CLS-II型齒輪傳動實驗臺指導(dǎo)書.doc

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CLS－II型 齒輪傳動效率測試系統(tǒng) 一、實驗?zāi)康? 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(jī)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(jī)接口組成具有數(shù)據(jù)采集處理，結(jié)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(jī)電一體化相結(jié)合等特點。 本實驗臺用于機(jī)械設(shè)計等課程的教學(xué)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(guān)系曲線及η-T9 曲線。其中 T1 為輪系輸入扭矩（即電機(jī)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(shè)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(jī) （4）打印機(jī) 2、實驗機(jī)構(gòu)主要技術(shù)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(jī)額定功率 P = 300w （5）直流電機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu) 實驗臺的結(jié)構(gòu)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(jī)械系統(tǒng)。 1、懸掛電機(jī) 2、轉(zhuǎn)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(jī)采用外殼懸掛結(jié)構(gòu)，通過浮動連軸器和齒輪相連，與電機(jī)懸臂相連的轉(zhuǎn)矩傳感器把電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)，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(dāng)電機(jī)順時針方向以角速度ω轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，而不是決定于電動機(jī)。電機(jī)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(jī)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(dāng)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(nèi)部系統(tǒng)框圖參見圖 1 。 1、調(diào)零電位器 2、轉(zhuǎn)矩放大倍數(shù)電位器 3、力矩輸出接口 4、接地端子 5、轉(zhuǎn)速輸入接口 6、轉(zhuǎn)矩輸入接口 7、RS-232接口 8、電源開關(guān) 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(jī) RS-232 接口，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速輸入接口等。 實驗儀箱體內(nèi)附設(shè)有單片機(jī)，承擔(dān)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(jī)相聯(lián)，就可由計算機(jī)對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)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(yīng)首先將電機(jī)調(diào)速旋扭逆時針轉(zhuǎn)至最低速“0速”位置，將傳感器轉(zhuǎn)矩信號輸出線及轉(zhuǎn)速信號輸出線分別插入電測箱后板和實驗臺上相應(yīng)接口上，然后按電源開關(guān)接通電源。打開實驗儀后板上的電源開關(guān)，并按一下“清零鍵”。此時，輸出轉(zhuǎn)速顯示為“0”，輸出轉(zhuǎn)矩顯示數(shù)“.”，實驗系統(tǒng)處于“自動校零”狀態(tài)。校零結(jié)束后，轉(zhuǎn)矩顯示為“0”。 （2）轉(zhuǎn)矩零點及放大倍數(shù)調(diào)整 a、零點調(diào)整 在齒輪實驗臺不轉(zhuǎn)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(yīng)在 1-1.5V 范圍內(nèi)，否則應(yīng)調(diào)整電測箱后板上的調(diào)零電位器（若電位器帶有鎖緊螺母，則應(yīng)先松開鎖緊螺母，調(diào)整后再鎖緊）。零點調(diào)整完成后按一下“清零”鍵，待轉(zhuǎn)矩顯示“0”后表示調(diào)整結(jié)束。 b、放大倍數(shù)調(diào)整 “調(diào)零”完成后，將實驗臺上的調(diào)速旋扭順時針慢慢向“高速”方向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)起動并逐漸增速，同時觀察電測箱面板上所顯示的轉(zhuǎn)速值。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 轉(zhuǎn)/分左右時，停止轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，此時輸出轉(zhuǎn)矩顯示值應(yīng)在 0.6-0.8Nm 之間，（此值為出廠時標(biāo)定值），否則通過電測箱后板上的轉(zhuǎn)矩放大倍數(shù)電位器加以調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器時，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的顯示值有一段滯后時間。一般調(diào)節(jié)后待顯示器數(shù)值跳動兩次即可達(dá)到穩(wěn)定值。 （3）加載 調(diào)零及放大倍數(shù)調(diào)整結(jié)束后。為保證加載過程中機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，建議先將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)低。一般實驗轉(zhuǎn)速調(diào)到 300-800 轉(zhuǎn)/分為宜。待實驗臺處于穩(wěn)定空載運(yùn)轉(zhuǎn)后（若有較大振動，要按一下加載砝碼吊籃或適當(dāng)調(diào)節(jié)一下電機(jī)轉(zhuǎn)速)，在砝碼吊籃上加上第一個砝碼。觀察輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩值，待顯示穩(wěn)定（一般加載后轉(zhuǎn)矩顯示值跳動 2-3 次即可達(dá)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(fù)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(yīng)始終使電機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持在預(yù)定轉(zhuǎn)速左右。 在記錄下各組數(shù)據(jù)后，應(yīng)先將電機(jī)調(diào)速至零，然后再關(guān)閉實驗臺電源。 2、與計算機(jī)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(shè)有RS-232接口，通過所附的通訊連接線和計算機(jī)相聯(lián)，組成智能齒輪傳動實驗系統(tǒng)。如果采用多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器，則需要首先將多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器通過RS-232通訊線連接到計算機(jī)，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(jī)通訊轉(zhuǎn)換器的任一個輸入口。 2）啟動機(jī)械教學(xué)綜合實驗系統(tǒng) 如果用戶使用多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器，應(yīng)根據(jù)用戶計算機(jī)與多機(jī)通訊轉(zhuǎn)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(jī)通訊轉(zhuǎn)換器上所接的通道口，點擊“重新配置”鍵，選擇該通道口的應(yīng)用程序為齒輪傳動實驗，配置結(jié)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(jī)通訊轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)通道指示燈應(yīng)該點亮，齒輪傳動實驗系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)⒆詣訂?，如圖6所示。如果多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)通道指示燈不亮，檢查多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器與計算機(jī)的通訊線是否連接正確，確認(rèn)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(jī)直接連接，則在圖5主界面右上角串口選擇框中選擇相應(yīng)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(zhuǎn)矩零點及放大倍數(shù)調(diào)整方法同前 (2)加載 同樣，加載前先將電機(jī)調(diào)速至500轉(zhuǎn)/分，并在加載過程中應(yīng)始終使電機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持在預(yù)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(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)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(jié)束。如此重復(fù)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(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩顯示器都顯示“8888”，表明所采數(shù)據(jù)已全部送到計算機(jī)。將電機(jī)調(diào)速至“0”，并卸下所有法碼。 b、當(dāng)確認(rèn)傳送數(shù)據(jù)無誤（否則再按一下“送數(shù)鍵”）后，用鼠標(biāo)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(jìn)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(jī)型，建議選擇較好的機(jī)型。 (3)打印 移動功能菜單的光標(biāo)至“打印”功能，打印機(jī)將打印實驗曲線和數(shù)據(jù)。 實驗結(jié)束后，用鼠標(biāo)點擊“退出”菜單，即可退出齒輪實驗系統(tǒng)。退出后應(yīng)及時關(guān)閉計算機(jī)及實驗臺電測箱電源。 運(yùn)行環(huán)境要求： 486以上微機(jī)，32M內(nèi)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(yùn)行環(huán)境達(dá)不到該要求，程序有可能不能正常運(yùn)行！） 四、附錄 1、齒輪實驗系統(tǒng)軟件說明 整個軟件界面由標(biāo)題欄、菜單欄、采集數(shù)據(jù)顯示區(qū)、計算結(jié)果顯示區(qū)（效率）、曲線顯示區(qū)、誤差分析結(jié)果顯示區(qū)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差 S、相關(guān)指數(shù) R*R 結(jié)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(jìn)行說明： ■串口選擇 串口1：在進(jìn)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(jìn)行選擇，其中串口1在本軟件指定的位置為：3F8H（十六進(jìn)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(jìn)制）。 ■數(shù)據(jù)采集 在進(jìn)行串口選擇操作后，即可進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速 N（r/m）、電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)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(fù)數(shù)據(jù)采集這一步?；蛘咧匦逻M(jìn)行串口選擇操作。 有關(guān)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(guān)實驗操作部分。 ■采用模擬數(shù)據(jù) 設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速 N1（r/m）、電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T1（N.m）、封閉力矩 T9（N.m）、進(jìn)行效率的計算，并在曲線顯示區(qū)顯示效率η-T9、電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 T1—T9 的曲線。如果沒有進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作，沒有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將不會進(jìn)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(shè)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(yīng)的擬合次數(shù)后，系統(tǒng)將會進(jìn)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(yīng)的擬合方式進(jìn)行擬合，以達(dá)到偏差最小，相關(guān)系數(shù)最大的擬合效果。在進(jìn)行擬合操作以后，可以使用計算機(jī)鍵盤上方向鍵來移動光標(biāo)，查看相應(yīng)位置的效率數(shù)值； ■打印 點擊該菜單可以進(jìn)行打印操作，打印的結(jié)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(yīng)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(yīng)是同方向的。當(dāng)輪齒嚙合的齒側(cè)面改為另一側(cè)面時，如圖2所示，兩軸上扭矩也改方向，但結(jié)論仍然是兩輪上的外加扭矩須是同方向的。 當(dāng)一對定軸外嚙合齒輪轉(zhuǎn)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(fù)，這也正是一般所理解的一者為正功，一者為負(fù)功。 （2）封閉試驗臺懸臂掛重的計量關(guān)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(dǎo)老師-------- 日期--------- 〈一〉 實驗?zāi)康? 〈二〉 實驗機(jī)構(gòu)及測試原理圖 〈三〉 實驗步驟 〈四〉 數(shù)據(jù)和曲線