转速传感器联接。

学生可以根据自己的实验方案进行传动连接、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。

图2-1 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
本次设计要完成三种方案的转配图及各需要加工零件的零件图。

方案一：V带传动-斜齿圆柱齿轮减速器
方案二：链传动-斜齿圆柱齿轮减速器
方案三：V带传动-斜齿轮减速器- 蜗杆减速器
2.2 实验台的功能
在“机械传动多功能实验台”上能开展典型机械传动装置性能测试、组
合传动系统布置优化和新型机械传动性能测试三类实验。

在本科生主要进行第二类实验，即组合传动系统布置优化设计。

学生根据实验任务自主设计实验方案和写出实验方案书，搭接传动系统进行测试，分析传动系统设计方案，写出实验报告。

实验方案书内容包括已知条件、实验目的、机械传动系统运动参数和组成方案设计、机械传动系统性能测试原理、实验步骤和注意事项。

在实验中观察测试系统运行情况，采集传动性能数据，测绘实验系统。

实验报告内容包括测试系统平面布置图、实验曲线和分析结果等。

2.3 实验台的结构
1、工作台和控制柜
图2-2 实验平台总图
图2-3 实验台平面图2、工控机
图2-4 工控机
3、三相变频调速电机和输入端转矩转速传感器
图2-5 三相变频调速电机和输入端转矩转速传感器
图2-6 转矩转速传感器结构图
4、磁粉制动器和输出端转矩转速传感器
图2-7 磁粉制动器和输出端转矩转速传感器5、机械传动装置
图2-8 斜齿圆柱齿轮减速器
图2-9 蜗轮减速器图2-10 V带轮
图2-11 链轮图2-12 联轴器
图2-13 支承
图2-14 支承底座
7、联接件
T型螺栓
图2-15 T型螺栓
除此外还有：六角螺栓、平垫圈GB95-85-10、柱销
8、辅助工具
辅助工具有：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
第三章机械传动多功能实验台的设计
3.1 电动机的选择
综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比。

由《机械设计手册》选定型号为YZ112-M-6的三相异步电动机，额定功率为1.5KW，额定电压380V,额定电流4.2A，满载转速
n920
m
r/min。

其结构如图3-1所示
图3-1 三相异步电动机
3.2齿轮传动的设计
齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动，型式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。

本设计所设计的是最常用的渐开线齿轮传动。

3.2.1齿轮传动的主要特点有：
1)效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。

如一级圆柱齿轮传动的效率可达99％。

这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1％，也有很大的经济意义。

2)结构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。

3)工作可靠、寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命
可长达一、二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。

这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重
要。

4)传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。

齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点。

但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较员，且不宜用于传动距离过大的场合。

齿轮传动可做成开式、半开式及闭式。

如在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。

这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。

当齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。

它的工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。

而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密
的箱体(机匣)内，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。

它与开式或半开式的相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场合。

3.2.2 齿轮传动的失效形式
齿轮传动就装置型式来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说，有低速、高速及轻载、重载之别；就齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆(如经整体淬火、齿面硬度很高的钢齿轮或铸铁齿轮)或较韧(如经调质、常化的优质碳钢及合金钢齿轮)，齿面有较硬(轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并称为硬齿面齿轮)或较软(轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并称为软齿面齿轮)的差别等。

由于上述条件的不同，齿轮传动也就出现了不同的失效形式。

3.2.3齿轮设计准则
由于齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。

因此，针对上述各种工作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则。

但是对于齿面磨损、塑性变形等，由于尚未建立起广为工程实际使用而且行之有效的计算方法及设计数据，所以目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲。

对于高速大功率的齿轮传动(如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等)，还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算。

至于抵抗其它失效的能力，目前虽然一般不进行计算，但应采
取相应的措施，以增强轮齿抵抗这些失效的能力。

由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。

但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮(如用20、20cr钢经渗碳后淬火的齿轮)或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为卞。

如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度一样高时，则视具体情况而定。

功率较大的传动，例如输入功率超过75kw的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制温升，还应作散热能力计算。

开式(半开式)齿轮传动，按理应根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但如前所述，对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，故对开式(半开式)齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

为了延长开式(半开式)齿轮传动的寿命，可视具体需要而将所求得的模数适当增大。

对于齿轮的轮困、轮辐、轮较等部位的尺寸，通常仅作结构设计，不进行强度计算。

3.2.4齿轮传动设计
工作条件：已知输入功率Pt＝1.5kw，小齿轮转速M1；920r／min 齿数比i＝2，由电动机驱动，工作寿命15年(设每年工作300天)，两班制，工作干稳，转向不变。

1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿效
1) 由工作台的传动方案与设计要求选用斜齿圆柱齿轮传动。

2) 考虑此减速器的功率较大，故大、小齿轮都选用硬齿面。

由表l0-1选得大、小齿轮的材料均为40cr ，并经调质及表面淬火．齿面硬度为48—55HRC 。

3) 选取精度等级。

因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选7级精度。

4)选小齿轮齿数:1Z ＝30，大齿轮齿数：21i 30260Z Z =⨯=⨯=.
5) 选取螺旋角。

初选螺旋角14β=︒
2.按齿面接触强度设计 （1）确定公式内各个计算数值
21
3
1)]
[(1
2H E H d t t Z Z u u T K d σεφα
⨯±⨯
≥
1)试选 1.6t K =。

2)由图10-30选取区域系数H Z ＝2.433。

3)由图10-26查得:
120.78,0.87ααεε==
则：
120.870.78 1.65αααεεε=+=+=
4)许用接触应力：
12[][]540522.5
[]531.2522
H H H MPa σσσ++===
（2）计算
(1)试算小齿轮分度圆直径1t d ，由计算公式得
2
13
1t 2 1.621 2.433189.8d ()
1 1.652531.25
T ⨯⨯+⨯≥
⨯⨯⨯
其中：551
95.51040T 2.65101440
⨯⨯==⨯
则：1t d 65.4≥
(2)计算圆周速度
则：V=3.13m/s
(3)计算齿宽b 及摸数Mnt
则：b=65.4mm
Mnt=2.11mm 即有：
H=4.76mm (4)计算纵向重合度
即：
总结
本论文以机械传动多功能实验台为主要研究目的。

设计出多种方案机构系统，对各种方案进行了深入的运动、动力综合研究，并以此为基础，绘制出了其中三种典型方案的CAD图纸。

根据测试理论，构建出多参数测试系统。

将机械设计、CAD及参数测试紧密结合，对同类综合实验设备的实验具有借鉴价值。

在研究了实验设备现状的基础上，设计研制出具有多方案组合、开放型的机械系统。

突破了传统实验设备单一性、封闭性的设计模式，创造性地提出了组合式、暴露式的创新设计思想。

本实验台能够完成了三级传动装置的实验，以及测试主要性能（转速、转矩、传动比、效率等）；
完成了整体布局和方案图，重点完成了三种方案，带-链-齿轮三种零件的两组布置，以及带-齿轮-蜗杆布置；
完成了三种方案的装配图及各需要加工零件的零件图，并列了出外购件的型号及主要参数。

参考文献
[1]邹慧君.机构系统设计[M].上海:上海利学技术出版社.1996.
[2]吴宗泽.高等机械设计[M]北京:清华人学出版社.2008.
[3]赵明.直流调速系统[M].北京:机械工业出版社.2001.
[4]工耀德.交直流电力拖动控制系统[M].北京:机械工业出版社.1992.
[5]易立成.机械传动封闭试验台[M].成都:四川省机械工程学会传动专业委员
会.2003.
[6]刘金石.机械传动试验的电封闭加载[J].陕西机械学院学报.1999.
[7]李路鸣.封闭功率流式齿轮试验台的载荷特性[J].机械设计.2002.
致谢
本文的研究工作是在指导老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文中无不倾注着指导老师辛勤的汗水和心血。

指导老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。

从尊敬的指导老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。

在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

大学学习期间，特别在论文进行期间，还得到了其他老师的帮助，在此一并表示衷心的感谢。

在论文进展过程中，许多问题和困惑的解决得益于实验室同学们的交流与讨论，在此感谢同学们的帮助。

最后，感谢我的父母，感谢他们对我生活和学习上的照顾和支持！。