齿轮传动效率测定与分析

实验3 齿轮传动效率测定与分析

3.1 实验目的

1. 了解机械传动效率的测定原理，掌握用扭矩仪测定传动效率的方法；

2. 测定齿轮传动的传递功率和传动效率；

3. 了解封闭加载原理。

3.2 实验设备和工具

1. 齿轮传动效率试验台；

2. 测力计；

3. 数据处理与分析软件；

4. 计算机、打印机。

3.3 实验原理和方法

1. 齿轮传动的效率及其测定方法

齿轮传动的功率损失主要在于：(1)啮合面的摩擦损失；(2)轮齿搅动润滑油时的油阻损失；(3)轮轴支承在轴承中和轴承内的摩擦损失。齿轮传动的效率即指一对齿轮的从动轮（轴）输出功率与主动轮（轴）输入功率之比。对于采用滚动轴承支承的齿轮传动，满负荷时计入上述损失后，平均效率如表3.1所示。

表3.1 齿轮传动的平均效率

测定效率的方式主要有两种：开放功率流式与封闭功率流式。前者借助一个加载装置（机械制动器、电磁测功器或磁粉制动器）来消耗齿轮传动所传递的能量。其优点是与实际工作情况一致，简单易行，实验装置安装方便；缺点是动力消耗大，对于需作较长时间试验的场合（如疲劳试验），消耗能力尤其严重。而后者采用输出功率反馈给输入的方式，电源只供给齿轮传动中摩擦阻力所消耗的功率，可以大大减小功耗，因此这种实验方案采用较多。 2. 封闭式试验台加载原理 图3.1表示一个加载系统，电机功率通过联轴器1传到齿轮2，带动齿轮3及同一轴上的齿轮6，齿轮6再带动齿轮5。齿轮5的轴与齿轮2的轴之间以一只特殊联轴器和加载器相联接。

设齿轮齿数6532,z z z z ==，齿轮5的转速为5n (r/min)、扭矩为)m N (5⋅M ，则齿轮5处的功率为

)kW ( 9550

5

55n M N =

若齿轮2、5的轴不作封闭联接，则电机的功率为

)kW ( 9550/5

551η

η⨯=

=n M N N

式中η为传动系统的效率。

而当封闭加载时，在5M 不变的情况下，齿轮2、3、6、5形成的封闭系统的内力产生封闭力矩

4M )m N (⋅，其封闭功率为

)kW ( 9550

4

44n M N =

该功率不需全部由电机提供，此时电机提供的功率仅为

)kW ( /441

N N N -='η 由此可见，11

N N <<'，若%95≈η，则封闭式加载的功率消耗仅为开放式加载功率的1/20。

图3.1 加载系统 图3.2 试验台结构

3. 效率计算

要计算效率，应先决定被试齿轮2处于主动还是被动。在齿轮传动中，主动轮的转向与轮齿啮合作用力形成的扭矩方向相反，而从动轮的转向则与轮齿啮合作用力形成的扭矩方向相同。如图3.1所示，由电机联轴器1决定的方向与齿轮2所受扭矩方向相反，所以持论2为主动轮。设齿轮2、3间的传动效率为32-η，齿轮6、5间的传动效率为56-η（均含支承轴承效率及搅油损失，以便于计算），则电机供给功率可计算如下

)kW ( 45

6324

1N N N -=

'--ηη 电机力矩

45

6324

1M M M -=

--ηη

当设==--5632ηη平均效率η时，由上式可得

1

44

M M M +=

η

若电机转向与图3.1中所示的由联轴器力矩1表示的方向相反（本实验所采用的试验台便是这种情况），砝码形成的负荷将保持捏合面不变。从齿轮2的转向来判断，转向与所承受轮齿啮合力的扭矩方向相同，所以齿轮2即为被动轮，而齿轮3和5就成为主动轮，功率流的方向变为5→6→3→2。此时功率流功率4N 大于传出的功率，则电机供给的摩擦功率为

)1()1(24652346523441ηηηηη-=-=-=----N N N N N

所以 )1(2

41η-=M M

则平均效率为

4

1

4M M M -=

η

4. 试验台结构

试验台结构如图3.2所示。其中电机1悬挂式安装，2是重锤式测力计，3是两套相同传动比的齿轮减速器，通过联轴器和加载器4组成封闭加载回路，5是机架，6是电器控制箱。 若测力计的读数为f (mN)，测力矩臂长为l =195mm ，则功耗力矩为

)m N ( 10195.01000195.01000

3

2

⋅⨯===

-f f lf M f 减速器采用了螺旋槽加载机构，如图3.3所示。其螺旋角︒=14.11β。当砝码1的重量G (N)经

动滑轮2施加于滑架3时，滑架即在滑轨4上移动。由于螺旋槽的作用，此时销轴5不动，而槽体产生旋转，带动轴6旋转而产生加载力。加载受力情况如图3.3的上图所示。Q 为螺旋槽压在销轴上的载荷，其分力Q '与加载砝码重量相平衡，即G Q 2='；分力Q ''则为圆周力，它乘以作用半径r 即为作用在封闭系统内的封闭力矩B M 。

图3.3 螺旋槽加载机构

)m N ( 1000

14.112 /⋅⨯︒='=''tg r

G

M tg Q Q B β

当mm 5.21=r 时，)m N (22.0⋅=G M B 。 测力计的结构和作用原理见实验12。

3.4 实验步骤和要求

1. 脱开测力计挂钩并调零。判断电机转向应为测力杆向下回转。

2. 卸去所有砝码，使加载器销轴处于轴向移动起点附近约2~3mm 处。

3. 手扶测力杆，启动电机，空转一分钟。

4. 将测力杆挂上测力计挂钩，读出空载下功耗力矩的力。（该力矩是与载荷无关的因素所引起的损失，如轴承的空载阻力，密封件阻力，箱体内的搅油损失等）。