机械传动性能指导书解析

第一章机械传动性能测试综合实验台说明书

一、概述

“THM CD-1型机械传动性能测试综合实验台”是根据相关课程的教学大纲要求而研制的，它采用模块式结构，可快速组合多种机械传动实训，能测试各种机械传动的速比、转矩、效率等。配套专用的数据采集系统，实现计算机智能数据采集、分析、处理、曲线显示及打印输出等功能。适合各院校机械类专业《机械设计》、《机械原理》、《机械零件》等课程的教学实训需要。

二、主要实训仪器及设备

1．NJ型转矩转速传感器

NJ型转矩转速传感器的基本原理是：通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。

NJ型转矩转速传感器的工作原理如图1。在弹性轴的两端安装有两只信号齿轮，在两齿轮

图1 NJ型转矩转速传感器工作原理图

的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感应出近似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，因此可以用来测量转速。这两组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方向有关。当弹性轴不受扭时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关，这一相位差一般称为初始相位差，在设计制造时，使其相差半个齿距左右，即两组交流电信号之间的初始相位差在180度左右。在弹性轴受扭时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比。把这两组交流电信号用专用屏蔽电缆线送入具有其功能的扭矩卡送入计算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值。图2是NJ型转矩转速传感器机械结构图。其结构与图1的工作原理图的差别是，为了提高测量精度及信号幅值，两端的信号发生器是由安装在弹性轴上的外齿轮、安装在套筒内的内齿轮、固定在机座内的

导磁环、磁钢、线圈及导磁支架组成封闭的磁路。其中，外齿轮、内齿轮是齿数相同互相脱开不相啮合的。套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时，通过传感器顶部的小电动机及齿轮或皮带传动链带动套筒，使内齿轮反向转动，提高了内、外齿轮之间的相对转速，保证了转矩测量精度。

图2 NJ型转矩转速传感器机械结构图

2．磁粉制动器

机械传动性能测试综合实训台以磁粉制动器作为负载装置。

磁粉制动器是一种性能优越的的自动控制元件。它以磁粉为工作介质，以激励电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的。其输出转矩与激励电流呈良好的线性关系，与转速或滑差无关，并具有响应速度快、结构简单等优点，广泛应用于印刷、包装、造纸及纸品加工、纺织、印刷、电缆、橡胶皮革、金属箔带加工等有关卷取装置的张力自动控制系统中，与张力控制仪及张力检测传感器配套可组成成套张力自动控制系统。磁粉制动器还可以作为模拟加载器使用，与转矩转速传感器及转矩转速功率测量仪/转矩转速功率测量卡配套组成成套测功装置，广泛应用于电机、内燃机、变速箱等动力及传动机械的功率、效率测量。

（1）激励电流——力矩特性

激励电流与转矩基本成线性关系，通过调节激励电流可以控制力矩的大小。

（2）转速——力矩特性

力矩与转速无关，保持定值。静力矩和动力矩没有差别。

（3）负载特性

磁粉制动器的允许滑差功率，在散热条件一定时是定值。其连续运行时，实际滑差需在允许滑差功率以内，使用转速高时，需降低力矩使用。

3．CB3000转矩转速测量卡

（1）概述

机械传动性能测试综合实训台用CB3000双转矩转速测量卡与计算机及磁电式相位差型转矩转速传感器配套，配备相应软件，实现转矩、转速的高精度测量。

CB3000转速转矩测量卡采用大规模可编程逻辑芯片构成简洁高效的数据采集和处理系统，独特的设计和先进的表面贴安装工艺大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

（2）动态链接库说明

如果用户用CB3000卡自己组成测试系统，CB3000软件中有标准DLL库函数，用户只需直接调用即可。DLL动态链接库使用安装程序自动安装在系统安装目录下，不同的卡，应调用不同名称的动态库。

效率卡或双扭矩卡：

1. 动态库名称：nxpci3.dll

2. 变量名称：

测量值结构体定义

Typedef struct _VCI_PCI_READ{

Unsigned long Test_Time; //测量实时时间

Float Test_NJ0; //扭矩0

Float Test_NSpeed0; //内转速0

Float Test_WSpeed0; //外转速0

Float Test_NJ1; //扭矩1

Float Test_Nspeed1; //内转速1

Float Test_Wspeed1; //外转速1

Unsigned int status; //状态1有信号，0没有信号

Float Test_Phase0; //相位0

Float Test_Phase1; //相位1

}VCI_PCI_READ,*PVCI_PCI_READ;

参数结构体定义

Typedef struct _VCI_PCI_Parameter{

Float NM_Range0; //量程0

Unsigned int NM_F0; //系数0

Float dotD0; //零点0

Unsigned int scaleN0; //内齿数0

Unsigned int scaleW0; //外齿数0

Unsigned int BD_tempe0; //标定温度0

Unsigned int Use_tempe0; //使用温度0

Float F_xs0; //转速校正系数0，不用时写1.0

Float PH_x0s; //相位校正系数0，不用时写1.0

Float NM_Range1; //量程1

Unsigned int NM_F1; //系数1

Float dotD1; //零点1

Unsigned int scaleN1; //内齿数1

Unsigned int scaleW1; //外齿数1

Unsigned int BD_tempe1; //标定温度1

Unsigned int Use_tempe1; //使用温度1

Float F_xs1; //转速校正系数1，不用时写1.0

Float PH_xs1; //相位校正系数1，不用时写1.0

}VCI_PCI_Parameter,*PVCI_PCI_Parameter；

3.调用函数：

用户可以按照以下方式调用函数

⑴.extern "C" __declspec(dllimport) ULONG OpenDevice(void);

//打开设备，成功返回1，否则返回0

⑵extern "C" __declspec(dllimport) ULONG CloseDevice(void);

//关闭设备，成功返回1，否则返回0

⑶.extern "C" __declspec(dllimport) ULONG Set_TestTime(ULONG TimeP

hrase0,

ULONG TimeWSpeed0,ULONG TimePhrase1,ULONG TimeWSpeed1)

/*

写入各频率量测量时的采样时间：

TimePhrase0: 扭矩0测量时的采样时间

TimeWSpeed0: 外转速0测量时的采样时间

TimePhrase1: 扭矩1测量时的采样时间

TimeWSpeed1: 外转速1测量时的采样时间

固定返回1值

*/

⑷．Extern "C" __declspec(dllimport) ULONG Read_TestData(PVCI_PCI_ Parameter para;PVCI_PCI_READ pObj)

/*

para：参数值结构体指针变量

pObj：测量值结构体指针变量

固定返回1值

*/

4．扭矩传感器的接线：

扭矩信号两根线，分别叫做扭矩信号Ⅰ和扭矩信号Ⅱ。将传感器和扭矩卡的信号Ⅰ和信号Ⅱ

对应连接。调零后，往正方向加载，扭矩往正方向增加，往反方向加载，扭矩往反方向增加。如果正好相反，将两根线交换（只交换一头）。

注意小电机的接线是否正确。小电机用来驱动传感器内部的套筒。套筒旋转的目的是提高传感器内部的相对转速，是输出的信号幅度增加。套筒的旋转方向应该和主轴的旋转方向相反。如果不是这样，就应该改变小电机的转向。改变小电机转向只能改变小电机接线的相序。

三、软件操作说明

1.打开测试软件。

2.参数设置

如需添加新的测量变量、修改和删除测量变量或设置系统参数，点“参数设置”进入参数设置窗口。正常情况下，不需要进行参数设置。

（1）添加测量变量

进入工具栏的“数据”窗口，双击需要添加的测量变量名(如没有找到，点左上角的图标，完成新数据控件的添加)，确认测量变量采集序号或公式等正确无误后，在右边的图形界面利用“新建控件”工具或右键点击“复制”、“粘贴”的方法添加图形控件，再进入工具栏的“属性”窗口，找到“数据栏”的“数据连接”，点击选择需要添加的数据变量名，点“保存”后“退出”。

（2）删除测量变量

在右边的图形界面找到需要删除的测量变量，点击右键删除，点“保存”后“退出”。

3.试验登录

进入“试验登录”，填写试验编号、试验名称、电机编号等相关参数，在软件测试界面检查各参数采样值是否正常。

注意：“实时测试时间间隔”设为小于50ms时，计算机系统将以最短时间周期与CB3000卡进行通讯，实时采样，同时以200ms的周期刷新界面。“实时测试时间间隔”设为小于50ms时，“连续记录”将以先缓存后统一存硬盘的方式以最短时间进行记录；“连续记录时间间隔”不能低于“实时测试时间间隔”。

4.实时曲线

曲线显示区显示的是测试数据的数据变化趋势曲线。左上方的图例窗表示可显示的参数曲线及其颜色。在曲线显示区可同时显示4条曲线并以百分比形式显示。若单击图例窗上某一颜色线条，显示区显示相应参数的曲线。此时横坐标为时间，纵坐标表示具体参数值，并且此参数值的起始值和终点值就是在“曲线配置”中设置的该参数的零点、满度。双击实时曲线界面中任一空白处，即可弹出“曲线配置”对话框。

5.数据记录

（1）选点记录

“记录一次”，存储当前时刻采样值为新记录。

“更新记录”，存储当前时刻采样值覆盖光标所指记录。

（2）连续记录

“开始记录”，开始以试验登录时设置的“连续记录时间间隔”存储采样值为新记录。

“结束记录”，停止存储连续采样值。

6.扭矩卡参数设置

打开“扭矩卡参数设置”对话框后，程序将在各个编辑框内显示扭矩卡的参数设置情况，用户可以根据实际情况进行修改，保存并退出。

“内转速”，控制CB3000测控系统显示相对转速，即主轴与小电机的转速之和。

“外转速”，控制CB3000测控系统显示外转速信号线的转速(主轴转速或套筒转速)。

“扣除小电机转速”，控制CB3000测控系统从内转速中扣除设置的小电机转速后显示主轴转速。

“扣除套筒转速”，控制CB3000测控系统从内转速中扣除外转速信号线的套筒转速后显示主轴转速。

“应用设置”，依据设置好的参数进行保存并生效。

在此我们选择“扣除小电机转速”，零点模式选择“单零点模式”。

7.扭矩零点编辑

打开“扭矩零点编辑”对话框后，程序将根据零点模式读取扭矩卡的零点值，并更新各编辑框或表格。

“记录小电机转速”，将内转速记为小电机转速。

“记录清零”，将当前零点记录中的三条记录清除。

“校零点”，根据零点模式，将零点记录中的三条记录，按照求平均值的方法，计算出零点值，并更新各编辑框或表格。

“保存设置”，将所记录的小电机转速以及零点值进行保存。

8.数据处理

（1）报表处理

点击“报表曲线”后，打开一个数据库文件，并在工具栏上的下拉列表中选择了不同的列表项目后，则在数据显示区显示相应的信息和数据记录。如“试验数据记录”，显示的是试验测量的各参数值。除了可以点击下方“增加记录”、“减少记录”等按钮修改报表外（注意删除数据后是不可恢复的），还可以直接点击某一数据直接输入修改值，按“确认”键确定修改，按“取消”键放弃修改并恢复原值。试验登录情况即在开始这一试验时所设定的初始参数，除了台架、发动机编号以及试验的编号和日期不能修改外，其他参数均可在此修改，点击“保存”确认。“报警记录”则记录了试验当中出现的所有报警情况。点击“打印报表”，此时弹出打印报表对话框，选择报表类型后（有正式报表、简易报表），点“打印”默认打印所有测试数据（如需要可点击“选择”进行打印参数的选择）。

（2）绘图处理

点击“报表曲线”找到测试数据，点击“曲线拟合”选择所需的数据及所需的参数绘制普通曲线。点“绘图到打印机”只打印当前图形，点“绘图到文件”保存当前绘图为位图文件，点“绘图到报表”将绘图及报表组合起来进行打印（注：此时对变量数、记录数有限制）。

第二章机械装调技术综合实训装置指导书

一.概述：

机械传动装置是机器的主要组成部分，它的功用是将机器的原动机和工作机连接起来，传递动力和改变运动。

机械传动分为啮合传动、摩擦传动、液力传动和气力传动，《机械原理》与《机械设计》课程只研究啮合传动与摩擦传动。啮合传动包括齿轮传动、蜗杆传动、链传动、同步带传动；摩擦传动包括带传动和摩擦轮传动。

根据机械的功能要求，为实现功能/成本的优化，常常采用不止一种的传动组成传动链，来完成运动形式、参数、力或转矩大小的转变。在传动链中如何布置各种传动形式，这是传动链总体设计的首要问题。传动顺序的合理安排原则是：

（1）在齿轮传动中，斜齿轮传动平稳性好，与直齿轮串联时，应放在高速级；圆锥齿轮传动与圆柱齿轮传动串联时，应放在高速级，这是因为高速级的转速高，转矩小，可使斜齿轮的尺寸小，避免大直径斜齿轮加工的困难，同时也使其轴向力较小，有利于减少轴承的轴向载荷；闭式齿轮传动与开式齿轮传动串联时，为防止前者尺寸过大，应放在高速级，而后者在轮廓尺寸上通常没有严格限制，且平稳性较差，应放在低速级。

（2）带传动靠摩擦力工作，承载能力较小，载荷相同时，结构尺寸齿轮传动、链传动等大，为减少传动尺寸，且为乐减缓传动系统对原动机的冲击，应放在传动链的高速级。

（3）链传动由于多边形效应，冲击振动较大，且速度越高越严重，应放在传动链的低速级。

（4）改变运动形式的传动或机构，如齿轮齿条传动、螺旋传动、凸轮机构、连杆机构等，因有动载荷，为减少对传动系统的冲击，也为布置简单，应放在传动链的低速级。

（5）蜗杆传动与齿轮传动串联时，若蜗轮材料为锡青铜，允许齿面有较高的相对滑动速度，且相对滑动速度越高，越有利于形成润滑油膜，减少摩擦系数，应放在高速级；若蜗轮材料为无锡青铜或其他材料时，允许的齿面相对滑动速度较低，为防止齿面胶合或严重磨损，应放在低速级。

机构传动的运动学与动力学参数测试原理与方法是机械研究与设计人员应该掌握的基本知识。“机械传动性能综合测试实训”通过组装多种单级或多级的机械传动装置，综合测试其传动性能参数，并绘制性能曲线，进行各种不同布置传动系统的性能对比，从而深入理解机械传动的性能特点。

二.实训目的

1.培养学生根据机械传动实训任务，进行自主实训的能力。实训在“机械传动性能测试综合实训台”上进行，学生根据实训任务自主设计实训方案，写出实训方案书，搭接传动系统进行测试，分析传动系统设计方案，写出实训报告。

2.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训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；

3.通过实训掌握机械传动性能综合测试的工作原理和方法，掌握计算机辅助实训的新方法。

4. 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(传动比曲线、效率曲线等)，加深对常见机械传动性能的认识和理解；

三. 实训原理

我们知道，机械传动中，输入功率应等于输出功率与机械内部损耗功率之和。即：

N i =N 0+N f （1）

式中：N i ——输入功率；N 0——输出功率；N f ——克服机械内部摩擦所消耗功率。则机械效率η为：

i

N N 0=η （2） 由力学知识可知，对于机械传传动若设其载荷力矩为M ，角速度为ω，则对应的功率有如下关系：

M n M N 602πω=

= （3）

式中：n ——传动机械的转速（r/min ）

所以，传动效率η可改写为： i

i n M n M 00=η （4） 式中：M 0，M i ——分别为传动机械输入、输出扭矩

n 0，n i ——分别为传动机械输入、输出转速

因此，我们若能利用仪器测出被测传动装置（如：齿轮减速器等）传动机械的输入转矩和转速，以及输出转矩和转速，就可以通过式（4）计算出传动效率。

同时，被测传动装置（如：齿轮减速器等）传动机械的传动比i 为：

n n i i = （5） 故在已知传动比i 的情况下，在测定M 0，M i 以后，可直接用下式计算出传动效率η

i

0i M M =

η （6） 四. 实训设备 THMDCD-1型 机械传动性能测试综合实训台