(高等教育)齒輪傳動效率及齒輪疲勞實驗

齒輪傳動效率及齒輪疲勞實驗（附加機械功率、效率測試實驗）一實驗?zāi)康? 了解封閉（閉式）齒輪實驗機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。2 了解齒輪疲勞實驗的過程，及通過實驗測定齒輪疲勞曲線的方法。3 在封閉齒輪實驗機上測定齒輪的傳動效率。4 介紹機械功率、效率測定開式實驗臺，了解一般機械功率、效率的測試方法。二實驗設(shè)備及工作原理1 封閉（閉式）傳動系統(tǒng) 封閉齒輪實驗機具有2個完全相同的齒輪箱（懸掛齒輪箱7和定軸齒輪箱4）， 每個齒輪箱內(nèi)都有2個相同的齒輪相互嚙合傳動(齒輪9與9，齒輪5與5)，兩個實驗齒輪箱之間由兩根軸（一根是用于儲能的彈性扭力軸6，另一根為萬向節(jié)軸10）相聯(lián)，組成一個封閉的齒輪傳動系統(tǒng)。當(dāng)由電動機1驅(qū)動該傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來后，電動機傳遞給系統(tǒng)的功率被封閉在齒輪傳動系統(tǒng)內(nèi)，既兩對齒輪相互自相傳動，此時若在動態(tài)下脫開電動機，如果不存在各種摩擦力（這是不可能的），且不考慮攪油及其它能量損失，該齒輪傳動系統(tǒng)將成為永動系統(tǒng)；由于存在摩擦力及其它能量損耗，在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來后，為使系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)下去，由電動機繼續(xù)提供系統(tǒng)能耗損失的能量，此時電動機輸出的功率僅為系統(tǒng)傳動功率的20%左右。對于實驗時間較長的情況，封閉式實驗機是有利于節(jié)能的。1.懸掛電動機 2.轉(zhuǎn)矩傳感器 3.轉(zhuǎn)速傳感器 4.定軸齒輪箱 5.定軸齒輪副 6.彈性扭力軸 7.懸掛齒輪箱 8.加載砝碼 9.懸掛齒輪副 10.萬向節(jié)軸 11.轉(zhuǎn)速脈沖發(fā)生器2 電動機的輸出功率 電動機1為直流調(diào)速電機，電動機轉(zhuǎn)子與定軸齒輪箱輸入軸相聯(lián)，電動機采用外殼懸掛支承結(jié)構(gòu)（既電機外殼可繞支承軸線轉(zhuǎn)動）；電動機的輸出轉(zhuǎn)矩等于電動機轉(zhuǎn)子與定子之間相互作用的電磁力矩，與電動機外殼（定子）相聯(lián)的轉(zhuǎn)矩傳感器2提供的外力矩與作用于定子的電磁力矩相平衡，故轉(zhuǎn)矩傳感器測得的力矩即為電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T0；電動機轉(zhuǎn)速為n，電動機輸出功率為 nT0 / 9550（）。3 封閉系統(tǒng)的加載 當(dāng)實驗臺空載時，懸掛齒輪箱的杠桿通常處于水平位置，當(dāng)加上載荷W后，對懸掛齒輪箱作用一外加力矩WL，使懸掛齒輪箱產(chǎn)生一定角度的翻轉(zhuǎn)，使兩個齒輪箱內(nèi)的兩對齒輪的嚙合齒面靠緊，這時在彈性扭力軸內(nèi)存在一扭矩T9（方向與外加負載力矩WL相反），在萬向節(jié)軸內(nèi)同樣存在一扭矩T9（方向同樣與外加力矩WL相反）；若斷開扭力軸和萬向節(jié)軸，取懸掛齒輪箱為隔離體，可以看出兩根軸內(nèi)的扭矩之和（T9+T9）與外加負載力矩WL平衡（即T9+T9=WL）；又因兩軸內(nèi)的兩個扭矩（T9和T9）為同一個封閉環(huán)形傳動鏈內(nèi)的扭矩，故這兩個扭矩相等（T9=T9），即2T9=WL， T9=WL/2（Nm）；由此可以算出該封閉系統(tǒng)內(nèi)傳遞的功率為： P9=T9 n / 9550=WLn /19100 (KW) 其中：n-電動機及封閉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速（rpm）； W-所加砝碼的重力（N）； L-加載杠桿（力臂）的長度，L= 0.3 m。4 單對齒輪傳動效率 設(shè)封閉齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動效率為； 封閉齒輪傳動系統(tǒng)內(nèi)傳遞的有用功率為P9； 封閉齒輪傳動系統(tǒng)內(nèi)的功率損耗（無用功率）等于電動機輸出功率P0，即： P0=（P9 /）-P9 =P9 /（P0+P9）=T9 /（T0+T9 ） 若忽略軸承的效率，系統(tǒng)總效率包含兩級齒輪的傳動效率，故單級齒輪的 傳動效率為：5 封閉功率流方向封閉系統(tǒng)內(nèi)功率流的方向取決于由外加力矩決定的齒輪嚙合齒面間作用力的方向和由電動機轉(zhuǎn)向決定的各齒輪的轉(zhuǎn)向；當(dāng)一個齒輪所受到的齒面作用力與其轉(zhuǎn)向相反時，該齒輪為主動齒輪，而當(dāng)齒輪所受到的齒面作用力與其轉(zhuǎn)向相同時，則該齒輪為從動齒輪；功率流的方向從主動齒輪流向從動齒輪，并封閉成環(huán)。6齒輪疲勞試驗及疲勞曲線的求法 將兩對試驗齒輪分別安裝在懸掛齒輪箱和定軸齒輪箱內(nèi)，由加載砝碼通過加載杠桿施加一定的外載荷，在該載荷下由電動機驅(qū)動運轉(zhuǎn)，直至齒輪輪齒發(fā)生疲勞破壞，記錄該載荷（應(yīng)力）下所對應(yīng)的運轉(zhuǎn)循環(huán)次數(shù)；在不同的外載荷下，試驗得到一系列相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，由這些試驗數(shù)據(jù)即可繪制出該齒輪的疲勞曲線?？梢钥闯觯ㄟ^試驗測定齒輪的疲勞曲線，需要比較長的試驗時間，學(xué)生實驗只體會實驗過程。7機械功率、效率測定開式實驗臺簡介 開式機械功率、效率實驗臺的組成如圖所示。原動機（電動機）為被測機械提供動力，制動器作為被測機械的負載。由原動機輸出的動力經(jīng)被測機械傳遞到制動器，所傳遞的能量在制動器“消耗掉”（轉(zhuǎn)化成其它形式的能，如熱能），形成開式傳動系統(tǒng)。開式傳動實驗臺的組成簡便靈活，但能耗較大，適用于被測設(shè)備類型多變，實驗周期較短的情況。 被測機械轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 傳感器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 傳感器制動器原動機為了測量被測機械所傳遞的功率及傳動效率，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器串接在被測機械的輸入軸和輸出軸上，分別測出兩軸上所傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速，即可算出被測機械的輸入功率和輸出功率，輸出功率與輸入功率之比即為傳動效率。由指導(dǎo)教師在開式實驗臺上演示機械傳動效率的測試過程。三實驗方法及注意事項1 打開電源前，應(yīng)先將電動機調(diào)速旋鈕逆時針輕旋到頭，避免開機時電動機突然啟動。2 打開電源，按一下“清零鍵”進行清零；此時，轉(zhuǎn)速顯示“0”，電動機轉(zhuǎn)矩顯示“ ”，說明系統(tǒng)處于“自動校零”狀態(tài)；校零結(jié)束后，轉(zhuǎn)矩顯示為“0”。3 在保證卸掉所有加載砝碼后，調(diào)整電動機調(diào)速旋鈕，使電動機轉(zhuǎn)速為600 r/min。4 在砝碼吊籃上加上第一個砝碼（10N），并微調(diào)轉(zhuǎn)速使其始終保持在預(yù)定轉(zhuǎn)速（600r/min）左右，在待顯示穩(wěn)定后（一般調(diào)速或加載后，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩顯示值跳動2-3次即可達到穩(wěn)定值），按一下“保持鍵”，使當(dāng)時的顯示值保持不變，記錄該組數(shù)值；然后按一下“加載鍵”，第一個加載指示燈亮，并脫離“保持”狀態(tài)，表示第一點加載結(jié)束。5 在砝碼吊籃上加上第二個砝碼，重復(fù)上述操作，直至加上8個砝碼，8個加載指示燈全亮，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩顯示器分別顯示“8888”，表示實驗結(jié)束。6 記錄下各組數(shù)據(jù)后，應(yīng)先將電機轉(zhuǎn)速慢慢調(diào)速至零，然后再關(guān)閉實驗臺電源。7 由記錄數(shù)據(jù)，作出齒輪封閉傳動系統(tǒng)的傳動效率（-T9）曲線。四思考題1 封閉式傳