齿轮传动效率测定与分析

实验2 齿轮传动效率测定与分析

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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2.1 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

若齿轮2、5的轴不作封闭联接，则电机的功率为

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

该功率不需全部由电机提供，此时电机提供的功率仅为

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2.1 加载系统 图2.2 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

电机力矩

当设==--5632ηη平均效率η时，由上式可得

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

所以 )1(241η-=M M

则平均效率为

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

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2.3 螺旋槽加载机构

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。

2.4 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）。

5. 逐步加载到砝码重250N ，每次加载后运转5~10min 使趋于稳定状态，记录砝码重及测力

计读数，同时注意此两数之间是否大致保持相应关系。如有明显不正常，则应查明原因采取措施后重做一遍。数据正常则停机。

6. 将数据输入计算机，打印出加载力矩B M 、功耗力矩f M 及传动效率η诸值，并作出B f M M -曲线和B M -η曲线图。

2.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1)为什么B f M M -基本为直线关系，而B M -η则为曲线关系？

(2)油温对传动效率将有何影响？

(3)加载力矩的测量值介入了哪些误差？

2. 实验报告基本内容

(1) 填写完成下表内容

实验2：齿轮传动效率测定与分析实验报告