機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測設(shè)計(jì)【全套圖紙】

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1、鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 1 目目 錄錄 1 緒論 .1 1.1 論文研究的背景和意義1 1.2 試驗(yàn)平臺研究的必要性.2 1.3 國內(nèi)外研究的進(jìn)展.2 1.4 試驗(yàn)臺的類型.2 1.4.1 功率流開放式試驗(yàn)臺 .3 1.4.2 電功率流封閉式試驗(yàn)臺 .3 1.4.3 機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺 .4 1.4.4 功率流方向的確定 .5 1.5 現(xiàn)有試驗(yàn)裝置的局限.5 1.6 多功能實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)內(nèi)容.6 2 試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)7 2.1 試驗(yàn)臺的總體要求.7 2.2 試驗(yàn)臺的功能分析與定位.8 2.3 改造方案對比.8 2.3.1 方案一 .8 2.3.2 方案二 .9 2

2、.3.3 方案三 .9 2.4 中心距的設(shè)計(jì).10 2.4.1 中心距的設(shè)計(jì)10 2.4.2 理想的中心距10 3 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 11 3.1 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 11 3.1.1 材料的選擇 11 3.1.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 14 3.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算.14 3.2.1 軸的材料選擇 .14 3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .14 3.2.3 按許用彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算 .15 3.2.4 按軸的疲勞強(qiáng)度安全因素校核 .17 3.3 滾動軸承的選擇與壽命計(jì)算.18 3.4 聯(lián)軸器的選擇 19 3.4.1 彈性聯(lián)軸器 19 3.4.2 聯(lián)軸器的選擇 20 4 傳感器的選擇 21 4.1 傳感

3、器 21 4.2 傳感器的分類 22 4.2.1 根據(jù)傳感器工作原理 .22 4.2.2 按其用途 .22 4.3 傳感器的選用 23 4.4 STY 扭矩傳感器的基本原理.24 4.5 STY系列扭矩傳感器技術(shù)性能指標(biāo)24 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 2 4.6 STY扭矩傳感器安裝使用25 4.7 使用特別注意事項(xiàng).26 5 數(shù)據(jù)采集與處理27 5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu).27 5.2 效率的計(jì)算的原理.27 6 螺旋滾珠式機(jī)械加載器 28 6.1 加載器結(jié)構(gòu)原理 28 6.2 螺旋滾珠式機(jī)械加載器的特點(diǎn) 29 7 實(shí)驗(yàn)測量30 7.1 測量系統(tǒng)簡介及試驗(yàn)檢測.30 7.2 控制和測

4、量 30 7.3 計(jì)算機(jī)參與全程控制專用的測量和數(shù)據(jù)處理軟件 31 7.3.1 軟件功能簡介 31 7.3.2 使用環(huán)境 31 7.4 設(shè)備運(yùn)行；設(shè)備，環(huán)境參數(shù)的設(shè)置 31 7.4.1 系統(tǒng)所用通訊端口的設(shè)置和所用的設(shè)備設(shè)置 31 7.5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 33 7.6 測量與控制.33 7.7 程序控制.34 7.8 數(shù)據(jù)處理.34 7.9 曲線擬合.35 8 結(jié)論36 參考文獻(xiàn)37 致謝38 附錄 39 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 摘摘 要：要：機(jī)械傳動試驗(yàn)臺是用試驗(yàn)的方法研究機(jī)械傳動的各種失效形式并測定其 承載能力、傳動效率及有關(guān)性能的基本手段，長期以來我國的傳動試驗(yàn)臺

5、的研制基 本上還停留在傳統(tǒng)的人工方式水平上。這些試驗(yàn)臺都存在一個共同的缺點(diǎn)：自動化 程度低，無法模擬實(shí)際工況對各種機(jī)械傳動產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程的監(jiān)控及試驗(yàn) 數(shù)據(jù)的采集和處理都較麻煩且準(zhǔn)確性低。近些年來的研究取得一些進(jìn)步，但目前的 絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)臺還只能進(jìn)行恒定載荷加載或簡單的程序控制階梯加載，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 現(xiàn)場測試依然有較大的差距。 本文提出改進(jìn)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)室的齒輪試驗(yàn)臺的方案，在成本不高的情況下，增 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 3 加其測試功能-可以測量聯(lián)軸器，離合器，帶傳動的效率和壽命，使其成為一臺多 功能機(jī)械傳動試驗(yàn)臺。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動；齒輪；聯(lián)軸器；扭矩傳感器 扭

6、矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 4 The Transformation of Torque Test Rig and Torque Measurement Abstract: Mechanical transmission experiment platform is a basic device for the study of some types of mechanical failure,the transmission efficiency, and the related performance of mechanical transmission and the measuremen

7、t of the load ability. In our country, the ability of studying and designing mechanical transmission experiment platform is still at such stage that the experimental device is operated manually, leaving some common shortcomings among those platforms,such as low-automation because they cant simulate

8、real working environment accurately during testing the mechanical products, and the accuracy of acquiring data is low. Although a number of achievements have been made in recently years, these platforms can just perform with invariant load or with simple skip load. There is a big gap between experim

9、ents and real working environment. This paper presents improved mechanical principle of the laboratory test gear program,the costs are law in the circumstances, increase its test function can be measured coupling clutch, belt drive efficiency and lifespan, as a multifunctional mechanical transmissio

10、n test. Key word: Mechanical Transmission;Gear;Coupling;Torque sensor 1 緒論 1.1 課題來源與意義 人類為了生存的需要，創(chuàng)造了各種各樣的機(jī)械以達(dá)到減輕體力勞動和提高生產(chǎn) 率的目的。隨著社會的進(jìn)步，機(jī)械已從最初的簡單工具發(fā)展到現(xiàn)在的多功能、結(jié)構(gòu) 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 5 復(fù)雜的現(xiàn)代化系統(tǒng)。 中小功率的機(jī)械傳動產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用。這一類產(chǎn)品的主要功能和目的是將 其它形式的能量轉(zhuǎn)化為可以直接利用的形式，同時(shí)實(shí)施規(guī)定的運(yùn)動，完成相應(yīng)的工 作。而所有這些功能和目的都必須通過機(jī)械傳動裝置來完成，因而，機(jī)械傳動裝置

11、 在其中擔(dān)任著重要的角色。從某種意義上說，機(jī)械傳動裝置性能的好壞決定了機(jī)械 傳動的綜合性能。 通常一種新的機(jī)械產(chǎn)品從誕生到使用要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、試制、定型、大規(guī)模生產(chǎn)、 銷售等環(huán)節(jié)。上述各環(huán)節(jié)無不滲透著對產(chǎn)品優(yōu)異性能和可靠質(zhì)量的不懈追求。而對 機(jī)械傳動裝置的測試和實(shí)驗(yàn)包括性能測試(如效率、功率、噪聲、振動等特性)、運(yùn) 行監(jiān)測、故障診斷等，是完善一切機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造的手段和方法以及評價(jià)設(shè) 備性能優(yōu)劣等不可或缺的重要內(nèi)容，也是設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。 因此，針對機(jī)械傳動綜合性能測試的研究已成為現(xiàn)代測試技術(shù)的一個重要研究 方向。構(gòu)建機(jī)械傳動綜合測試系統(tǒng)同樣對機(jī)械傳動設(shè)備的開發(fā)和研究具有重要理論

12、價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。齒輪是各種機(jī)器上必不可少的傳動零件，對齒輪的各種性 能進(jìn) 行測定是保證齒輪可靠使用的必經(jīng)之路。目前，大部分齒輪試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)只是針對某 一種特定的輪副，雖然專用性對于實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)成本帶來一定有利因素， 但功能的單一性制約了設(shè)備的使用效率。在此基礎(chǔ)上，開展多功能組合實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì) 是改進(jìn)原有齒輪試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的一條十分必要而有效的途徑多功能組合實(shí)驗(yàn)臺能按照 機(jī)器零件的工作能力和可靠性的基本準(zhǔn)則進(jìn)行精度，摩擦損失，強(qiáng)度，剛度，耐熱 性和抗震性等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在保證評定試驗(yàn)的精度和結(jié)果可靠的前提下，達(dá)到快速、 簡便可靠的效果。 機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)室的齒輪試驗(yàn)臺是雙慶公司90年代購進(jìn)的一臺專利設(shè)備，

13、該試驗(yàn) 臺的功能是測量齒輪的效率和壽命，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有一套封閉加載系統(tǒng)，具有 明顯的節(jié)能效果，但是由于其功能單一，不能滿足現(xiàn)代測試的要求，為了節(jié)約資金， 利用其優(yōu)點(diǎn)，所以對試驗(yàn)臺做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，增加測量帶傳動，聯(lián)軸器，離合器或其 他的傳動件的效率和壽命的功能，使其成為真正的多功能機(jī)械傳動實(shí)驗(yàn)臺。 1.2 試驗(yàn)平臺研究的必要性 隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和科研水平的不斷提高，對機(jī)械傳動產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)與檢測手 段不斷提出了更高的要求。傳動試驗(yàn)臺是用試驗(yàn)的方法研究機(jī)械傳動的各種失效形 式并測定其承載能力、傳動效率及有關(guān)性能的基本手段，長期以來我國的傳動試驗(yàn) 臺的研制基本上還停留在傳統(tǒng)的人工方式水平上，主要類型

14、為以機(jī)械力或液壓力加 載的機(jī)械功率流開放式試驗(yàn)臺，機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺和用發(fā)電機(jī)作負(fù)載的電功 率封閉式試驗(yàn)臺。這些試驗(yàn)臺或由于節(jié)能或由于加載方面各具特色，但都存在一個 共同的缺點(diǎn)-自動化程度低，很難按事先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過程進(jìn)行驗(yàn)，無法模擬實(shí)際 工況對各種機(jī)械傳動產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況總免有相當(dāng)距離，傳 動試驗(yàn)平臺大多采用人工操縱方式，試驗(yàn)過程的監(jiān)控及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理都較 麻煩且準(zhǔn)確性低，不易實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動控制和失效判定。 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 6 1.3 國內(nèi)外研究的進(jìn)展 隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和科研水平的不斷提高，對機(jī)械傳動產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)與檢測手 段不斷提出了更高的要求。目前國

15、內(nèi)普遍采用的是實(shí)驗(yàn)室臺架模擬實(shí)驗(yàn)臺。將現(xiàn)場 試驗(yàn)移至實(shí)驗(yàn)室臺架上加以復(fù)現(xiàn)，采用模擬加載保持著負(fù)荷作用的某種隨機(jī)性，使 同一隨機(jī)過程可多次復(fù)現(xiàn)。因此可使不同的機(jī)器可以經(jīng)受完全同一的隨機(jī)作用。這 無疑將有助于改善試驗(yàn)結(jié)果的可比性。 國內(nèi)在相似實(shí)驗(yàn)室臺架模擬實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)開發(fā)了齒輪傳動與控制實(shí)驗(yàn)臺。實(shí)驗(yàn) 臺最大特點(diǎn)是采用電液比例控制全液壓傳動、制動、加載系統(tǒng)，并由LABVIEW測控 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)為履帶式實(shí)驗(yàn)臺，由發(fā)動 機(jī)經(jīng)傳動系驅(qū)動輪胎在履帶上滾動，研究發(fā)動機(jī)+液壓系統(tǒng)這一負(fù)荷驅(qū)動系統(tǒng)在動 態(tài)負(fù)荷下的性能反映。長期以來，我國的傳動試驗(yàn)臺的研制基本上還停留在傳統(tǒng)的

16、人工方式水平上，主要類型為以機(jī)械力或液壓力的機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺和用發(fā) 電機(jī)作負(fù)載的電功率封閉試驗(yàn)臺。這些試驗(yàn)臺或由于節(jié)能或由于加載方面而各具特 色，都存在一個共同的缺點(diǎn)，但自動化程度低，很難按事先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過程進(jìn)行試 驗(yàn)，無法模擬實(shí)際工況對各種機(jī)械傳動產(chǎn)品的影響，因此試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況總難 免有相當(dāng)距離，這在很大程度上影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)對機(jī)械傳動產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的直 接指導(dǎo)作用。因此多年來，人們對它所下的功夫很多。甚至很大程度上可以認(rèn)為， 數(shù)十年來機(jī)械閉式試驗(yàn)臺的發(fā)展其實(shí)質(zhì)就是加載器的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今國內(nèi)外經(jīng) 使用證實(shí)行之有效的加載器多達(dá)數(shù)十種。適用的加載器種類雖然多，但是按動力學(xué) 原理可將

17、加載器分為三大類：簡式加載器；支反力式加載器；力矩式加載器。傳動 試驗(yàn)平臺大多采用人工操縱方式，試驗(yàn)過程的監(jiān)控及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理都較麻 煩且準(zhǔn)確性低，不易實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動控制和失效判定。因此國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者一直致 力于在實(shí)驗(yàn)室模擬機(jī)械傳動產(chǎn)品的實(shí)際工況進(jìn)行機(jī)械傳動產(chǎn)品的壽命和性能試驗(yàn)。 比如自1989年以來，德國大眾公司、美國GM公司和斯太爾公司都在研制能模擬汽車 行駛工況的傳動系綜合實(shí)驗(yàn)臺，日本也有人在從事有直流電機(jī)模擬發(fā)電機(jī)載荷的研 究并申請了專利。國內(nèi)目前這方面的研究正處于起步階段，從事這方面研究的局限 于高等院校，如重慶大學(xué)，重慶工學(xué)院等相繼建立了機(jī)械傳動試驗(yàn)臺。目前絕大多 數(shù)實(shí)驗(yàn)臺只

18、能進(jìn)行恒定載荷加載或簡單的程序控制階梯加載，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場測試 依然有較大的差距。 1.4 試驗(yàn)臺類型 根據(jù)試驗(yàn)臺的功率的傳遞原理和加載方法的不同，試驗(yàn)臺可分為開放功率流式、 封閉功率流式和電功率流封閉式三大類。 1.4.11.4.1 功率流開放式試驗(yàn)臺功率流開放式試驗(yàn)臺 這類試驗(yàn)臺和一般機(jī)器相似，由三部分組成，只是把一般機(jī)器的工作部分由一 個耗能負(fù)載裝置代替。因此，該類試驗(yàn)臺設(shè)備通常由原動機(jī)、齒輪裝置和耗能負(fù)載 三部分組成。所謂開放功率流，就是齒輪傳動所傳遞的功率由電動機(jī)傳來，經(jīng)過齒 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 7 輪傳動和試驗(yàn)裝置中的所有傳動件，最后傳到耗能裝置，即加載裝置。

19、如圖1-1所 示，電動機(jī)，被試驗(yàn)的齒輪裝置，機(jī)械制動器耗能裝置，功率流不能傳回電動機(jī)， 很顯然，其功率流只是由電動機(jī)流向耗能負(fù)載裝置，功率流動方向不是一個封閉回 路，而是開放的。 圖1-1 功率流開放式試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖 開放功率流式就是借助耗能裝置給齒輪傳動加載。耗能裝置所消耗的全部能量， 以及試驗(yàn)臺各運(yùn)動鏈環(huán)的摩擦損失，都由電動機(jī)供給。開放功率流式試驗(yàn)臺與一般 的機(jī)械類似，只是最后工作機(jī)部分由一個簡單的耗能裝置代替。為了保證試驗(yàn)?zāi)軌?正常進(jìn)行，耗能裝置應(yīng)該滿足下列基本要求: a) 保證載荷穩(wěn)定，并且能平穩(wěn)地加載和改變載荷； b) 有足夠的設(shè)施能保證能量的有效吸收和散發(fā)，絕大部分的耗能裝置 ，都是

20、 把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)出去，因此要有足夠有效的冷卻設(shè)備。 1.4.21.4.2 電功率流封閉式試驗(yàn)臺電功率流封閉式試驗(yàn)臺 根據(jù)使用電機(jī)的不同，電功率流封閉式試驗(yàn)臺分為直流電機(jī)式、交流 異步電機(jī)式和交流整流子電機(jī)。直流電機(jī)式電封閉試驗(yàn)臺工作原理如圖1-2 圖1-2 直流電機(jī)式電封閉試驗(yàn)臺工作原理圖 圖為典型的直流電機(jī)式電封閉齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的工作原理圖。試驗(yàn)機(jī)把兩臺同型號 的他激式直流電機(jī)1， 4同時(shí)并接于電源，并用試驗(yàn)齒輪箱(通常為減速傳動）和陪 試齒輪箱(通常為增速傳動)聯(lián)接起來。電機(jī)啟動后，這兩臺電機(jī)均為電動機(jī)運(yùn)行， 即空載(零扭矩)啟動，整個系統(tǒng)不傳遞功率。如將電機(jī)上的磁場強(qiáng)度減弱提高其

21、轉(zhuǎn) 速，并增強(qiáng)電機(jī)4的磁場強(qiáng)度，這時(shí)，電機(jī)1就迫使電動機(jī)4超過其本身的轉(zhuǎn)速而進(jìn) 入發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，電機(jī)4輸出電功率，同時(shí)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生阻力矩，使試驗(yàn)傳動件 受載。由于電機(jī)4發(fā)出的電功率的極性與電源一致，所以能反饋給電源線路。這樣， 兩臺電機(jī)互為能源又互為負(fù)載而組成了電功率流封閉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。試驗(yàn) 臺加 載扭矩大小的控制是通過調(diào)節(jié)兩臺電機(jī)激磁電流的大小來實(shí)現(xiàn)的。即在某一 轉(zhuǎn)速下，通過改變發(fā)電機(jī)4和電動機(jī)1的激磁電流的差值，可以改變發(fā)電機(jī)4的輸出 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 8 功率，控制其加載扭矩的大小。激磁電流差值越大，加載扭矩也越大。試驗(yàn)臺可采 用可控硅整流調(diào)速，并采用程序定值控制器，

22、使試驗(yàn)機(jī)能實(shí)現(xiàn)無級變速和無級變載， 從而可實(shí)現(xiàn)多階載荷譜的程序疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，這是該試驗(yàn)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn) 是:電器功率必須大于試驗(yàn)試件所需的功率，電器調(diào)試要求高，投資較大。因此， 這種試驗(yàn)機(jī)比較適用于中小功率的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。 交流異步電機(jī)式和交流整流子電機(jī)式是把上述直流電機(jī)式電封閉試驗(yàn)臺兩臺直 流電機(jī)改為兩臺交流異步電機(jī)或兩臺交流整流子電動機(jī)而成的。下面就交流整流子 電機(jī)式作一說明。 三相交流整流子電動機(jī)是在轉(zhuǎn)子的鐵芯上嵌著兩個繞組:一個是普通的三相交 流繞組，另一個是調(diào)節(jié)繞組。調(diào)節(jié)繞組和直流電機(jī)一樣，每個線圈都接到換向器上， 在換向器的表面放著兩套可以作相反方向移動的電刷轉(zhuǎn)盤。在定子鐵芯

23、上有一套普 通的多相繞組，由旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)出電機(jī)的次級電勢。而每相次級繞組的兩端分別接 到換向器端、兩塊電刷轉(zhuǎn)盤的相應(yīng)電刷支桿上。當(dāng)兩塊轉(zhuǎn)盤上的同相電刷移開一個 角度時(shí)，相同電刷間產(chǎn)生感應(yīng)電勢;如果這個感應(yīng)電勢和次級繞組的電勢方向相反， 則電極的轉(zhuǎn)速降低，在同步轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行;如果這個感應(yīng)電勢和次級繞組電勢的方 向相同，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，在同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行。因此，只要改變同相電刷在電 刷轉(zhuǎn)盤上的位置，就可以控制和改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在運(yùn)行過程中，只要減慢電機(jī)1 的轉(zhuǎn)速，就能使電機(jī)工成為電動機(jī)，而電機(jī)4成為加載發(fā)電機(jī)。加載發(fā)電機(jī)4也同樣 使試驗(yàn)齒輪受載，同時(shí)發(fā)出的電功率回饋電網(wǎng)，從而形成了電封閉系統(tǒng)，以

24、達(dá)到節(jié) 能的目的。 采用這種試驗(yàn)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速和加載方便，可進(jìn)行載荷譜模 擬試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，電氣線路也不復(fù)雜，所用零部件均可外購，制造周期短， 很適用于工廠的跑合試驗(yàn)。 1.4.31.4.3 機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺 圖1-4 機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺 械封閉功率流齒輪試驗(yàn)的總體方案設(shè)計(jì)如圖1-4所示。試驗(yàn)臺由電動機(jī)、陪試 齒輪箱、被試齒輪箱，加載裝置，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器五大部分組成，所有試驗(yàn)臺零部 件都安裝在工作臺上。在設(shè)計(jì)中采用兩個相同的被試齒輪，一個減速，一個增速， 且速比相同。當(dāng)被測對象的中心距不同時(shí)，改變的僅僅是兩個被試齒輪箱的中心距， 而對于整個試

25、驗(yàn)臺的傳動路線不會產(chǎn)生影響。這種加載方法具有簡單可靠，操作方 便，可在動態(tài)情況下反向加載，加載范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 9 1.4.41.4.4 功率流方向的確定功率流方向的確定 機(jī)械封閉功率流試驗(yàn)臺的功率流的方向，取決于加載器加載力矩的方向和電動 機(jī)的轉(zhuǎn)向(方向總是從主動流向從動)圖為未安裝被試件時(shí)陪試齒輪箱傳動的功率流 方向圖，當(dāng)按圖1-5方向加扭矩了1 ，且電動機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)閚時(shí)，則有： a) 給輪5的力與輪5在回轉(zhuǎn)方向相同，為輸入功； b) 輪2給輪5的力與輪5的回轉(zhuǎn)方向相反，為阻抗功； c) 輪5給輪2的力與輪2的回轉(zhuǎn)方向相同，為輸入功； d) 輪6給輪3

26、的力與輪3的回轉(zhuǎn)方向相反，為阻抗功； e) 輪3給輪6的力與輪6的回轉(zhuǎn)方向相同，為輸入功； f) 輪4給輪6的力與輪6的回轉(zhuǎn)方向相反，為阻抗功； g) 輪6給輪4的力與輪4的回轉(zhuǎn)方向相同，為輸入功。 圖1-5 功率流的方向圖 1.5 現(xiàn)有試驗(yàn)裝置的局限 開放式試驗(yàn)臺加載后，所需功率全部消耗在加載中，損失功率大。它只適合用 于小功率短期工作的齒輪試驗(yàn)裝置，但由于其結(jié)構(gòu)簡單，目前仍有單位使用，其結(jié) 構(gòu)原理如圖1-1所示。閉齒輪試驗(yàn)臺分為電封閉式與機(jī)械封閉式兩大類。電封閉試 驗(yàn)臺，由電動機(jī)帶動試驗(yàn)齒輪箱，再帶動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的電動機(jī) 試驗(yàn)齒輪箱加 載裝置如圖1-6 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 10

27、圖1-6 變速箱背靠背性能、效率試驗(yàn)布置圖 封閉式試驗(yàn)裝置發(fā)出的電能又回到電動機(jī)中去，形成封閉系統(tǒng)。它可以節(jié)約 50的電能，但是電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率至少與試驗(yàn)齒輪箱的功率相等，因此，電 封閉試驗(yàn)臺也不適用大功率試驗(yàn)裝置。適用大功率試驗(yàn)裝置的是機(jī)械封閉試驗(yàn)臺， 通過兩個相同的試驗(yàn)箱，中間的加載裝置加載。封閉功率流式試驗(yàn)臺較制動式試驗(yàn) 有著明顯的優(yōu)越性。 1.6 多功能試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)內(nèi)容 針對試驗(yàn)室試驗(yàn)臺的具體情況的考慮，為了降低成本，不在移動試驗(yàn)臺的位置， 因此試驗(yàn)臺的底板和電動機(jī)不在重新設(shè)計(jì)選擇，與指導(dǎo)老師商討論證，將齒輪箱作 為一個模塊進(jìn)行試驗(yàn)，在增加聯(lián)軸器離合器的測試，本設(shè)計(jì)的要求

28、如下： a) 試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)和工作原理探討 b) 增加試驗(yàn)臺的測試功能 c) 選擇新的傳感器 d) 關(guān)鍵零件的功能分析及剛度，強(qiáng)度校核 e) 中心距的設(shè)計(jì)與探討 2 多功能試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì) 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 11 2.1 試驗(yàn)臺的總體要求 無論是傳動試驗(yàn)或試驗(yàn)室中未知因素的探索試驗(yàn)，已知因素的驗(yàn)證試驗(yàn)，都應(yīng) 該使試驗(yàn)條件與傳動的實(shí)際工作條件一致，而工作條件中主要是載荷和速度。因此 試驗(yàn)若是在規(guī)定的載荷和速度下，傳動件像工作時(shí)那樣轉(zhuǎn)動，即在運(yùn)轉(zhuǎn)情況下試驗(yàn) 則最符合實(shí)際。 傳動運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)就是在所要求的轉(zhuǎn)速下，加上規(guī)定的試驗(yàn)載荷運(yùn)轉(zhuǎn)，所以加載裝 置是試驗(yàn)臺的重要組成部分。加載

29、裝置不同，試驗(yàn)臺的性能也不同，試驗(yàn)臺的準(zhǔn)確 度、適用性和動力消耗等等也就不同。試驗(yàn)臺應(yīng)該滿足下面的主要要求: a) 能研究和試驗(yàn)比較多的影響因素，能適應(yīng)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，盡可能做到一 機(jī)多能； b) 要有適宜的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)臺的載荷、速度和各種測量應(yīng)有足夠的準(zhǔn)確度。 準(zhǔn)確度應(yīng)與試驗(yàn)?zāi)康南噙m應(yīng)，脫離實(shí)際的過高的準(zhǔn)確度也是不合適的: c) 要盡量符合試驗(yàn)齒輪的實(shí)際工作情況，真實(shí)性好； d) 要有足夠的強(qiáng)度和剛度，使用性能好； e) 要節(jié)省人力物力經(jīng)濟(jì)性好。試驗(yàn)臺的成本應(yīng)在滿足試驗(yàn)要求下盡量降低。 試件的拆換，各個參數(shù)的測量、試驗(yàn)臺的維護(hù)等等要省力方便 ，且節(jié)約動力消耗。 試驗(yàn)臺的加載裝置應(yīng)該滿足下列要

30、求： a) 能夠可靠地加上規(guī)定的試驗(yàn)載荷，且有足夠的準(zhǔn)確性； b) 能保證試驗(yàn)臺在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，載荷不受外來因素的影響； c) 在試驗(yàn)臺啟動前和停車后齒輪傳動應(yīng)不受載荷作用，因?yàn)閷?shí)際齒輪傳動有 在傳動才受載，若齒輪傳動運(yùn)轉(zhuǎn)前受載，則試驗(yàn)結(jié)果就要有較大誤差； d) 需要時(shí)應(yīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能方便地按一定規(guī)律改變試驗(yàn)載荷的數(shù)值和方向 ； e) 加載裝置容易制造、安裝和調(diào)整。 試驗(yàn)臺的控制裝置應(yīng)滿足下面要求： a) 能夠在線實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)速、負(fù)載的變化，響應(yīng)速度快； b) 控制精度高，模擬實(shí)際工況能力強(qiáng)； c) 抗干擾能力強(qiáng)； d) 操作簡單。 試驗(yàn)臺對數(shù)據(jù)的采集與處理應(yīng)滿足以下幾個條件: a) 采樣精度高，

31、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確； b) 采樣范圍寬，能實(shí)現(xiàn)不同頻率下的采樣； c) 自動處理分析數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果； d) 操作方便，易于控制。 上述的有關(guān)試驗(yàn)臺加載裝置、控制裝置、數(shù)據(jù)采集處理裝置的要求，對每一臺 試驗(yàn)臺不易全部滿足。這就要求在設(shè)計(jì)齒輪試驗(yàn)臺時(shí)進(jìn)行充分地調(diào)查研究，結(jié)合試 驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件，具體情況具體對待，對各種方案進(jìn)行分析比較之后，確定出合理的 試驗(yàn)臺方案。 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 12 2.2 試驗(yàn)臺的功能分析與定位 本試驗(yàn)臺的原來功能只是對進(jìn)行效率壽命的測試，作為改進(jìn)裝置，主要是改變 其功能的單一，增加功能.使其可以對離合器，聯(lián)軸器，V帶，鏈等傳動件也可以測 試，因此，將齒輪箱作為模塊進(jìn)行測

32、試，并在增加聯(lián)軸器，離合器的試原理如圖2- 1 圖2-1 離合器的試驗(yàn)臺原理圖 直流電動機(jī)傳出扭矩由扭矩傳感1采集信號輸入計(jì)算機(jī)， 扭矩傳到齒輪箱1，再傳 到機(jī)械加載器，傳到齒輪箱2，傳到傳感器2，由傳感器2采集信號到計(jì)算機(jī)，則由 傳感器12可以測量齒輪箱的效率和壽命，然后扭矩傳到被測試的離合器或聯(lián)軸器， 傳到傳感器3，而傳感器23的信號可以測量它們之間的傳動件的效率和壽命。扭矩 傳到齒輪箱，傳回到電動機(jī)，這就是封閉系統(tǒng)。 2.3 改造方案對比 2.3.12.3.1 方案一方案一 在電動機(jī)與第一個齒輪箱之間加聯(lián)軸器，離合器等傳動件，其原理如圖2-2 圖2-2 方案一原理圖 缺點(diǎn)：根據(jù)現(xiàn)場的測繪

33、情況可知電動機(jī)到齒輪箱空間太小很難安裝兩個傳感器 及測試件。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 13 優(yōu)點(diǎn)：齒輪箱位置不再移動和更改。 2.3.22.3.2 方案二方案二 如圖所示為在電動機(jī)與齒輪箱之間加鏈條或帶傳動的測試件。 缺點(diǎn)：根據(jù)現(xiàn)場的測繪情況可知傳動臺的寬度為630mm，可以測量的寬度很有 限，這也是本試驗(yàn)臺底座的缺點(diǎn)。 優(yōu)點(diǎn)：齒輪箱位置不再移動和更改。 圖2-3 方案二原理圖 2.3.32.3.3 方案三方案三 如圖2-4所示，本方案將兩個相同齒輪箱作為模塊，而且齒輪箱中的齒輪也一 樣。在試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試，并在兩個齒輪箱之間加被測試的離合器或聯(lián)軸器，根據(jù) 現(xiàn)場的測試知兩個齒

34、輪箱之間的空間比較大，比較合適一些傳動件的測試。 圖2-4 方案三原理圖 本試驗(yàn)臺的優(yōu)點(diǎn)分析： 封閉功率試驗(yàn)臺在機(jī)械制造教學(xué)，科研中得到廣泛的應(yīng)用，他的最大的優(yōu)點(diǎn)是 用少的能耗進(jìn)行大功率的試驗(yàn)，例如進(jìn)行100KW變速器試驗(yàn)只需1.0KW的電機(jī)在目前 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 14 能源緊缺的情況下，封閉式試驗(yàn)臺的優(yōu)點(diǎn)就顯得尤為突出了。 封閉式試驗(yàn)中的一個關(guān)鍵部位是加載器。一般加載器有：液壓加載，電封閉加 載，機(jī)械式加載等，前兩種投資大，結(jié)構(gòu)龐大。如液壓加載，必須要有專門的高壓 油泵站，各種閥，管道，回轉(zhuǎn)油缸等。大功率試驗(yàn)還要求更大的油泵站，因此投資 很大。所以在很多場合采用機(jī)械加載簡單投資少

35、，這項(xiàng)設(shè)計(jì)就是其加載器-螺旋滾 珠式加載器，它可以在不停機(jī)的情況下加載。因此方案三最為合理。 2.4 中心距的設(shè)計(jì) 2.4.12.4.1 中心距的設(shè)計(jì)中心距的設(shè)計(jì) 如圖2-5所示，由于本試驗(yàn)臺是改進(jìn)設(shè)計(jì)，考慮成本及試驗(yàn)臺不再移動，并且 底座是鑄鐵材料，及其形狀的限制，所以只好將原來的底座改進(jìn)，即在底座上鉆一 系列的孔，被試驗(yàn)的齒輪箱中心距應(yīng)該按照設(shè)計(jì)的孔的地距離而定。 圖2-5 中心距設(shè)計(jì)圖 2.4.22.4.2 理想的中心距理想的中心距 如圖2-6所示，理想的中心距是將底座做成T型槽，中心距的問題可以很好的解 決。 圖2-6 中心距調(diào)整圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 15 3

36、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 已知的參數(shù)電動機(jī)功率P=4KW最高轉(zhuǎn)速n=3000r/min，最大封閉扭矩 T=400。mN 3.1.13.1.1 材料的選擇材料的選擇 由實(shí)驗(yàn)臺的要求可以知道，兩個齒輪箱完全一樣，因此所設(shè)計(jì)的次輪完全一樣， 取材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS齒數(shù)選擇=67。 12 ZZ 3.1.23.1.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由文獻(xiàn)1設(shè)計(jì)計(jì)算9公式(10-9a)進(jìn)行計(jì)算，即 （3-1） 2 3 1 1 2.32.() tE t dH K TZu d u A. 確定公式中的參數(shù) a) 選擇載荷系數(shù)1.3 t K b) 計(jì)算齒輪的轉(zhuǎn)矩=

37、400 T 3 10mmN c) 由文獻(xiàn)2 9-42 得=0.2 d d) 由文獻(xiàn)1表10-6 =189.8 E ZMPa e) 由文獻(xiàn)1圖10-21d的齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550 limH MPa f) 由文獻(xiàn)1式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60njLh=60 3000 1(2 8 300 15) = 次 10 10296 . 1 g)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效率為1%，安全系S=1，由文獻(xiàn)1式(10-12) = =0.9 600=540 H limHNH K S MPa B. 計(jì)算 a) 計(jì)算齒輪分度圓直徑 3 3 2 21.558 400 102.6.6621 3755.9 0

38、.0164 0.4 676750 A FEA K F mK F b = =200.182mm （3- 2 4 3 1.3 400 10189.8 2 1540 2） b) 計(jì)算圓周速度v 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 16 v=10.476m/s （3- 3 3 1 1.648 10 1.3 VAtAt K K FKdd 3.14 200.182 1000 60 1000 3） c) 計(jì)算齒寬b b=0.2 200.182=53.51 d 1t d d) 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù)m=200.182/67=2.988 1t d z 齒高h(yuǎn)=2.25m=6.732 b/h=7.427 e)

39、計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=2.8m/s動載荷系數(shù)=1.12； V K 直齒輪，假設(shè)/b，該軸的截面D疲勞強(qiáng)度足夠。 P S P S 3.3 滾動軸承的選擇與壽命計(jì)算 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)載荷方向知，受軸向載荷，所以可以選擇深溝球軸承， 初步選擇滾動軸承：6213 對于具有基本額定動載荷C的軸承，當(dāng)它所受的當(dāng)量動載 荷為P時(shí)，其壽命計(jì)算公式為 （3-17）年25.126993.107288) 640 . 1 44 ( 300060 10 )( 60 10 3 66 h P C n Lh 式中：的單位為 h Lh -是基本額定動載荷，單位為可kN，查文獻(xiàn)3可知C=44kNC -為指數(shù)，對于滾子軸承，

40、對于球軸承，10/33 -是軸的轉(zhuǎn)速，=3000nn/minr -是當(dāng)量動載荷P ra PXFYF 單位為，式中是軸向載荷，是徑向載荷。kN a F r F 其中的徑向載荷即為由外界作用到軸上的徑向力在各軸承上的徑向載荷； r F 但其中的軸向載荷并不完全由外界的軸向作用力產(chǎn)生，而是應(yīng)該根據(jù)整個軸 a F ae F 向載荷（包括因徑向載荷產(chǎn)生的派生軸向力）之間的平衡條件得出，而由題 r F d F 意知深溝球軸承只承受徑向載荷X=1，Y=0，即1367.02N。實(shí)際中，在許多支撐 r F 中還會出現(xiàn)一些附加載荷，如沖擊力，不平衡作用力，慣性力，以及軸撓曲或軸承 座變形產(chǎn)生的附加力等等，因此可對

41、當(dāng)量動載荷乘勝一個根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系數(shù) ，有文獻(xiàn)1表13-6查得=1.2 所以P=1640.424N=1.64kN,滿足設(shè)計(jì)要 p f p f p f r F 求。 3.4 聯(lián)軸器的選擇 3.4.13.4.1 彈性聯(lián)軸器彈性聯(lián)軸器 A. 概述 彈性聯(lián)軸器除了能補(bǔ)償兩軸相對位移，降低對聯(lián)軸器安裝的精確對中要求外， 更重要的是能夠緩和沖擊，改變軸系的自振頻率，避免發(fā)生嚴(yán)重的危險(xiǎn)性振動。 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 24 彈性聯(lián)軸器利用彈性元件的彈性變形來補(bǔ)償兩軸相對位移，因而可動元件之間 的間隙小，特別適宜于需要經(jīng)常起動或逆轉(zhuǎn)的傳動。 對彈性聯(lián)軸器的要求有： a) 強(qiáng)度高，承載能力大，在有可能發(fā)

42、生扭振或存在瞬時(shí)尖峰載荷的場合，要 求聯(lián)軸器的許用瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為許用長期轉(zhuǎn)矩的三倍以上。 b) 彈性高，阻尼大，具有足夠的減震能力，把沖擊和振動產(chǎn)生的振幅降低到 允許的范圍以內(nèi)。 c) 具有足夠的補(bǔ)償能力，滿足安裝和工作時(shí)兩軸發(fā)生相對位移的需要。 d) 工作可靠，性能穩(wěn)定。 e) 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，裝拆方便，維護(hù)容易，價(jià)格低廉。 B. 彈性柱銷聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)封閉式齒輪試驗(yàn)臺各方面的要求，以及彈性柱銷聯(lián)軸器的特點(diǎn)，在封閉式 齒輪試驗(yàn)臺中所用的聯(lián)軸器均使用彈性柱銷聯(lián)軸器。 彈性柱銷聯(lián)軸器利用若干非金屬材料制成的柱銷置于兩半聯(lián)軸器凸緣上的孔中， 以實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。由于柱銷與柱銷孔為

43、間隙配合，且柱銷富有彈性，因而 獲得補(bǔ)償兩軸相對位移和緩沖性能。為了改善柱銷與柱銷孔的接觸條件和補(bǔ)償性能， 柱銷的一端制成鼓型。 柱銷的材料目前主要用MC尼龍6制成，其抗拉強(qiáng)度，其抗彎強(qiáng)度 2 /54mmN ，抗壓強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度。 2 /70mmN 2 /60mmN 2 /52mmN 彈性柱銷聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，裝拆更換方便，不需潤滑，并有較好 的耐磨性。但尼龍易吸潮變形，尺寸穩(wěn)定較差，導(dǎo)熱率低，使用時(shí)應(yīng)注意環(huán)境的影 響。 彈性柱銷聯(lián)軸器的許用兩軸相對位移：徑向位移軸向位移,25 . 0 15 . 0 mmY 角位移。,35 . 0mmX 0 3 . 0 因?yàn)閺碾妱訖C(jī)輸出的軸直徑為38

44、mm的軸，傳感器為標(biāo)準(zhǔn)件，選用的是小徑為 38mm的，因此彈性柱銷聯(lián)軸器選用HL3型的，許用轉(zhuǎn)矩為630。mN 3.4.23.4.2 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的選擇 a) 使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動力源和負(fù)載之間，用撓性、彈性聯(lián)軸 器，以保證同心度要求.安裝完成后，可以板動主軸在不同的角度，扭矩零點(diǎn)變化 在0.1%-0.2%之內(nèi)，否則就要考慮重新安裝，所以傳感器選用彈性柱銷聯(lián)軸器HL7 聯(lián)軸器 GB5014-85 HL7 聯(lián)軸器 GB5014-85 38 60 45 60 ZC JB 38 60 7 38 60 ZC HL JB b) 電動機(jī)輸出軸的聯(lián)軸器需根據(jù)軸和電機(jī)輸出軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，他們之間

45、的裝配 示意圖如圖3-1 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 25 圖3-1 電動機(jī)、聯(lián)軸器、傳感器及負(fù)載設(shè)備裝配示意圖 c) 齒輪箱輸出軸的聯(lián)軸器 選用聯(lián)軸器 GB5014-85和聯(lián)軸器 GB5014-85。 45 84 7 45 84 ZC HL JB 45 84 7 38 84 ZC HL JB 4 傳感器的選擇 4.1 傳感器 信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳 感器的開發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛 的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用 越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機(jī)

46、器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的 一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理 量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件， 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 26 它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載 體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字) 能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第 一道關(guān)口 。進(jìn)入傳感器的信號

47、幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了 方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信 號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況 下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，并輸入到微處理器。德國和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即 直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳 感器還包含了信號成形器的機(jī)械動力設(shè)備的扭矩變化是其運(yùn)行狀況的重要信息，扭 矩測試是各種機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢驗(yàn)、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測和故障診斷等必不可 少的內(nèi)容。扭矩傳感器已廣泛應(yīng)用于各種

48、機(jī)械設(shè)備的動力驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能 控制上。目前，國內(nèi)外研制和開發(fā)的扭矩傳感器種類很多，從原理上講，主要分為 應(yīng)變型、磁彈性型、轉(zhuǎn)角型和其他型等四種。 傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種 形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接 轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵源。 無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式， 但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能傳感器承擔(dān)將某個對象或過程的特定 特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以 是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢 測

49、。對象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感 器將對象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測定的電學(xué)量，然后將此電信號分離出來，送入 傳感器系統(tǒng)加以評測或標(biāo)示。 各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳 感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和 效應(yīng)類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。 與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺 功能優(yōu)越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味 的氣體等。 對傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只 對特定類型傳感器適用的特殊要求。針

50、對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場合均需 要的基本要求是：1)高靈敏度 2)抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感) 3)線性容易調(diào)節(jié) (校準(zhǔn)簡易)4)高精度5)高可靠性6)無遲滯性7)工作壽命長(耐用性)8)可重復(fù)性9)抗 老化10)高響應(yīng)速率11)抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力12)選 擇性13)安全性(傳感器應(yīng)是無污染的)14)互換性15)低成本 寬測量范圍16)小尺寸、 重量輕和高強(qiáng)度、寬工作溫度范圍 。 4.2 傳感器的分類 可以用不同的觀點(diǎn)對傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物 理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。 鹽城

51、工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 27 4.2.14.2.1 根據(jù)傳感器工作原理根據(jù)傳感器工作原理 可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類，傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng) 用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電 等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。 化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被 測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能 劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較 多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳 感器的應(yīng)用將

52、會有巨大增長。 4.2.24.2.2 按照其用途按照其用途 傳感器可分類為：壓力敏和力敏傳感器，位置傳感器，液面?zhèn)鞲衅?，能耗傳?器，速度傳感器，熱敏傳感器，加速度傳感器，射線輻射傳感器，振動傳感器，濕 敏傳感器，磁敏傳感器，氣敏傳感器，真空度傳感器，生物傳感器等。 以其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為： 模擬傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。 數(shù)字傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn) 換)。 數(shù)字傳感器將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括 直接或間接轉(zhuǎn)換)。 開關(guān)傳感器當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸 出一個設(shè)定的低電平或高

53、電平信號。 在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中 的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器 的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類： a) 按照其所用材料的類別分：金屬、聚合物、陶瓷， 混合物。 b) 按材料的物理性質(zhì)分：導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體，磁性材料。 c) 按材料的晶體結(jié)構(gòu)分：單晶、多晶，非晶材料。 與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向： a) 在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù) 中得到實(shí)際使用。 b) 探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳

54、感器技術(shù)。 c) 在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中 加以具體實(shí)施。 現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強(qiáng) 度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。按照其制 造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 28 器。集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將 用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。 使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。

55、 厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是 Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。 完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳 感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝 的一種變型。 每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入 較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。 4.3 扭矩傳感器的選用 試驗(yàn)臺使用的傳感器是北京金順達(dá)源儀器有限公司生產(chǎn)的sty扭矩傳感器，與該 公司生產(chǎn)的扭矩測

56、量卡，計(jì)算機(jī)配套使用，這是一種性能優(yōu)良，使用方便的扭矩傳 感器。應(yīng)變傳感和非接觸信號傳遞技術(shù)的成熟為sty系列扭矩傳感器提供了可能和 保證。從而sty系列扭矩傳感器也就順理成章地解決了在扭矩測量中的問題。 a) 扭矩測量中由于轉(zhuǎn)速變化引起的扭矩誤差問題：因?yàn)?sty 系列扭矩傳感器采 用了應(yīng)變技術(shù)傳感扭矩，所以它不存在扭矩測量中由于轉(zhuǎn)速變化引起的扭矩誤差即 轉(zhuǎn)速特性誤差問題。 b) 低轉(zhuǎn)速乃至靜態(tài)時(shí)扭矩測量問題：sty 扭矩傳感器既可以傳感高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的 扭矩信號，也同樣可以傳遞低速乃至靜態(tài)時(shí)的扭矩信號而無需附加裝置。 c) 正反轉(zhuǎn)扭矩零點(diǎn)問題：sty 扭矩傳感器正反轉(zhuǎn)扭矩零點(diǎn)與轉(zhuǎn)向無關(guān)，兩個零

57、 點(diǎn)完全重合，可以連續(xù)正反轉(zhuǎn)工作而無需反復(fù)調(diào)零。 d) 高超獨(dú)特的溫度補(bǔ)償技術(shù)使得其具有 0。01/以上的溫度穩(wěn)定度，從而 使得該傳感器的溫漂性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于同類型和其他類型扭矩傳感器。 e) 扭矩的動態(tài)響應(yīng)問題：sty 扭矩傳感器的扭矩動態(tài)響應(yīng)完全可以在 1ms 以上 (中心頻率 10KC)。 f) 由于鎖相環(huán)和光電編碼器的應(yīng)用，極低轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)也能準(zhǔn)確地得到測量。 g) 體積小，重量輕，易于安裝使用。 4.4 STY扭矩傳感器的基本原理 在 sty系列扭矩傳感器的軸上安裝有兩組旋轉(zhuǎn)變壓器，其中一組傳遞電源，另 一組傳遞扭矩信號。旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變橋檢測到的m級扭矩信號被高精度儀表放大 器放大后，再

58、經(jīng)過/轉(zhuǎn)換器變換成與扭矩成正比的方波信號。通過軸上的旋轉(zhuǎn) 變壓器，非接觸地傳遞到軸外接受器上，從而輸出同扭矩成正比的方波頻率的數(shù)字 信號。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 29 圖4-1 TY扭矩傳感器原理框圖 sty系列扭矩傳感器可以按要求，輸出頻率信號，或者標(biāo)準(zhǔn)05V或4-20mA的模擬信 號，或者485/CAN 等數(shù)字接口的方式輸出扭矩信號。也可以根據(jù)需要選擇配套出廠 的sty-100型液晶顯示的二次儀表或者sty-100型扭矩測量卡。 如果需要測量轉(zhuǎn)速時(shí)，只要根據(jù)用戶的需要在本系列扭矩傳感器中安裝上專用 測速傳感器或者光電編碼器，特別要提的是附加安裝有編碼器后，對于那些低轉(zhuǎn)速

59、 和需要檢測正反轉(zhuǎn)的用戶就非常理想了(可以檢測出正反轉(zhuǎn)向)。 4.5 STY系列扭矩傳感器技術(shù)性能指標(biāo) a) 工作范圍 ：0.1-5萬（分若干檔） mN mN b) 扭矩測量精度：0.1%，0.2%（FS） c) 環(huán)境溫度 ：0 -50 C C d) 響 應(yīng) ：100 s e) 溫度穩(wěn)定度：0.01/ C f) 輸出信號： 零扭矩-10 kHz左右；正向滿量程-15 kHz左右；反向滿量程-5 kHz左右 g) 過載能力：在120額定扭矩范圍內(nèi)保精度測量；瞬時(shí)沖擊不高于300額 定扭矩，不損壞傳感器 4.6 sty扭矩傳感器安裝使用 a) 將傳感器輸出信號與sty扭矩儀表或sty扭矩卡連接。扭

60、矩傳感器上五芯高 頻電纜信號插座出腳為 ：0V ；+15V ；-15V ；轉(zhuǎn)速信號 ；扭矩信號 。 b) 使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動力源和負(fù)載之間。建議用撓性、彈性 聯(lián)軸器，以保證同心度要求。安裝完成后，可以板動主軸在不同的角度扭矩零點(diǎn)變 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 30 化在0.1%-0.2%之內(nèi)，否則就要考慮重新安裝。 c) 將本扭矩傳感器的基座與設(shè)備的基座盡可能采用柔性固定(可以擺動)，避 免產(chǎn)生彎矩引起測量誤差甚至損壞傳感器。實(shí)際上因?yàn)榕ぞ貍鞲衅鞯耐鈿げ⒉粎⑴c 扭矩的傳感，再則TY扭矩傳感器體積小、重量輕，因此傳感器的底座是否完全牢固 固定并不重要。 d) TY系列扭矩傳感器可以

61、和TYY-100扭矩轉(zhuǎn)速功率儀或TYK型扭矩轉(zhuǎn)速測量卡 配套使用。對于那些需要對扭矩、轉(zhuǎn)速高速采集（20ms以上）的用戶應(yīng)該定購高速 采集卡。 e) 傳感器外形規(guī)格尺寸如圖4-2： 圖4-2 TY系列扭矩傳感器安裝尺寸 表4-1 TY系列扭矩傳感器安裝尺寸參數(shù) D d L E A H h B 1-50 78 18 188 31 126 11954 73 100 78 18 188 31 126 119 54 73 200 86 28 209 41 127 127 58 73 500 96 38 238 55 128 142 68 73 1000 108 48 270 70 130 15272

62、69 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 31 2000 118 58 311 90 131 164 79 69 5000 144 78 347 105 137 188 90 69 10000 158 98 389 120 149 215 110 80 50000 續(xù)表： Nm G F 鍵轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）齒數(shù)備 注 1-50 7 61 6x6x25 6000 60 單 鍵 100 7 61 6x6x25 6000 60 單 鍵 200 7 61 8x7x35 5000 60 單 鍵 500 7 61 10 x8x50 4000 60 雙 鍵 1000 11 85 14x9x65 3500

63、60 雙 鍵 2000 11 85 16x10 x85 3000 120 雙 鍵 5000 11 85 20 x14x100 2500 120 雙 鍵 10000 13 110 28x16x115 2000 120 雙 鍵 50000 4.7 使用特別注意事項(xiàng) a) 接線必須完全正確；特別是15V電源不可接錯，否則將會燒壞有關(guān)電路。 b) 安裝傳感器時(shí)嚴(yán)格禁止敲打。特別是連軸結(jié)與傳感器應(yīng)該松配合，絕對禁 止敲打，否則將會毀壞傳感器。 c) 聯(lián)軸器建議采用擾性聯(lián)軸器，50以下得傳感器可以采用尼龍繩連接，mN 以避免由于連接同芯度不好帶來得彎矩引起測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)甚至損壞傳感器。小扭矩 傳感器的連軸結(jié)

64、可以采用鋁材料，以減輕連軸結(jié)重量。 d) 15V的范圍不得低于 14.8V 、不得高于 15.5V ； e) 信號線輸出不得對地和電源短路，輸出電流不大于10mA； f) 在強(qiáng)干擾的環(huán)境中使用扭矩傳感器，特別是在與變頻電機(jī)連接使用的情況 下，要采取必要的防干擾措施：實(shí)驗(yàn)室要有按照電工標(biāo)準(zhǔn)安裝的地（絕不可以中代 地）；扭矩傳感器及其儀表和傳感器、變頻器等都必須可靠地一點(diǎn)接地；將扭矩傳 感器與變頻電機(jī)進(jìn)行電磁隔離有時(shí)會有意想不到的效果。 5 數(shù)據(jù)采集與處理 5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)需要計(jì)算輸入、輸出功率和傳動效率，測試，分析實(shí)驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)速、扭矩 與傳動效率。由功率和傳動效率的定義可知

65、，需要采集減速箱的輸入轉(zhuǎn)速與扭矩， 輸出轉(zhuǎn)速與扭矩。本系統(tǒng)通過在被測減速箱的輸入端和輸出端各置一個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳 感器來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的測量。傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡，把數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和 扭矩試驗(yàn)臺的改造及扭矩電測 32 計(jì)算傳動效率。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5-1 圖5-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 5.2 效率的計(jì)算的原理. 作為教學(xué)試驗(yàn)求效率，可以認(rèn)為兩齒輪箱的效率相等，所以作一般教學(xué)試驗(yàn)求 效率，可認(rèn)為兩齒輪效率相等，用下式求效率（）是足夠精確的。 式中： 總效率 電機(jī)扭距 封閉扭距 總 電 封 電封 封 總 T T TT T 兩齒輪的材料或工藝等條件不同時(shí)，可先用此法求得陪試齒輪箱的效率，再更換被 試齒輪測效率，則 陪 總 作強(qiáng)度或壽命試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該注意由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長，為了防止由于振動等原因引 起加載器螺旋松動而使載荷下降，應(yīng)用擰緊加載螺旋端的螺釘。 6 螺旋滾珠式機(jī)械加載器 6.1 加載器結(jié)構(gòu)原理 螺旋滾珠式機(jī)械加載器結(jié)構(gòu)原理如圖7-1所示。其實(shí)現(xiàn)加載的過程是這樣的： 旋轉(zhuǎn)加載螺旋（2）使其作軸向移動，通過滾動軸承及橫鍵（3），拉桿（4），推 (或拉)動套筒（6）也作軸向移動。由于套筒兩端裝有兩圈鋼珠，