CLS-II型齒輪傳動實驗臺指導書.doc

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CLS－II型 齒輪傳動效率測試系統(tǒng) 一、實驗目的 ClS-Ⅱ型齒輪試驗臺為小型臺式封閉功率流式齒輪試驗臺，采用懸掛式齒輪箱不停機加載方式，加載方便、操作簡單安全、耗能少。在數(shù)據(jù)處理方面，既可直接抄錄數(shù)據(jù)手工計算，也可以和計算機接口組成具有數(shù)據(jù)采集處理，結果曲線顯示，信息儲存、打印輸出等多種功能的自動化處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、機電一體化相結合等特點。 本實驗臺用于機械設計等課程的教學實驗，可以方便地完成以下實驗： 1、了解封閉功率流式齒輪試驗臺的基本原理、特點及測定齒輪傳動效率的方法。 2、通過改變載荷，測出不同載荷下的傳動效率和功率。輸出 T1-T9 關系曲線及η-T9 曲線。其中 T1 為輪系輸入扭矩（即電機輸出扭矩），T9為封閉扭矩（也即載荷扭矩）。η為齒輪傳動效率。 二、實驗系統(tǒng) 1、實驗系統(tǒng)組成 如圖 1 所示，實驗系統(tǒng)由如下設備組成： （1）CLS-Ⅱ型齒輪傳動實驗臺 （2）CLS-Ⅱ型齒輪傳動實驗儀 （3）計算機 （4）打印機 2、實驗機構主要技術參數(shù) （1）試驗齒輪模數(shù) m = 2 （2）齒數(shù) Z4 = Z3 = Z2 = Z1= 38 （3）速比 i= 1 （4）直流電機額定功率 P = 300w （5）直流電機轉速 N = 0~1100r／m（6）最大封閉扭矩 TB = 15NM （7）最大封閉功率 PB = 1.5KW （8）實驗臺尺寸 長寬高 = 900550300 （9）電源 220V交流/50Hz （10） 中心矩 A＝76mm 3、實驗臺結構 實驗臺的結構如圖 2 所示，由定軸齒輪副、懸掛齒輪箱、扭力軸、雙萬向連軸器等組成 一個封閉機械系統(tǒng)。 1、懸掛電機 2、轉矩傳感器 3、浮動連軸器 4、霍耳傳感器 5、定軸齒輪副 6、剛性連軸器 7、懸掛齒輪箱 8、砝碼 9、懸掛齒輪副 10、扭力軸 11、萬向連軸器 12、永久磁鋼 電機采用外殼懸掛結構，通過浮動連軸器和齒輪相連，與電機懸臂相連的轉矩傳感器把電機轉矩信號送入實驗臺電測箱，在數(shù)碼顯示器上直接讀出。電機轉速由霍耳傳感器 4 測出，同時送往電測箱中顯示。 4、效率計算 （1） 封閉功率流方向的確定 由圖2（b）可知，試驗臺空載時，懸臂齒輪箱的杠桿通常處于水平位置，當加上一定載荷之后（通常加載砝碼是 0.5kg 以上），懸臂齒輪箱會產(chǎn)生一定角度的翻轉，這時扭力軸將有一力矩 T9作用于齒輪 9（其方向為順時針），萬向節(jié)軸也有一力矩 T9作用于齒輪9，（其方向也順時針，如忽略摩擦，T9=T9）。當電機順時針方向以角速度ω轉動時，T9與 ω的方向相同，T9與ω方向相反，故這時齒輪 9為主動輪，齒輪 9為從動輪，同理齒輪 5為主動輪，齒輪 5 為從動輪，封閉功率流方向如圖2（a）所示，其大小為： 該功率的大小決定于加載力矩和扭力軸的轉速，而不是決定于電動機。電機提供的功率僅為封閉傳動中損耗功率，即： P1 = P9-P9η總 η為總效率，若η=95%，則電機供給的能量，其值約為封閉功率值的1/10， 是一種節(jié)能高效的試驗方法。 （2）封閉力矩 T9 的確定 由圖 2（b）可以看出，當懸掛齒輪箱杠桿加上載荷后，齒輪 9 、齒輪 9 就會產(chǎn)生扭矩，其方向都是順時針，對齒輪 9 中心取矩，得到封閉扭矩 T9：（本實驗臺 T9 是所加載荷產(chǎn)生扭矩的一半）即： 5、齒輪傳動實驗儀 實驗儀正面面板布置及背面板布置如圖 3、圖 4所示。實驗儀內部系統(tǒng)框圖參見圖 1 。 1、調零電位器 2、轉矩放大倍數(shù)電位器 3、力矩輸出接口 4、接地端子 5、轉速輸入接口 6、轉矩輸入接口 7、RS-232接口 8、電源開關 9、電源插座 如圖所示，實驗儀操作部分主要集中在儀器正面的面板上。在實驗儀的背面 備有微機 RS-232 接口，轉矩、轉速輸入接口等。 實驗儀箱體內附設有單片機，承擔檢測、數(shù)據(jù)處理、信息記憶，自動數(shù)字顯 示及傳送等功能。若通過串行接口與計算機相聯(lián)，就可由計算機對所采集數(shù)據(jù)進行自動分析處理、并能顯示及打印齒輪傳遞效率η-T9 曲線及 T1-T9 曲線和全部相關數(shù)據(jù)。 三、實驗操作步驟 1、人工記錄操作方法 （1）系統(tǒng)聯(lián)接及接通電源 齒輪實驗臺在接通電源前，應首先將電機調速旋扭逆時針轉至最低速“0速”位置，將傳感器轉矩信號輸出線及轉速信號輸出線分別插入電測箱后板和實驗臺上相應接口上，然后按電源開關接通電源。打開實驗儀后板上的電源開關，并按一下“清零鍵”。此時，輸出轉速顯示為“0”，輸出轉矩顯示數(shù)“.”，實驗系統(tǒng)處于“自動校零”狀態(tài)。校零結束后，轉矩顯示為“0”。 （2）轉矩零點及放大倍數(shù)調整 a、零點調整 在齒輪實驗臺不轉動及空載狀態(tài)下，使用萬用表接入電測箱后板力矩輸出接口 3（見圖 4）上，電壓輸出值應在 1-1.5V 范圍內，否則應調整電測箱后板上的調零電位器（若電位器帶有鎖緊螺母，則應先松開鎖緊螺母，調整后再鎖緊）。零點調整完成后按一下“清零”鍵，待轉矩顯示“0”后表示調整結束。 b、放大倍數(shù)調整 “調零”完成后，將實驗臺上的調速旋扭順時針慢慢向“高速”方向旋轉，電機起動并逐漸增速，同時觀察電測箱面板上所顯示的轉速值。當電機轉速達到1000 轉/分左右時，停止轉速調節(jié)，此時輸出轉矩顯示值應在 0.6-0.8Nm 之間，（此值為出廠時標定值），否則通過電測箱后板上的轉矩放大倍數(shù)電位器加以調節(jié)。調節(jié)電位器時，轉速與轉矩的顯示值有一段滯后時間。一般調節(jié)后待顯示器數(shù)值跳動兩次即可達到穩(wěn)定值。 （3）加載 調零及放大倍數(shù)調整結束后。為保證加載過程中機構運轉比較平穩(wěn)，建議先將電機轉速調低。一般實驗轉速調到 300-800 轉/分為宜。待實驗臺處于穩(wěn)定空載運轉后（若有較大振動，要按一下加載砝碼吊籃或適當調節(jié)一下電機轉速)，在砝碼吊籃上加上第一個砝碼。觀察輸出轉速及轉矩值，待顯示穩(wěn)定（一般加載后轉矩顯示值跳動 2-3 次即可達穩(wěn)定值）后，記錄下該組數(shù)值。 在吊籃上加上第二個法瑪，重復上述操作，直至加上八個法碼。根據(jù)所記錄下的八組數(shù)據(jù)便可作出齒輪傳動的傳動效率η-T9曲線及T1-T9曲線。 注意：在加載過程中，應始終使電機轉速基本保持在預定轉速左右。 在記錄下各組數(shù)據(jù)后，應先將電機調速至零，然后再關閉實驗臺電源。 2、與計算機接口實驗方法 1)連接 RS232 通訊線 在CLS-Ⅱ型齒輪傳動實驗臺電按箱后板上設有RS-232接口，通過所附的通訊連接線和計算機相聯(lián)，組成智能齒輪傳動實驗系統(tǒng)。如果采用多機通訊轉換器，則需要首先將多機通訊轉換器通過RS-232通訊線連接到計算機，然后用雙端插頭電話線，將CLS-Ⅱ型齒輪傳動實驗儀連接到多機通訊轉換器的任一個輸入口。 2）啟動機械教學綜合實驗系統(tǒng) 如果用戶使用多機通訊轉換器，應根據(jù)用戶計算機與多機通訊轉換器的串行接口通道，在程序界面的右上角串口選擇框中選擇合適的通道號（COM1或COM2）。根據(jù)齒輪傳動實驗在多機通訊轉換器上所接的通道口，點擊“重新配置”鍵，選擇該通道口的應用程序為齒輪傳動實驗，配置結束后，在主界面左邊的實驗項目框中，點擊該通道“齒輪傳動”鍵，此時，多機通訊轉換器的相應通道指示燈應該點亮，齒輪傳動實驗系統(tǒng)應用程序將自動啟動，如圖6所示。如果多機通訊轉換器的相應通道指示燈不亮，檢查多機通訊轉換器與計算機的通訊線是否連接正確，確認通訊的通道是否與鍵入的通訊口（COM1或COM2）一致。點擊圖 6 圖象，將出現(xiàn)如圖7的齒輪傳動實驗系統(tǒng)界面。點擊串口選擇鍵，正確選擇（COM1或COM2），并點擊數(shù)據(jù)采集鍵等待數(shù)據(jù)輸入。 如果用戶選擇的是齒輪傳動實驗臺與計算機直接連接，則在圖5主界面右上角串口選擇框中選擇相應串口號（COM1或COM2）。在主界面左邊的實驗項目框中點擊“齒輪傳動”鍵。在圖7界面中點擊串口選擇鍵，正確選擇（COM1或COM2），并點擊數(shù)據(jù)采集鍵等待數(shù)據(jù)輸入。 3）數(shù)據(jù)采集及分析 (1) 轉矩零點及放大倍數(shù)調整方法同前 (2)加載 同樣，加載前先將電機調速至500轉/分，并在加載過程中應始終使電機轉速基本保持在預定值。 a.、實驗臺處于穩(wěn)定空載狀態(tài)下，加上第一個法碼，待轉速及轉矩顯示穩(wěn)定后，按一下“加載鍵”（注：不需按“保持鍵”）第一個加載指示燈亮。加第二個法碼，顯示穩(wěn)定后再按一下“加載鍵”，第二個加載指示燈亮，第二次加載結束。如此重復操作，直至加上八個法碼，按八次“加載鍵”，八個加載指示燈亮。轉速、轉矩顯示器都顯示“8888”，表明所采數(shù)據(jù)已全部送到計算機。將電機調速至“0”，并卸下所有法碼。 b、當確認傳送數(shù)據(jù)無誤（否則再按一下“送數(shù)鍵”）后，用鼠標選擇“數(shù)據(jù)分析”功能，屏幕所顯示本次實驗的曲線和數(shù)據(jù)，如圖 8 所示。接下來就可以進行數(shù)據(jù)擬合等一系列的工作了。 如果在采集數(shù)據(jù)過程中，出現(xiàn)采不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，請檢查串口是否聯(lián)接可靠，串口號是否正確，重新采集，如果采集的數(shù)據(jù)有錯，請重新用實驗臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)，再次采集，或者重新選擇機型，建議選擇較好的機型。 (3)打印 移動功能菜單的光標至“打印”功能，打印機將打印實驗曲線和數(shù)據(jù)。 實驗結束后，用鼠標點擊“退出”菜單，即可退出齒輪實驗系統(tǒng)。退出后應及時關閉計算機及實驗臺電測箱電源。 運行環(huán)境要求： 486以上微機，32M內存或更高，windows98操作系統(tǒng)，顯示分辨率800600以上，推薦使用1024768，顯示顏色為16位真彩或更高，（如果運行環(huán)境達不到該要求，程序有可能不能正常運行?。? 四、附錄 1、齒輪實驗系統(tǒng)軟件說明 整個軟件界面由標題欄、菜單欄、采集數(shù)據(jù)顯示區(qū)、計算結果顯示區(qū)（效率）、曲線顯示區(qū)、誤差分析結果顯示區(qū)、剩余標準差 S、相關指數(shù) R*R 結果顯示區(qū)，七部分組成。整個軟件的功能是由菜單欄的下拉菜單完成的，整個菜單欄包括串口選擇、數(shù)據(jù)采集、采用模擬數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)擬合、打印、幫助、退出。 下面分別對每一菜單功能進行說明： ■串口選擇 串口1：在進行數(shù)據(jù)采集之前必須做這一步，用戶可根據(jù)實際硬件的搭接情況進行選擇，其中串口1在本軟件指定的位置為：3F8H（十六進制）。 串口2：同串口1的菜單說明，只不過串口2在本軟件中指定的位置為2F8H（十六進制）。 ■數(shù)據(jù)采集 在進行串口選擇操作后，即可進行數(shù)據(jù)采集操作，在正確采集數(shù)據(jù)操作后，在采集數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以看到所采集的數(shù)據(jù)，它包括電動機轉速 N（r/m）、電動機輸出轉矩 T1（N.m）、封閉力矩 T9（N.m）如果在采集過程中，出現(xiàn)采集不到數(shù)據(jù)，或者采集數(shù)據(jù)有錯誤，請重復數(shù)據(jù)采集這一步?；蛘咧匦逻M行串口選擇操作。 有關數(shù)據(jù)采集的實驗臺的使用說明請參看“幫助”下拉菜單的“實驗臺使用說明書”中有關實驗操作部分。 ■采用模擬數(shù)據(jù) 設置該項功能的目的在于，如果現(xiàn)場沒有齒輪實驗臺，無法進行現(xiàn)場采集操作，那么就可以點擊該菜單，系統(tǒng)將自動采用軟件出品時所采集的一組數(shù)據(jù)，在采集數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以看到所采用的模擬數(shù)據(jù)，用該組數(shù)據(jù)，用戶可以進行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)擬合、打印等一系列操作。即可以在無實驗臺的情況下進行軟件演出。 ■數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析的功能在于：將采集的數(shù)據(jù)電動機轉速 N1（r/m）、電動機輸出轉矩T1（N.m）、封閉力矩 T9（N.m）、進行效率的計算，并在曲線顯示區(qū)顯示效率η-T9、電動機輸出轉矩 T1—T9 的曲線。如果沒有進行數(shù)據(jù)采集操作或者采用模擬數(shù)據(jù)操作，系統(tǒng)會提示要求進行數(shù)據(jù)采集操作，沒有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將不會進行數(shù)據(jù)分析操作。 ■數(shù)據(jù)擬合 在這一菜單下，有“效率曲線最小二乘擬合”，“效率曲線指數(shù)方程擬合”，“T1線性擬合”三個下拉菜單，在“效率曲線最小二乘擬合”下又設有子菜單：“二次擬合”，“三次擬合”，“四次擬合”，“高次擬合”。在“高次擬合”中，可以輸入的擬合次數(shù)為 5 到 8 次。選擇相應的擬合次數(shù)后，系統(tǒng)將會進行此數(shù)的擬合操作，同時在曲線顯示區(qū)將會分別顯示效率曲線的擬合效果，用戶可以選擇相應的擬合方式進行擬合，以達到偏差最小，相關系數(shù)最大的擬合效果。在進行擬合操作以后，可以使用計算機鍵盤上方向鍵來移動光標，查看相應位置的效率數(shù)值； ■打印 點擊該菜單可以進行打印操作，打印的結果是采集的數(shù)據(jù)和曲線顯示區(qū)顯示的曲線。 ■幫助 該菜單下有下拉菜單：“齒輪傳動系統(tǒng)軟件說明書”，“實驗系統(tǒng)說明書”， “關于”三項。其中齒輪傳動系統(tǒng)軟件說明書指的本使用說明書，實驗系統(tǒng)說明書指的是齒輪傳動實驗臺的使用說明書，關于里有一些版本的信息。 ■退出 點擊該菜單可以退出本系統(tǒng)。 2、關于封閉功率流齒輪傳動封閉力矩 T9 的計算公式 （1）一對外嚙合齒輪的扭矩關系 一對外嚙合齒輪如圖1所示，T9′、T9為外加扭矩（作用于軸上）。其正確方向應如圖上所示的方向，因為這是力平衡所必須的。由圖可見：一對外嚙合齒輪，其軸上的外加平衡扭矩應是同方向的。當輪齒嚙合的齒側面改為另一側面時，如圖2所示，兩軸上扭矩也改方向，但結論仍然是兩輪上的外加扭矩須是同方向的。 當一對定軸外嚙合齒輪轉動時，其角速度ω1、ω2肯定是相反的。因此 T9′ω1、T9ω2必然一正一負，這也正是一般所理解的一者為正功，一者為負功。 （2）封閉試驗臺懸臂掛重的計量關系 如上圖所示，取試驗臺的浮動齒輪箱為獨立體，其上除了懸臂掛重W以外，兩扭軸斷割處作用有扭矩T9′、T9，由于本試驗臺傳動比為1，故T9′= T9= T根據(jù)獨立體的平衡原理，外力對O2取矩，得： 五、思考題 1、 簡述齒輪傳動與帶傳動的優(yōu)缺點。 六、實驗報告 專業(yè)班級--------- 姓名--------- 指導老師-------- 日期--------- 〈一〉 實驗目的 〈二〉 實驗機構及測試原理圖 〈三〉 實驗步驟 〈四〉 數(shù)據(jù)和曲線