CLSII型 齿轮传动实验台指导书.docx

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CLSII型齿轮传动实验台指导书

CLS－II型齿轮传动效率测试系统

一、实验目的

ClS-Ⅱ型齿轮试验台为小型台式封闭功率流式齿轮试验台，采用悬挂式齿轮箱不停机加载方式，加载方便、操作简单安全、耗能少。

在数据处理方面，既可直接抄录数据手工计算，也可以和计算机接口组成具有数据采集处理，结果曲线显示，信息储存、打印输出等多种功能的自动化处理系统。

该系统具有体积小、重量轻、机电一体化相结合等特点。

本实验台用于机械设计等课程的教学实验，可以方便地完成以下实验：

1、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。

2、通过改变载荷，测出不同载荷下的传动效率和功率。

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（也即载荷扭矩）。

η为齿轮传动效率。

二、实验系统

1、实验系统组成

如图1所示，实验系统由如下设备组成：

（1）CLS-Ⅱ型齿轮传动实验台

（2）CLS-Ⅱ型齿轮传动实验仪

（3）计算机（4）打印机

2、实验机构主要技术参数

（1）试验齿轮模数m=2

（2）齿数Z4=Z3=Z2=Z1=38

（3）速比i=1（4）直流电机额定功率P=300w

（5）直流电机转速N=0~1100r／m（6）最大封闭扭矩TB=15NM

（7）最大封闭功率PB=1.5KW（8）实验台尺寸长×宽×高=900×550×300

（9）电源220V交流/50Hz（10）中心矩A＝76mm

3、实验台结构

实验台的结构如图2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。

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（b）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2（a）所示，其大小为：

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

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：

5、齿轮传动实验仪

实验仪正面面板布置及背面板布置如图3、图4所示。

实验仪内部系统框图参见图1。

1、调零电位器2、转矩放大倍数电位器3、力矩输出接口

4、接地端子5、转速输入接口6、转矩输入接口

7、RS-232接口8、电源开关9、电源插座

如图所示，实验仪操作部分主要集中在仪器正面的面板上。

在实验仪的背面

备有微机RS-232接口，转矩、转速输入接口等。

实验仪箱体内附设有单片机，承担检测、数据处理、信息记忆，自动数字显

示及传送等功能。

若通过串行接口与计算机相联，就可由计算机对所采集数据进行自动分析处理、并能显示及打印齿轮传递效率η-T9曲线及T1-T9曲线和全部相关数据。

三、实验操作步骤

1、人工记录操作方法

（1）系统联接及接通电源

齿轮实验台在接通电源前，应首先将电机调速旋扭逆时针转至最低速“0速”位置，将传感器转矩信号输出线及转速信号输出线分别插入电测箱后板和实验台上相应接口上，然后按电源开关接通电源。

打开实验仪后板上的电源开关，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”。

（2）转矩零点及放大倍数调整

a、零点调整

在齿轮实验台不转动及空载状态下，使用万用表接入电测箱后板力矩输出接口3（见图4）上，电压输出值应在1-1.5V范围内，否则应调整电测箱后板上的调零电位器（若电位器带有锁紧螺母，则应先松开锁紧螺母，调整后再锁紧）。

零点调整完成后按一下“清零”键，待转矩显示“0”后表示调整结束。

b、放大倍数调整

“调零”完成后，将实验台上的调速旋扭顺时针慢慢向“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，（此值为出厂时标定值），否则通过电测箱后板上的转矩放大倍数电位器加以调节。

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。

（3）加载

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，记录下该组数值。

在吊篮上加上第二个法玛，重复上述操作，直至加上八个法码。

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。

注意：

在加载过程中，应始终使电机转速基本保持在预定转速左右。

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。

2、与计算机接口实验方法

1）连接RS232通讯线

在CLS-Ⅱ型齿轮传动实验台电按箱后板上设有RS-232接口，通过所附的通讯连接线和计算机相联，组成智能齿轮传动实验系统。

如果采用多机通讯转换器，则需要首先将多机通讯转换器通过RS-232通讯线连接到计算机，然后用双端插头电话线，将CLS-Ⅱ型齿轮传动实验仪连接到多机通讯转换器的任一个输入口。

2）启动机械教学综合实验系统

如果用户使用多机通讯转换器，应根据用户计算机与多机通讯转换器的串行接口通道，在程序界面的右上角串口选择框中选择合适的通道号（COM1或COM2）。

根据齿轮传动实验在多机通讯转换器上所接的通道口，点击“重新配置”键，选择该通道口的应用程序为齿轮传动实验，配置结束后，在主界面左边的实验项目框中，点击该通道“齿轮传动”键，此时，多机通讯转换器的相应通道指示灯应该点亮，齿轮传动实验系统应用程序将自动启动，如图6所示。

如果多机通讯转换器的相应通道指示灯不亮，检查多机通讯转换器与计算机的通讯线是否连接正确，确认通讯的通道是否与键入的通讯口（COM1或COM2）一致。

点击图6图象，将出现如图7的齿轮传动实验系统界面。

点击串口选择键，正确选择（COM1或COM2），并点击数据采集键等待数据输入。

如果用户选择的是齿轮传动实验台与计算机直接连接，则在图5主界面右上角串口选择框中选择相应串口号（COM1或COM2）。

在主界面左边的实验项目框中点击“齿轮传动”键。

在图7界面中点击串口选择键，正确选择（COM1或COM2），并点击数据采集键等待数据输入。

3）数据采集及分析

（1）转矩零点及放大倍数调整方法同前

（2）加载

同样，加载前先将电机调速至500转/分，并在加载过程中应始终使电机转速基本保持在预定值。

a.、实验台处于稳定空载状态下，加上第一个法码，待转速及转矩显示稳定后，按一下“加载键”（注：

不需按“保持键”）第一个加载指示灯亮。

加第二个法码，显示稳定后再按一下“加载键”，第二个加载指示灯亮，第二次加载结束。

如此重复操作，直至加上八个法码，按八次“加载键”，八个加载指示灯亮。

转速、转矩显示器都显示“8888”，表明所采数据已全部送到计算机。

将电机调速至“0”，并卸下所有法码。

b、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，如图8所示。

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，请检查串口是否联接可靠，串口号是否正确，重新采集，如果采集的数据有错，请重新用实验台产生数据，再次采集，或者重新选择机型，建议选择较好的机型。

（3）打印

移动功能菜单的光标至“打印”功能，打印机将打印实验曲线和数据。

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。

运行环境要求：

486以上微机，32M内存或更高，windows98操作系统，显示分辨率800×600以上，推荐使用1024×768，显示颜色为16位真彩或更高，（如果运行环境达不到该要求，程序有可能不能正常运行！

）

四、附录

1、齿轮实验系统软件说明

整个软件界面由标题栏、菜单栏、采集数据显示区、计算结果显示区（效率）、曲线显示区、误差分析结果显示区、剩余标准差S、相关指数R*R结果显示区，七部分组成。

整个软件的功能是由菜单栏的下拉菜单完成的，整个菜单栏包括串口选择、数据采集、采用模拟数据、数据分析、数据拟合、打印、帮助、退出。

下面分别对每一菜单功能进行说明：

■串口选择

串口1：

在进行数据采集之前必须做这一步，用户可根据实际硬件的搭接情况进行选择，其中串口1在本软件指定的位置为：

3F8H（十六进制）。

串口2：

同串口1的菜单说明，只不过串口2在本软件中指定的位置为2F8H（十六进制）。

■数据采集

在进行串口选择操作后，即可进行数据采集操作，在正确采集数据操作后，在采集数据显示区可以看到所采集的数据，它包括电动机转速N（r/m）、电动机输出转矩T1（N.m）、封闭力矩T9（N.m）如果在采集过程中，出现采集不到数据，或者采集数据有错误，请重复数据采集这一步。

或者重新进行串口选择操作。

有关数据采集的实验台的使用说明请参看“帮助”下拉菜单的“实验台使用说明书”中有关实验操作部分。

■采用模拟数据

设置该项功能的目的在于，如果现场没有齿轮实验台，无法进行现场采集操作，那么就可以点击该菜单，系统将自动采用软件出品时所采集的一组数据，在采集数据显示区可以看到所采用的模拟数据，用该组数据，用户可以进行数据分析、数据拟合、打印等一系列操作。

即可以在无实验台的情况下进行软件演出。

■数据分析

数据分析的功能在于：

将采集的数据电动机转速N1（r/m）、电动机输出转矩T1（N.m）、封闭力矩T9（N.m）、进行效率的计算，并在曲线显示区显示效率η-T9、电动机输出转矩T1—T9的曲线。

如果没有进行数据采集操作或者采用模拟数据操作，系统会提示要求进行数据采集操作，没有数据，系统将不会进行数据分析操作。

■数据拟合

在这一菜单下，有“效率曲线最小二乘拟合”，“效率曲线指数方程拟合”，“T1线性拟合”三个下拉菜单，在“效率曲线最小二乘拟合”下又设有子菜单：

“二次拟合”，“三次拟合”，“四次拟合”，“高次拟合”。

在“高次拟合”中，可以输入的拟合次数为5到8次。

选择相应的拟合次数后，系统将会进行此数的拟合操作，同时在曲线显示区将会分别显示效率曲线的拟合效果，用户可以选择相应的拟合方式进行拟合，以达到偏差最小，相关系数最大的拟合效果。

在进行拟合操作以后，可以使用计算机键盘上方向键来移动光标，查看相应位置的效率数值；

■打印

点击该菜单可以进行打印操作，打印的结果是采集的数据和曲线显示区显示的曲线。

■帮助

该菜单下有下拉菜单：

“齿轮传动系统软件说明书”，“实验系统说明书”，

“关于”三项。

其中齿轮传动系统软件说明书指的本使用说明书，实验系统说明书指的是齿轮传动实验台的使用说明书，关于里有一些版本的信息。

■退出

点击该菜单可以退出本系统。

2、关于封闭功率流齿轮传动封闭力矩T9的计算公式

（1）一对外啮合齿轮的扭矩关系

一对外啮合齿轮如图1所示，T9′、T9为外加扭矩（作用于轴上）。

其正确方向应如图上所示的方向，因为这是力平衡所必须的。

由图可见：

一对外啮合齿轮，其轴上的外加平衡扭矩应是同方向的。

当轮齿啮合的齿侧面改为另一侧面时，如图2所示，两轴上扭矩也改方向，但结论仍然是两轮上的外加扭矩须是同方向的。

当一对定轴外啮合齿轮转动时，其角速度ω1、ω2肯定是相反的。

因此T9′·ω1、T9·ω2必然一正一负，这也正是一般所理解的一者为正功，一者为负功。

（2）封闭试验台悬臂挂重的计量关系

如上图所示，取试验台的浮动齿轮箱为独立体，其上除了悬臂挂重W以外，两扭轴断割处作用有扭矩T9′、T9，由于本试验台传动比为1，故T9′=T9=T根据独立体的平衡原理，外力对O2取矩，得：

五、思考题

1、简述齿轮传动与带传动的优缺点。

六、实验报告

专业班级---------姓名---------

指导老师--------日期---------

〈一〉实验目的

〈二〉实验机构及测试原理图

〈三〉实验步骤

〈四〉数据和曲线