实验三 带传动及齿轮传动效率实验
一、实验目的
1、观察带传动弹性滑动与打滑现象；
2、了解带的初拉力、带速等参数的改变对带传动能力的影响；
3、掌握摆动式电机的转矩、扭矩、转速差及带传动效率的基本测量方法。 4、了解封闭功率流式齿轮试验台的基本原理、特点及测定齿轮传动效率的方法。
5、通过改变载荷，测出不同载荷下的传动效率和功率。
二、实验内容
1、测定不同初拉力下实验带的弹性滑动曲线（ε-F曲线）和效率曲线（η-F曲线）。
2、测定齿轮传动效率，输出 T1-T9 关系曲线及η-T9 曲线。
其中： T1 为轮系输入扭矩（即电机输出扭矩）；T9为封闭扭矩（即载荷扭矩）；η为齿轮传动效率。
三、实验仪器
DCSⅡ型带传动测试系统
CLS－II型 齿轮传动效率测试系统
四、实验原理
1、带传动测试系统原理 （1） 调速和加载
主动电机的直流电源由可控硅整流装置供给，转动电位器可改变可控硅控制 角，提供给主动电机电枢不同的端电压，以实现无级调节电机转速。本实验台中 设计了粗调和细调两个电位器。可精确的调节主动电机的转速值。 加载是通过改变发电机激磁电压实现的。逐个按动实验台操作面上的“加载” 按扭（即逐个并上发电机负载电阻），使发电机激磁电压加大，电枢电流增大， 随之电磁转矩增大。由于电动机与发电机产生相反的电磁转矩，发电机的电磁转 矩对电动机而言，即为负载转矩。所以改变发电机的激磁电压，也就实现了负载 的改变。
本实验台由两台直流电机组成，左边一台是直流电动机，产生主动转矩，通 过皮带，带动右边的直流发电机。直流发电机的输出电压通过面板的“加载”按 键控制电子开关，逐级接通并联的负载电阻（采用电烙铁的内芯电阻），使发电 机的输出功率逐级增加，也即改变了皮带传送的功率大小，使主动直流电动机的 负载功率逐级增加。
图1 直流发电机加载示意图
（2）转速测量
两台电机的转速，分别由安装在实验台两电机带轮背后环形槽中的红外交电 传感器上测出。带轮上开有光栅槽，由光电传感器将其角位移信号转换为电脉冲 输入单片计算机中计数，计算得到两电机的动态转速值，并由实验台上的LED显示器显示上来也可通过微机接口送往PC机进一步处理。（参见图2）
图2 PC机显示转速示意图
（3）转矩测量
如前所示（参见图1）实验台上的两台电机均设计为悬挂支承，当传递载荷时， 传动力矩分别通过固定在电机定子外壳上的杠杆受到转子力矩的反方向力矩测得。该转矩通过杠杆及拉钩作用于拉力传感器上而产生支反力，使定子处于平衡状态。所以得到以下结论。
主动轮上的转矩为
T1=L1·F1（Nm） 从动轮上的转矩为
T2=L2·F2（Nm）
F1、F2分别为拉力传感器上所受的力，由传感器转换为正比于所受力的电压信号，再经过A/D转换将模拟量变换为数字量，并送往单片微机中，经过计算得到T1、T2，分别由实验台LED显示器显示测量值。
（4）带传动的圆周力、弹性滑动系数和效率
带传动的圆周力公式：
2T1 2T1×9.8
（kg） D1 D1 (3-3-1) 带传动的弹性滑动系数： n1-n2
ε×100%
n1 (3-3-2) 带传动的效率：
P1 T2×n2
η×100%
P2 T1×n1 (3-3-3) 式中，P1，P2分别为主、从动轮功率（KW）； n1, n2分别为主、从动轮转速（r/min）。
随着负载的改变（F的改变），T1，T2，Δn=n1-n2的值也改变，这样可获得一组ε和η的值，然后可绘出滑动曲线和效率曲线。
2、齿轮传动效率测试系统 （1）实验系统组成
图3 试验系统框图
如图 3 所示，实验系统由如下设备组成：
（a）CLS-Ⅱ型齿轮传动实验台 （b）CLS-Ⅱ型齿轮传动实验仪 （c）计算机
（2）实验机构主要技术参数
（a）试验齿轮模数 m = 2 （b）齿数 Z4 = Z3 = Z2 = Z1= 38 （c）速比 i= 1 （d）直流电机额定功率 P = 300w
（e）直流电机转速 N = 0~1100r／m（f）最大封闭扭矩 TB = 15NM （g）最大封闭功率 PB = 1.5KW （h）实验台尺寸 长×宽×高 = 900×550×300
（i）电源 220V交流/50Hz （j） 中心矩 A＝76mm
（3）实验台结构
实验台的结构如图 4 所示，由定轴齿轮副、悬挂齿轮箱、扭力轴、双万向连轴器等组成 一个封闭机械系统。
图4 齿轮实验台结构简图
1、悬挂电机；2、转矩传感器；3、浮动连轴器；4、霍耳传感器；5、定轴齿轮副；6、刚性连轴器；7、悬挂齿轮箱；8、砝码；9、悬挂齿轮副；10、扭力轴；11、万向连轴器；12、永久磁钢
电机采用外壳悬挂结构，通过浮动连轴器和齿轮相连，与电机悬臂相连的转矩传感器把电机转矩信号送入实验台电测箱，在数码显示器上直接读出。电机转速由霍耳传感器 4 测出，同时送往电测箱中显示。 4、效率计算
（1） 封闭功率流方向的确定
由图2可知，试验台空载时，悬臂齿轮箱的杠杆通常处于水平位置，当加上一定载荷之后（通常加载砝码是 0.5kg 以上），悬臂齿轮箱会产生一定角度的翻转，这时扭力轴将有一力矩 T9作用于齿轮 9（其方向为顺时针），万向节轴也有一力矩 T9'作用于齿轮9'，（其方向也顺时针，如忽略摩擦，T9'=T9）。当电机顺时针方向以角速度ω转动时，T9与 ω的方向相同，T9'与ω方向相反，故这时齿轮 9为主动轮，齿轮 9'为从动轮，同理齿轮 5'为主动轮，齿轮 5 为从动轮，封闭功率流方向如图所示，其大小为：
Pa=
T9⋅N9
=P9'(KW) 9550
该功率的大小决定于加载力矩和扭力轴的转速，而不是决定于电动机。电机提供的功率仅为封闭传动中损耗功率，即： P1 = P9-P9·η总
故η总=
P9-PT-T1
=91 P9T9
单独齿轮η=
η为总效率，若η=95%，则电机供给的能量，其值约为封闭功率值的1/10， 是一种节能高效的试验方法。
（2）封闭力矩 T9 的确定
由图 2（b）可以看出，当悬挂齿轮箱杠杆加上载荷后，齿轮 9 、齿轮 9' 就会产生扭矩，其方向都是顺时针，对齿轮 9' 中心取矩，得到封闭扭矩 T9：（本实验台 T9 是所加载荷产生扭矩的一半）即：
WLT9=(N.m)
2
W——所加砝码重力（N） L——加载杠杆长度L=0.3m 平均效率为：（本实验台电机为顺时针）
η==T1——电动机输出转矩（电测箱输出转矩显示值）
五、实验步骤
1、带传动测试系统
（1）打开计算机，运行带传动实验系统。在串口选择下拉菜单中有一栏机型选择,选择相应的机型,然后点击数据采集功能,等待数据的输入。
（2）在接通电源前首先将电机调速旋钮粗调电位器逆时针转到底，使开关“断开”，细调电位器旋钮逆时针旋到底。
（3）揿电源开关接通电源，按一下“清零”键，此时主、被动电机转速显示为“0”。力矩显示为“.”，实验系统处于“自动校零” 状态。校零结束后，力矩显示为“0”再将粗调调速旋钮顺时针旋转接通“开关”并慢慢向高速方向旋转，电机由起动，逐渐增速，同时观察实验台面板上主动轮转速显示屏上的转速数，其上的数字即为当时的电机转速。当主动电机转速达到预定转速 (本实验建议预定转速为1200～1300 转/分左右)时，停止转速调节，此时从动电机转速也将稳定地显示在显示屏上。
（4）在空载时，记录主、被动轮转矩与转速。按“加载”键一次，第一个加载指示灯亮，调整主动电机转速，(此时,只需使用细调电位器进行转速调节) 使其仍保持在预定工作转速内, 待显示基本稳定(一般 LED 显示器跳动2～3次即可达到稳定值)记下主、被动轮的转矩及转速值。为便于记录数据，在实验台的面板上还设置了“保持”键，每次加载数据基本稳定后，按“保持”键可使转矩、转速稳定在当时的显示值不变。按任意键，可脱离“保持”状态。
（5）再按“加载”键一次，第二个加载指示灯亮，再调整主动转速(用细
调电位器), 仍保持预定转速，待显示稳定后再次记下主、被动轮的转矩及转速。
（6）第三次按“加载”键，第三个加载指示灯亮, 同前次操作记录下主、被动轮的转矩、转速。
（7）重复上述操作，直至7个加载指示灯亮，记录下八组数据。根据这八组数据便可作出带传动滑动曲线ε－T2 及效率曲线η－T2 。
（8）在记录下各组数据后应先将电机粗调速旋钮逆时针转至“关断”状态，然后将细调电位器逆时针转到底，再按“清零”键。显示指示灯全部熄灭，机构处于关断状态，等待下次实验或关闭电源。
（9）将鼠标点击“数据采集”功能，同时按下实验台上的“送数”键，数据即被送至计算机。
（10）一次实验结束后, 应“关断”粗调速电位器, 将细调电位器逆时针旋到底。
（11）实验结束后, 将实验台电机调速电位器开关关断，关闭实验机构的电源，用鼠标点击“退出”。退出后应及时关闭计算机。
2、齿轮传动效率测试系统 （1）打开计算机运行齿轮实验系统。在串口选择下拉菜单中有一栏机型选择,选择相应的机型,然后点击数据采集功能,等待数据的输入。
（2）系统联接打开电源，并按一下“清零键”,此时,输出转速显示为“0”，输出转矩显示数“.”, 实验系统处于“自动校零”状态。校零结束后,转矩显示为“0”。
（3）“调零”完成后,将实验台上的调速旋钮顺时针慢慢向“高速”方向旋转,电机起动并逐渐增速,同时观察电测箱面板上所显示的转速值。当电机转速达到1000转/分左右时,停止转速调节, 此时输出转矩显示值应在0.6-0.8Nm之间。调节电位器时,转速与转矩的显示值有一段滞后时间。一般调节后待显示器数值跳动两次即可达到稳定值。
（4）按下“加载”键，调零及放大倍数调整结束后，为保证加载过程中机构运转比较平稳,建议先将电机转速调低。一般实验转速调到300-800转/分为宜。待实验台处于稳定空载运转后(若有较大振动,要按一下加载砝码吊篮或适当调节一下电机转速),在砝码吊篮上加上第一个砝码。观察输出转速及转矩值, 待显示稳定(一般加载后转矩显示值跳动2-3 次即可达稳定值)后,按一下“保持键”,使当时的转速及转矩值稳定不变,记录下该组数值，然后按一下“加载键”, 第一个加载指示灯亮,并脱离 “保持” 状态,表示第一点加载结束。注意：加载过程中,应始终使电机转速基本保持在预定转速左右。
（5）在吊篮上加上第二个砝码,重复上述操作,直至加上八个砝码,八个加载指示灯亮,转速及转矩显示器分别显示“8888”表示实验结束。
（6）根据所记录下的八组数据便可作出齿轮传动的传动效率η-T9 曲线及 T1-T9 曲线。
（7）在记录下各组数据后,应先将电机调速至零,然后再关闭实验台电源。 （8）当确认传送数据无误(否则再按一下“送数键”)后,用鼠标选择“数据分析”功能,屏幕所显示本次实验的曲线和数据。接下来就可以进行数据拟合
等一系列的工作了。如果在采集数据过程中,出现采不到数据的现象,请检查串口选择是否正确,串口联接是否可靠,然后重新采集。
（9）实验结束后,用鼠标点击“退出”菜单,即可退出齿轮实验系统。退出后应及时关闭计算机及实验台电测箱电源。
六、注意事项
（1）实验开始前，检查传动转速为零（速度转速旋钮逆时针转到底），避免下次开机非零速启动；
（2）在记录下各组数据后,应先将电机调速至零,然后再关闭实验台电源。 （3）实验结束后,用鼠标点击“退出”菜单,即可退出齿轮实验系统。退出后应及时关闭计算机及实验台电测箱电源。
七、实验报告要求
1、带传动实验数据记录并分析
表1 第一种初拉力的实验结果
表2 第二种初拉力的实验结果
2）在方格纸上作出滑动曲线（ε-F曲线）和效率曲线（η-F曲线）。 3）实验数据分析。
2、齿轮传动效率实验数据记录并分析
1）实验数据记录
2）实验结果曲线
六、思考题
1、实验过程中“加载”与对带轮加砝码各指什么含义，有何区别？ 2、试分析滑动曲线、效率曲线与有效拉力的关系。 3、影响带传动能力的因素有哪些？
4、试分析不同初拉力（张紧力）对带传动承载能力的影响？ 5、叙述封闭式齿轮传动实验台效率测试的原理。
6、齿轮传动效率实验中T9-T1基本上为直线关系，为什么T9-η为曲线关系？
7、哪些因素影响齿轮传动的效率？加载力矩的测量中存在哪些误差？