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效率实验报告

机械传动性能综合实验报告

姓名：

学号：

班级：

任课老师：

（特别提示：

本报告第一、二、三部分来自试验指导书，稍有更改。

）

一、实验目的

1.了解机械传动系统效率测试的工程试验手段和常用的机械效率测试设备，掌握典型机械传动系统的效率范围，分析传动系统效率损失的原因；

2.通过对典型机械传动系统及其组合的性能测试，加深对机械传动系统性能的认识以及对机械传动合理布置的基本原则的理解；

3.通过对实验方案的设计、组装和性能测试等训练环节，掌握计算机辅助实验测试方法,培养学生创新设计与实践能力。

二、实验原理及设备

1、实验原理：

机械传动性能综合测试实验台的工作原理如图1所示。

通过对转矩和转速的

测量，利用转矩、转速与功率的数学关系间接导出功率数值，并通过对电机和负载的相应控制观察分析转速、转矩、功率的相应变化趋势，同时通过对减速器的输入功率和输出功率的测量分析，得出减速器的效率及其随不同情况的变化所呈现的变化趋势。

图1实验台的工作原理

2、实验设备：

机械传动性能综合测试实验台采用模块化结构，由不同种类的机械传动装置、联轴器、变频电机、加载装置和工控机等模块组成，学生可以根据选择或设计的实验类型、方案和内容，自己动手进行传动连接、安装调试和测试，进行设计性实验、综合性实验或创新性实验。

机械传动性能综合测试实验台各硬件组成部件的结构布局如图2所示。

图2（a）实验台外观图

1-变频调速电机2-联轴器3-转矩转速传感器4-试件

5-加载与制动装置6-工控机7-电器控制柜8-台座

实验设备包括机械传动综合效率实验台（包括台座、变频调速器、机柜、电控箱）、蜗轮蜗杆减速器、齿轮减速器、三相异步电动机、同步带传动装置、滚子链传动装置、V带传动装置、磁粉制动器、ZJ转矩转速传感器、计算机及打印机、其他零配件。

典型实验装置包括齿轮减速传动装置、蜗轮蜗杆减速传动装置、V带+齿轮减速传动装置、齿轮减速+滚子链传动装置、同步带减速传动装置、V带减速传动装置、V带+同步带减速传动装置。

实验装置由动力部分、测试部分、加载部分和被测部分等组成。

各部分的性能参数如下：

1、动力部分

1）YP-50-0.55三相感应变频电机：

额定功率0.55KW；同步转速1500r/min；输入电压380V。

2）LS600-4001变频器：

输入规格AC3PH380-460V50/60HZ；输出规格AC0－240V1.7KVA4.5A；变频范围2～200HZ。

2、测试部分

1）ZJ10型转矩转速传感器：

额定转矩10N.m；转速范围0～6000r/min；

2）ZJ50型转矩转速传感器：

额定转矩50N.m；转速范围0～5000r/min；

3）TC-1转矩转速测试卡：

扭矩测试精度±0.2%FS；转速测量精度±0.1%；

4）PC-400数据采集控制卡。

3、被测部分

1）三角带传动：

带轮基准直径D1=70mmD2=115mmO型带L内=900mm；

带轮基准直径D1=76mmD2=145mmO型带L内=900mm；

带轮基准直径D1=70mmD2=88mmO型带L内=630mm。

2）链传动：

链轮Z1=17Z2=25

滚子链08A－1×71

滚子链08A－1×53

滚子链08A－1×66。

4、加载部分

FZ－5型磁粉制动（加载）器：

额定转矩50N.m；激磁电流0～2A；允许滑

差功率1.1KW。

为了提高实验设备的精度，实验台采用两个扭矩测量卡进行采样，测量精度达到±0.2%FS，能满足教学实验与科研生产试验的实际需要。

机械传动性能综合测试实验台采用自动控制测试技术设计，所有电机程控起停，转速程控调节，负载程控调节，用扭矩测量卡替代扭矩测量仪，整台设备能够自动进行数据采集处理，自动输出实验结果，是高度智能化的产品。

其控制系统主界面如图3所示。

图3实验台控制系统主界面

三、实验项目及步骤

1、实验项目：

链传动－齿轮减速器、V带传动－齿轮减速器。

2、实验步骤：

实验步骤可以分成3个阶段：

准备阶段、测试阶段和分析阶段。

在实验时，要按照不同阶段的相关要求进行操作。

1.准备阶段

1）认真阅读《实验指导书》和《实验台使用说明书》并熟悉实验台；

2）确定实验内容；

选择实验时,则要确定选用的典型机械传动装置及其组合布置方案，并进行方案比较实验。

如表1所示。

表1

编号

组合布置方案

实验内容B1

V带传动-齿轮减速器

实验内容B3

链传动-齿轮减速器

首先要了解被测机械的功能与结构特点。

3）根据选择的机械传动方案选择仪器设备，布置、安装被测机械传动装置（系统）。

注意选用合适的调整垫块，确保传动轴之间的同轴线要求；

4）检查各连接部位是否牢固可靠，按《实验台使用说明书》要求对测试设备进行调零，以保证测量精度。

2.测试阶段

1）打开实验台电源总开关和工控机电源开关；

2）点击Test显示测试控制系统主界面，熟悉主界面的各项内容；

3）键入实验教学信息标：

实验类型、实验编号、小组编号、实验人员、指导老师、实验日期等；

4）点击“设置”，确定实验测试参数：

转速n1、n2扭矩T1、T2等；

5）点击“分析”，确定实验分析所需项目：

曲线选项、绘制曲线、打印表格等；

6）启动主电机，进入“试验”。

使电动机转速加快至接近同步转速后，进行加载。

加载时要缓慢平稳，否则会影响采样的测试精度；待数据显示稳定后，即可进行数据采样。

分级加载，分级采样，采集数据10组左右即可；

7）从“分析”中调看参数曲线，确认实验结果；

8）结束测试。

注意先逐步卸载，后降速；

9）关闭仪器电源，拆卸传动系统，将各仪器设备和组件复位。

3.分析阶段

1）对实验结果进行分析；对于实验B,重点分析不同的布置方案对传动性能的影响。

2）整理实验报告；实验报告的内容主要为：

测试数据（表）、参数曲线；

对实验结果的分析；实验中的新发现、新设想或新建议。

四、实验过程

1、链传动：

（1）方案设计：

按照实验原理中的实验台工作原理图进行机械机构和数据采集部分的设计。

（2）装配调试：

将主动轴、从动轴、传动链、传感器搭接完成，调整各联轴器同心并控制间距在1mm左右，调整主、从动轴到达合适的间距使链条受到适当的张紧力。

（3）数据测试：

装配调试完成后，用计算机控制设备运行并进行数据采集：

控制主动轴转速在1000r/min左右基本不变，逐渐增大从动轴上的负载，记录主、从动轴上的力矩值及转速值。

注意每次记录数据时要等到各数据值稳定以后在进行。

2、V带传动：

（1）方案设计：

按照实验原理中的实验台工作原理图进行机械机构和数据采集部分的设计。

（2）装配调试：

将主动轴、从动轴、传动链、传感器搭接完成，调整各联轴器同心并控制间距在1mm左右，调整主、从动轴至合适的间距使V带受到适当的张紧力。

（3）数据测试：

装配调试完成后，用计算机控制设备运行并进行数据采集：

控制主动轴转速在1000r/min左右基本不变，逐渐增大从动轴上的负载，记录主、从动轴上的力矩值及转速值。

注意每次记录数据时要等到各数据值稳定以后在进行。

五、实验数据分析

本部分对实验数据进行处理，得出初步结论，原因分析见第六部分。

1、链传动

（1）实验数据记录

n1

（r/min）

（N·m）

n2

（r/min）

（N·m）

i=

n1/n2

P1=

M2N2/9550kW

P2=

M1N1/9550kW

η=P2/P1

％

1000.2

0.82

136.3

0.72

7.339

0.086

0.01

11.86

999.7

1.48

136.2

4.04

7.337

0.155

0.058

37.15

1000.5

2.06

136.4

8.26

7.337

0.216

0.118

54.69

1004.4

2.36

136.9

10.42

7.337

0.248

0.149

60.16

1002.6

2.32

136.6

10.12

7.337

0.244

0.145

59.45

1003.7

2.59

136.7

12.06

7.342

0.272

0.173

63.56

1000.6

2.88

136.3

14.18

7.341

0.302

0.202

67.14

1001.1

3.14

136.4

16.12

7.339

0.329

0.23

69.9

1001.2

3.42

136.5

18.11

7.337

0.358

0.259

72.29

1001.2

3.7

136.4

20.17

7.339

0.388

0.288

74.36

1002

3.94

136.5

21.89

7.34

0.413

0.313

75.75

999.1

4.2

136.1

23.86

7.339

0.44

0.34

77.36

（2）实验数据分析

效率-负载M2曲线

由效率-负载图可见，链传动效率随负载增加而呈现增加的趋势，而且增加的程度越来越小。

输出功率P1、P2—负载M2曲线

负载M2-传动比i曲线

由图可知，随着负载的增加，功率近似成线性关系上升；而且输入、输出功率增加的速度基本相等。

平均值：

i=7.338667

由图可知，在负载不断变化的过程中，传动比近似维持常值，约为i=7.34

2、V带传动

（1）实验数据记录

n1

（r/min）

（N·m）

n2

（r/min）

（N·m）

i=

n1/n2

P1=

M2N2/9550kW

P2=

M1N1/9550kW

η=P2/P1

％

999.8

0.82

157.4

2.99

6.351

0.086

0.049

57.53

999.6

1.31

157.3

6.05

6.354

0.137

0.1

72.94

1000.2

1.8

157.2

9.06

6.363

0.188

0.149

79.15

999.8

2.27

156.8

11.97

6.376

0.238

0.197

82.71

999

2.77

156.2

15.02

6.395

0.29

0.246

84.74

998.7

3.28

155.7

18.1

6.413

0.343

0.295

86.13

999.2

3.76

155.6

20.96

6.421

0.393

0.342

86.84

1000

4.24

155.2

23.97

6.443

0.444

0.39

87.62

（2）实验数据分析

负载M2-效率曲线

由效率-负载图可见，链传动效率随负载增加而呈现增加的趋势，而且增加的程度越来越小。

负载M2-输入功率P1、输出功率P2曲线

由图可知，随着负载的增加，功率近似成线性关系上升；而且输入、输出功率增加的速度基本相等。

负载M2-传动比i曲线

平均值：

i=5.92325

由图可知，在负载不断变化的过程中，传动比近似维持常值，约为i=5.92

六、问题思考部分

说明：

在试验和数据处理过程中，我对很多问题都产生了兴趣，希望可以借助这次机会，对机械传动的相关知识有一个更加深入的了解。

以下采用问答的方式，尝试解决实验中的一些重要问题。

需要强调的是，由于知识水平和查阅资料的有限，我还不能就这些问题做一个完满的解释，其中有不足和错误的，请老师指教。

1、V带传动效率曲线的走势为什么呈逐渐减缓的递增趋势？

简答：

由于带是弹性体，受力不同的时候伸长量不等，使带传动发生弹性滑动现象。

而效率也与弹性滑动密不可分。

在V带绕带轮滑动传动时候，带的压力由紧边拉力F1下降到松边拉力F2所以带的弹性变形也要相应减小，亦即带在逐渐缩短，带的速度要落后于带轮，因此两者之间必然发生相对滑动。

同样的现象也发生在从动轮上，但是情况恰好相反。

带从松边转到紧边时，带所受到的拉力逐渐增加，带的弹性变形量也随之增大，带微微向前伸长，带的运动超前于带轮。

带与带轮间同样也发生相对滑动。

有效拉力F=F1-F2等于带沿带轮的

接触弧上摩擦力的总和Ff.

带传动中滑动的程度用滑动率表示，其表达式为

式中v1、v2——分别为主动轮、从动轮的圆周速度，单位：

m/s；

n1、n2——分别为主动轮、从动轮的转速，r/min；

D1、D2——分别为主动轮、从动轮的直径，mm。

如图2-1所示，带传动的滑动（曲线1）随着带的有效拉力F的增大而增大，表示这种关系的曲线称为滑动曲线。

当有效拉力F小于临界点F点时，滑动率与有效拉力F成线性关系，带处于弹性滑动工作状态；当有效拉力F超过临界点F点以后，滑动率急剧上升，带处于弹性滑动与打滑同时存在的工作状态。

当有效拉力等

于Fmax时，滑动率近于直线上升，带处于完全打滑的工作状态。

图中曲线2为带传动的效率曲线，即表示带传动效率与有效拉力F之间关系的曲线。

当有效拉力增加时，传动效率逐渐提高，当有效拉力F超过临界点F点以后，传动效率急剧下降。

带传动最合理的状态，应使有效拉力F等于或稍小于临界点F，这时带传动的效率最高，滑动率=1%~2%，并且还有余力负担短时间（如启动时）的过载。

本实验中之所以没有观察到传动效率下降的点，是因为拉力F未达到Fmax。

2、V带传动和链传动的效率有何区别？

造成这样差异的原因是什么？

简答：

V带传动效率随负载增加而呈现增加的趋势；且相对链传动，V带传动初始效率高，这是因为带传动的传动部件振动和质量都较小，消耗的功率也小。

还能看到，相对与链传动的数据，V带传动的数据采集效果更好，因为V带传动为柔性传动，冲击振动较小，对传感器的干扰也就更小。

带传动靠摩擦力工作且带具有弹性：

1能缓和冲击，吸收震动，传动平稳无噪音；结构简单，维护制造方便，成本较低；3具有过载保护作用。

链转动用在工作可靠，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动和带传动的场合，例如翻土机的运行机构采用链传动，虽然经常受到土块、泥浆和瞬时过载等的影响，依然能够很好的工作。

3、在联合传动中，带传动和链传动的安装有何要求？

简答：

若将链传动放置高速级，会加剧运动的不均匀性，动载荷变大，震动和噪音增大，降低链传动的寿命，链传动只能实现平行轴间的同向传动，运转时不能保证恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪音，不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中，即应布置在低速级。

 若将带传动放置低俗级，会使结构尺寸增大，及应布置在高速级，与电机直接相连，可以骑到缓冲吸震的作用，还能起到过载打滑的作用，保护零件，放在高速级，功率不变的情况下，高速级速度高，带传动所需的有效拉力就小，带传动的尺寸也就较小。

4、功率、效率之间有什么关系？

简答：

从功率图可以看出：

输入、输出功率均增加，但输入功率增加速度更，这是由于V带传动打滑逐渐严重而引起的摩擦损耗功率逐渐增加。

但打滑的增加并未引起效率的降低，因为打滑引起的功率损失相对于输入、输出功率的增长较小，由效率公式：

P1与P2的差的增量

相对于P1的增量较小，二者都增加会导致

效率的提高。

5、输入与输出功率关系如何？

为什么会有这样的关系？

简答：

P2=P1*

，即输入功率等于输出功率乘以效率；另一方面，

=P2-P1

为常值。

同时满足以上两个关系的结果，就是效率不断增加，这也符合

实验的观测结果。

这样的关系与效率的定义有关，而

为常数则是因为在试验范围内，摩擦力、打滑造成的机械能损失可以近似为常值。

6、负载改变的过程中，传动比为什么近似保持不变？

而又为什么不是一个绝对常数？

简答：

传动比的大小在理论上是由机构自身决定的，在正常工作条件下是不会改变的，比如V带的传动比与两带轮直径呈反比，链传动与两链轮齿数有关，而都与传动过程的负载等条件无关。

不过，对于V带和链条，在考虑打滑、弹性形变、塑性形变、失效的情况下，再加上外界扰动的影响，传动比不是绝对的常数，而是呈现一定的波动性。

7、飞轮调速器有何作用？

其原理如何？

简答：

飞轮调速

原理：

大转动惯量的盘形零件，当机械出现盈功时，飞轮存储多余的动能，速度上升幅度下降，当机械出现亏功时，飞轮释放存储的动能，速度下降幅度下降。

适用范围：

具有周期性速度波动的机械，如：

内燃机,蒸汽机,压力机,搅拌机等。

8、联轴器的作用是什么？

他的工作原理如何？

简答：

联轴器是机械传动中的常用部件，用来连接主、从动回转构件使其一同旋转并传递转矩；有时也可作为安全装置，即当转矩超过规定时，联轴器自行脱开，以保证机器中的主要零部件不致因过载而损坏。

联轴器根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持连接的功能），可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。

挠性联轴器可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。

其各自特点如下：

1.刚性联轴器虽然不具有可移性和缓冲性，但因结构简单、制造容易、不需要维护和成本低等特点而得到广泛应用。

2.挠性联轴器具有补偿两回转构件相对位移的能力。

其中，弹性元件挠性联轴器由于含有能产生较大弹性变形的原件，除具有可移性外还具有缓冲和减震作用，但在传递转矩的能力方面，因受到弹性元件的强度限制，一般不及无弹性元件的联轴器。

带弹性元件的联轴器中，按弹性元件的材质不同，又可分为金属弹性元件和非金属弹性元件。

金属弹性元件的主要特点是强度高、传递转矩大、使用寿命长、不易老化且性能稳定。

非金属弹性元件的优点是制造方便、易获得各种结构形状，且具有较高的阻尼性能。

刚性联轴器

挠性联轴器

无弹性元件

有弹性原件

传递转矩大，运转可靠，

工作寿命长，对冲击载荷敏感

1.具有缓冲和吸震性，适于频繁启动和正反转的工作场合

2.弹性元件比较薄弱，不适于低速和大转矩

3.安装误差和相对位移会加快元件的损坏

要求安装精度和回转构件刚度高

能不同程度的适应安装误差和相位位移

七、实验中新设想或新建议

1、试验过程感觉稍稍有点简单，要进一步理解机械传动效率，还需要补充任务，分析和了解更多的知识，比如这份试验报告里提出的原因分析。

2、这个试验本来只用两小节课的时间，课选课说明上却是四个小节，建议更改一下时间。

3、注意安全，扭螺母和放置工具的时候都要小心。

八、思考题

1.机械效率如何定义？

实验中是如何测定传动系统机械效率的？

 机械效率定义是输出功率与输入功率之比。

实验中通过测量输入、输出轴的转矩和转速，并将二者相乘来获得输入、输出功率

2.试分析负载对传动系统的机械效率和转速的影响。

本实验中均是负载越大机械效率越高，通过实验数据处理部分的分析可知，原因是传动系统消耗的功率Pc随负载增加的增加量相对于输入功率Pi、输出功率Po的增加量量很小（或为零），故由机械效率定义式：

机械效率会随负载Po及输入功率Pi的增大而增大。

而在该实验中，由于电子转速控制系统的存在，从数据纪录中可以看出转速并不会因为负载的变化而变化。

3.在对传动系统进行强度计算时，功率取电机的额定功率还是根据输出功率确定？

强度计算时应取输出功率，因为电机的额定功率是电机接入电路后得到的输入功率，会由于电机内部的电阻损耗和摩擦损耗而大于最终对机械传动系统的输出功率。

强度计算考虑的是机械结构本身的特性，因此要取原动机（电机）输出给系统的功率而非电机的额定功率进行计算。

4. 在机械传动系统中，滚子链传动和V型带传动的特性和基本安装要求，并分析设立这些基本安装要求的原因。

答:

（1）滚子链传动：

特性：

链条的速度周期性变化，具有周期性的动载荷，链条磨损、冲击、噪声大。

基本安装要求：

链轮在同一平面内，保持链条有一定张紧度。

原因：

链轮不在同一平面内会导致链条的脱离，链条张紧度不够会使上部链条下垂过多而与下部链条产生干涉。

（2）V带传动：

特性：

带为柔性结构，噪声、冲击小，但寿命短且易打滑，需要有足够的张紧力保持传动能力。

基本安装要求：

带轮在同一平面内，保持V带有一定张紧度。

原因：

带轮不在同一平面内会导致V带的脱离，带的张紧度不够会张紧力过小，发生打滑，传动负载和效率均会降低。

九、实验总结

在这次实验中，我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。

特别是在做实验报告时，因为在做数据处理时发现了许多有意义的思考点，渐渐进行了了解和思考。

还有动手这次实验，使测试技术这门课的一些理论知识与实践相结合，更加深刻了我对机械传动的认识，巩固了我的理论知识。