机械毕业设计（论文）-扭矩试验台的改造及扭矩电测设计【全套图纸】

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 1 目目 录录 1 绪论 .1 1.1 论文研究的背景和意义1 1.2 试验平台研究的必要性.2 1.3 国内外研究的进展.2 1.4 试验台的类型.2 1.4.1 功率流开放式试验台 .3 1.4.2 电功率流封闭式试验台 .3 1.4.3 机械功率流封闭式试验台 .4 1.4.4 功率流方向的确定 .5 1.5 现有试验装置的局限.5 1.6 多功能实验台的设计要求和设计内容.6 2 试验台的总体设计7 2.1 试验台的总体要求.7 2.2 试验台的功能分析与定位.8 2.3 改造方案对比.8 2.3.1 方案一 .8 2.3.2 方案二 .9 2.3.3 方案三 .9 2.4 中心距的设计.10 2.4.1 中心距的设计10 2.4.2 理想的中心距10 3 关键零部件的设计与计算 11 3.1 齿轮的设计与计算 11 3.1.1 材料的选择 11 3.1.2 按齿面接触强度设计 14 3.2 轴的设计计算.14 3.2.1 轴的材料选择 .14 3.2.2 轴的结构设计 .14 3.2.3 按许用弯曲强度条件计算 .15 3.2.4 按轴的疲劳强度安全因素校核 .17 3.3 滚动轴承的选择与寿命计算.18 3.4 联轴器的选择 19 3.4.1 弹性联轴器 19 3.4.2 联轴器的选择 20 4 传感器的选择 21 4.1 传感器 21 4.2 传感器的分类 22 4.2.1 根据传感器工作原理 .22 4.2.2 按其用途 .22 4.3 传感器的选用 23 4.4 STY 扭矩传感器的基本原理.24 4.5 STY系列扭矩传感器技术性能指标24 扭矩试验台的改造及扭矩电测 2 4.6 STY扭矩传感器安装使用25 4.7 使用特别注意事项.26 5 数据采集与处理27 5.1 数据采集系统的原理与结构.27 5.2 效率的计算的原理.27 6 螺旋滚珠式机械加载器 28 6.1 加载器结构原理 28 6.2 螺旋滚珠式机械加载器的特点 29 7 实验测量30 7.1 测量系统简介及试验检测.30 7.2 控制和测量 30 7.3 计算机参与全程控制专用的测量和数据处理软件 31 7.3.1 软件功能简介 31 7.3.2 使用环境 31 7.4 设备运行；设备，环境参数的设置 31 7.4.1 系统所用通讯端口的设置和所用的设备设置 31 7.5 实验环境 33 7.6 测量与控制.33 7.7 程序控制.34 7.8 数据处理.34 7.9 曲线拟合.35 8 结论36 参考文献37 致谢38 附录 39 扭矩试验台的改造及扭矩电测扭矩试验台的改造及扭矩电测 摘摘 要：要：机械传动试验台是用试验的方法研究机械传动的各种失效形式并测定其 承载能力、传动效率及有关性能的基本手段，长期以来我国的传动试验台的研制基 本上还停留在传统的人工方式水平上。这些试验台都存在一个共同的缺点：自动化 程度低，无法模拟实际工况对各种机械传动产品进行试验，试验过程的监控及试验 数据的采集和处理都较麻烦且准确性低。近些年来的研究取得一些进步，但目前的 绝大多数实验台还只能进行恒定载荷加载或简单的程序控制阶梯加载，实验结果与 现场测试依然有较大的差距。 本文提出改进机械原理实验室的齿轮试验台的方案，在成本不高的情况下，增 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 3 加其测试功能-可以测量联轴器，离合器，带传动的效率和寿命，使其成为一台多 功能机械传动试验台。 关键词：关键词：机械传动；齿轮；联轴器；扭矩传感器 扭矩试验台的改造及扭矩电测 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 measurement 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 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 experiments 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 transmission test. Key word: Mechanical Transmission;Gear;Coupling;Torque sensor 1 绪论 1.1 课题来源与意义 人类为了生存的需要，创造了各种各样的机械以达到减轻体力劳动和提高生产 率的目的。随着社会的进步，机械已从最初的简单工具发展到现在的多功能、结构 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 5 复杂的现代化系统。 中小功率的机械传动产品有着广泛的应用。这一类产品的主要功能和目的是将 其它形式的能量转化为可以直接利用的形式，同时实施规定的运动，完成相应的工 作。而所有这些功能和目的都必须通过机械传动装置来完成，因而，机械传动装置 在其中担任着重要的角色。从某种意义上说，机械传动装置性能的好坏决定了机械 传动的综合性能。 通常一种新的机械产品从诞生到使用要经历设计、试制、定型、大规模生产、 销售等环节。上述各环节无不渗透着对产品优异性能和可靠质量的不懈追求。而对 机械传动装置的测试和实验包括性能测试(如效率、功率、噪声、振动等特性)、运 行监测、故障诊断等，是完善一切机械产品的设计、制造的手段和方法以及评价设 备性能优劣等不可或缺的重要内容，也是设备安全、稳定运行的重要保障。 因此，针对机械传动综合性能测试的研究已成为现代测试技术的一个重要研究 方向。构建机械传动综合测试系统同样对机械传动设备的开发和研究具有重要理论 价值和经济价值。齿轮是各种机器上必不可少的传动零件，对齿轮的各种性 能进 行测定是保证齿轮可靠使用的必经之路。目前，大部分齿轮试验台设计只是针对某 一种特定的轮副，虽然专用性对于实验台结构设计、试验成本带来一定有利因素， 但功能的单一性制约了设备的使用效率。在此基础上，开展多功能组合实验台设计 是改进原有齿轮试验台设计的一条十分必要而有效的途径多功能组合实验台能按照 机器零件的工作能力和可靠性的基本准则进行精度，摩擦损失，强度，刚度，耐热 性和抗震性等多项实验，在保证评定试验的精度和结果可靠的前提下，达到快速、 简便可靠的效果。 机械原理实验室的齿轮试验台是双庆公司90年代购进的一台专利设备，该试验 台的功能是测量齿轮的效率和寿命，其最大的优点是具有一套封闭加载系统，具有 明显的节能效果，但是由于其功能单一，不能满足现代测试的要求，为了节约资金， 利用其优点，所以对试验台做适当的改进，增加测量带传动，联轴器，离合器或其 他的传动件的效率和寿命的功能，使其成为真正的多功能机械传动实验台。 1.2 试验平台研究的必要性 随着机械工业的发展和科研水平的不断提高，对机械传动产品的实验与检测手 段不断提出了更高的要求。传动试验台是用试验的方法研究机械传动的各种失效形 式并测定其承载能力、传动效率及有关性能的基本手段，长期以来我国的传动试验 台的研制基本上还停留在传统的人工方式水平上，主要类型为以机械力或液压力加 载的机械功率流开放式试验台，机械功率流封闭式试验台和用发电机作负载的电功 率封闭式试验台。这些试验台或由于节能或由于加载方面各具特色，但都存在一个 共同的缺点-自动化程度低，很难按事先设计的试验过程进行验，无法模拟实际 工况对各种机械传动产品进行试验，因此试验结果与实际情况总免有相当距离，传 动试验平台大多采用人工操纵方式，试验过程的监控及试验数据的采集和处理都较 麻烦且准确性低，不易实现多参数自动控制和失效判定。 扭矩试验台的改造及扭矩电测 6 1.3 国内外研究的进展 随着机械工业的发展和科研水平的不断提高，对机械传动产品的实验与检测手 段不断提出了更高的要求。目前国内普遍采用的是实验室台架模拟实验台。将现场 试验移至实验室台架上加以复现，采用模拟加载保持着负荷作用的某种随机性，使 同一随机过程可多次复现。因此可使不同的机器可以经受完全同一的随机作用。这 无疑将有助于改善试验结果的可比性。 国内在相似实验室台架模拟实验台的基础开发了齿轮传动与控制实验台。实验 台最大特点是采用电液比例控制全液压传动、制动、加载系统，并由LABVIEW测控 系统实现自动控制并进行数据采集和处理。实验台的结构为履带式实验台，由发动 机经传动系驱动轮胎在履带上滚动，研究发动机+液压系统这一负荷驱动系统在动 态负荷下的性能反映。长期以来，我国的传动试验台的研制基本上还停留在传统的 人工方式水平上，主要类型为以机械力或液压力的机械功率流封闭式试验台和用发 电机作负载的电功率封闭试验台。这些试验台或由于节能或由于加载方面而各具特 色，都存在一个共同的缺点，但自动化程度低，很难按事先设计的试验过程进行试 验，无法模拟实际工况对各种机械传动产品的影响，因此试验结果与实际情况总难 免有相当距离，这在很大程度上影响了试验数据对机械传动产品的设计、生产的直 接指导作用。因此多年来，人们对它所下的功夫很多。甚至很大程度上可以认为， 数十年来机械闭式试验台的发展其实质就是加载器的发展。据统计，现今国内外经 使用证实行之有效的加载器多达数十种。适用的加载器种类虽然多，但是按动力学 原理可将加载器分为三大类：简式加载器；支反力式加载器；力矩式加载器。传动 试验平台大多采用人工操纵方式，试验过程的监控及试验数据的采集和处理都较麻 烦且准确性低，不易实现多参数自动控制和失效判定。因此国内外有关学者一直致 力于在实验室模拟机械传动产品的实际工况进行机械传动产品的寿命和性能试验。 比如自1989年以来，德国大众公司、美国GM公司和斯太尔公司都在研制能模拟汽车 行驶工况的传动系综合实验台，日本也有人在从事有直流电机模拟发电机载荷的研 究并申请了专利。国内目前这方面的研究正处于起步阶段，从事这方面研究的局限 于高等院校，如重庆大学，重庆工学院等相继建立了机械传动试验台。目前绝大多 数实验台只能进行恒定载荷加载或简单的程序控制阶梯加载，实验结果与现场测试 依然有较大的差距。 1.4 试验台类型 根据试验台的功率的传递原理和加载方法的不同，试验台可分为开放功率流式、 封闭功率流式和电功率流封闭式三大类。 1.4.11.4.1 功率流开放式试验台功率流开放式试验台 这类试验台和一般机器相似，由三部分组成，只是把一般机器的工作部分由一 个耗能负载装置代替。因此，该类试验台设备通常由原动机、齿轮装置和耗能负载 三部分组成。所谓开放功率流，就是齿轮传动所传递的功率由电动机传来，经过齿 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 7 轮传动和试验装置中的所有传动件，最后传到耗能装置，即加载装置。如图1-1所 示，电动机，被试验的齿轮装置，机械制动器耗能装置，功率流不能传回电动机， 很显然，其功率流只是由电动机流向耗能负载装置，功率流动方向不是一个封闭回 路，而是开放的。 图1-1 功率流开放式试验台结构图 开放功率流式就是借助耗能装置给齿轮传动加载。耗能装置所消耗的全部能量， 以及试验台各运动链环的摩擦损失，都由电动机供给。开放功率流式试验台与一般 的机械类似，只是最后工作机部分由一个简单的耗能装置代替。为了保证试验能够 正常进行，耗能装置应该满足下列基本要求: a) 保证载荷稳定，并且能平稳地加载和改变载荷； b) 有足够的设施能保证能量的有效吸收和散发，绝大部分的耗能装置 ，都是 把机械能转变为热能散发出去，因此要有足够有效的冷却设备。 1.4.21.4.2 电功率流封闭式试验台电功率流封闭式试验台 根据使用电机的不同，电功率流封闭式试验台分为直流电机式、交流 异步电机式和交流整流子电机。直流电机式电封闭试验台工作原理如图1-2 图1-2 直流电机式电封闭试验台工作原理图 图为典型的直流电机式电封闭齿轮运转试验机的工作原理图。试验机把两台同型号 的他激式直流电机1， 4同时并接于电源，并用试验齿轮箱(通常为减速传动）和陪 试齿轮箱(通常为增速传动)联接起来。电机启动后，这两台电机均为电动机运行， 即空载(零扭矩)启动，整个系统不传递功率。如将电机上的磁场强度减弱提高其转 速，并增强电机4的磁场强度，这时，电机1就迫使电动机4超过其本身的转速而进 入发电机状态运行，电机4输出电功率，同时在转子上产生阻力矩，使试验传动件 受载。由于电机4发出的电功率的极性与电源一致，所以能反馈给电源线路。这样， 两台电机互为能源又互为负载而组成了电功率流封闭系统，实现了节能目的。试验 台加 载扭矩大小的控制是通过调节两台电机激磁电流的大小来实现的。即在某一 转速下，通过改变发电机4和电动机1的激磁电流的差值，可以改变发电机4的输出 扭矩试验台的改造及扭矩电测 8 功率，控制其加载扭矩的大小。激磁电流差值越大，加载扭矩也越大。试验台可采 用可控硅整流调速，并采用程序定值控制器，使试验机能实现无级变速和无级变载， 从而可实现多阶载荷谱的程序疲劳强度试验，这是该试验机的主要优点。它的缺点 是:电器功率必须大于试验试件所需的功率，电器调试要求高，投资较大。因此， 这种试验机比较适用于中小功率的齿轮运转试验。 交流异步电机式和交流整流子电机式是把上述直流电机式电封闭试验台两台直 流电机改为两台交流异步电机或两台交流整流子电动机而成的。下面就交流整流子 电机式作一说明。 三相交流整流子电动机是在转子的铁芯上嵌着两个绕组:一个是普通的三相交 流绕组，另一个是调节绕组。调节绕组和直流电机一样，每个线圈都接到换向器上， 在换向器的表面放着两套可以作相反方向移动的电刷转盘。在定子铁芯上有一套普 通的多相绕组，由旋转磁场感应出电机的次级电势。而每相次级绕组的两端分别接 到换向器端、两块电刷转盘的相应电刷支杆上。当两块转盘上的同相电刷移开一个 角度时，相同电刷间产生感应电势;如果这个感应电势和次级绕组的电势方向相反， 则电极的转速降低，在同步转速以下运行;如果这个感应电势和次级绕组电势的方 向相同，则电机的转速上升，在同步转速以上运行。因此，只要改变同相电刷在电 刷转盘上的位置，就可以控制和改变电机的转速。在运行过程中，只要减慢电机1 的转速，就能使电机工成为电动机，而电机4成为加载发电机。加载发电机4也同样 使试验齿轮受载，同时发出的电功率回馈电网，从而形成了电封闭系统，以达到节 能的目的。 采用这种试验机的主要优点是:结构简单，调速和加载方便，可进行载荷谱模 拟试验，运行稳定可靠，电气线路也不复杂，所用零部件均可外购，制造周期短， 很适用于工厂的跑合试验。 1.4.31.4.3 机械功率流封闭式试验台机械功率流封闭式试验台 图1-4 机械功率流封闭式试验台 械封闭功率流齿轮试验的总体方案设计如图1-4所示。试验台由电动机、陪试 齿轮箱、被试齿轮箱，加载装置，转矩转速传感器五大部分组成，所有试验台零部 件都安装在工作台上。在设计中采用两个相同的被试齿轮，一个减速，一个增速， 且速比相同。当被测对象的中心距不同时，改变的仅仅是两个被试齿轮箱的中心距， 而对于整个试验台的传动路线不会产生影响。这种加载方法具有简单可靠，操作方 便，可在动态情况下反向加载，加载范围大等优点。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 9 1.4.41.4.4 功率流方向的确定功率流方向的确定 机械封闭功率流试验台的功率流的方向，取决于加载器加载力矩的方向和电动 机的转向(方向总是从主动流向从动)图为未安装被试件时陪试齿轮箱传动的功率流 方向图，当按图1-5方向加扭矩了1 ，且电动机的转向为n时，则有： a) 给轮5的力与轮5在回转方向相同，为输入功； b) 轮2给轮5的力与轮5的回转方向相反，为阻抗功； c) 轮5给轮2的力与轮2的回转方向相同，为输入功； d) 轮6给轮3的力与轮3的回转方向相反，为阻抗功； e) 轮3给轮6的力与轮6的回转方向相同，为输入功； f) 轮4给轮6的力与轮6的回转方向相反，为阻抗功； g) 轮6给轮4的力与轮4的回转方向相同，为输入功。 图1-5 功率流的方向图 1.5 现有试验装置的局限 开放式试验台加载后，所需功率全部消耗在加载中，损失功率大。它只适合用 于小功率短期工作的齿轮试验装置，但由于其结构简单，目前仍有单位使用，其结 构原理如图1-1所示。闭齿轮试验台分为电封闭式与机械封闭式两大类。电封闭试 验台，由电动机带动试验齿轮箱，再带动发电机，发电机的电动机 试验齿轮箱加 载装置如图1-6 扭矩试验台的改造及扭矩电测 10 图1-6 变速箱背靠背性能、效率试验布置图 封闭式试验装置发出的电能又回到电动机中去，形成封闭系统。它可以节约 50的电能，但是电动机与发电机的功率至少与试验齿轮箱的功率相等，因此，电 封闭试验台也不适用大功率试验装置。适用大功率试验装置的是机械封闭试验台， 通过两个相同的试验箱，中间的加载装置加载。封闭功率流式试验台较制动式试验 有着明显的优越性。 1.6 多功能试验台的设计要求和设计内容 针对试验室试验台的具体情况的考虑，为了降低成本，不在移动试验台的位置， 因此试验台的底板和电动机不在重新设计选择，与指导老师商讨论证，将齿轮箱作 为一个模块进行试验，在增加联轴器离合器的测试，本设计的要求如下： a) 试验台的总体设计和工作原理探讨 b) 增加试验台的测试功能 c) 选择新的传感器 d) 关键零件的功能分析及刚度，强度校核 e) 中心距的设计与探讨 2 多功能试验台的总体设计 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 11 2.1 试验台的总体要求 无论是传动试验或试验室中未知因素的探索试验，已知因素的验证试验，都应 该使试验条件与传动的实际工作条件一致，而工作条件中主要是载荷和速度。因此 试验若是在规定的载荷和速度下，传动件像工作时那样转动，即在运转情况下试验 则最符合实际。 传动运转试验就是在所要求的转速下，加上规定的试验载荷运转，所以加载装 置是试验台的重要组成部分。加载装置不同，试验台的性能也不同，试验台的准确 度、适用性和动力消耗等等也就不同。试验台应该满足下面的主要要求: a) 能研究和试验比较多的影响因素，能适应试验目的和要求，尽可能做到一 机多能； b) 要有适宜的准确度。试验台的载荷、速度和各种测量应有足够的准确度。 准确度应与试验目的相适应，脱离实际的过高的准确度也是不合适的: c) 要尽量符合试验齿轮的实际工作情况，真实性好； d) 要有足够的强度和刚度，使用性能好； e) 要节省人力物力经济性好。试验台的成本应在满足试验要求下尽量降低。 试件的拆换，各个参数的测量、试验台的维护等等要省力方便 ，且节约动力消耗。 试验台的加载装置应该满足下列要求： a) 能够可靠地加上规定的试验载荷，且有足够的准确性； b) 能保证试验台在运转过程中，载荷不受外来因素的影响； c) 在试验台启动前和停车后齿轮传动应不受载荷作用，因为实际齿轮传动有 在传动才受载，若齿轮传动运转前受载，则试验结果就要有较大误差； d) 需要时应在运转过程中能方便地按一定规律改变试验载荷的数值和方向 ； e) 加载装置容易制造、安装和调整。 试验台的控制装置应满足下面要求： a) 能够在线实时控制转速、负载的变化，响应速度快； b) 控制精度高，模拟实际工况能力强； c) 抗干扰能力强； d) 操作简单。 试验台对数据的采集与处理应满足以下几个条件: a) 采样精度高，数据准确； b) 采样范围宽，能实现不同频率下的采样； c) 自动处理分析数据，得出分析结果； d) 操作方便，易于控制。 上述的有关试验台加载装置、控制装置、数据采集处理装置的要求，对每一台 试验台不易全部满足。这就要求在设计齿轮试验台时进行充分地调查研究，结合试 验目的和条件，具体情况具体对待，对各种方案进行分析比较之后，确定出合理的 试验台方案。 扭矩试验台的改造及扭矩电测 12 2.2 试验台的功能分析与定位 本试验台的原来功能只是对进行效率寿命的测试，作为改进装置，主要是改变 其功能的单一，增加功能.使其可以对离合器，联轴器，V带，链等传动件也可以测 试，因此，将齿轮箱作为模块进行测试，并在增加联轴器，离合器的试原理如图2- 1 图2-1 离合器的试验台原理图 直流电动机传出扭矩由扭矩传感1采集信号输入计算机， 扭矩传到齿轮箱1，再传 到机械加载器，传到齿轮箱2，传到传感器2，由传感器2采集信号到计算机，则由 传感器12可以测量齿轮箱的效率和寿命，然后扭矩传到被测试的离合器或联轴器， 传到传感器3，而传感器23的信号可以测量它们之间的传动件的效率和寿命。扭矩 传到齿轮箱，传回到电动机，这就是封闭系统。 2.3 改造方案对比 2.3.12.3.1 方案一方案一 在电动机与第一个齿轮箱之间加联轴器，离合器等传动件，其原理如图2-2 图2-2 方案一原理图 缺点：根据现场的测绘情况可知电动机到齿轮箱空间太小很难安装两个传感器 及测试件。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 13 优点：齿轮箱位置不再移动和更改。 2.3.22.3.2 方案二方案二 如图所示为在电动机与齿轮箱之间加链条或带传动的测试件。 缺点：根据现场的测绘情况可知传动台的宽度为630mm，可以测量的宽度很有 限，这也是本试验台底座的缺点。 优点：齿轮箱位置不再移动和更改。 图2-3 方案二原理图 2.3.32.3.3 方案三方案三 如图2-4所示，本方案将两个相同齿轮箱作为模块，而且齿轮箱中的齿轮也一 样。在试验台上进行测试，并在两个齿轮箱之间加被测试的离合器或联轴器，根据 现场的测试知两个齿轮箱之间的空间比较大，比较合适一些传动件的测试。 图2-4 方案三原理图 本试验台的优点分析： 封闭功率试验台在机械制造教学，科研中得到广泛的应用，他的最大的优点是 用少的能耗进行大功率的试验，例如进行100KW变速器试验只需1.0KW的电机在目前 扭矩试验台的改造及扭矩电测 14 能源紧缺的情况下，封闭式试验台的优点就显得尤为突出了。 封闭式试验中的一个关键部位是加载器。一般加载器有：液压加载，电封闭加 载，机械式加载等，前两种投资大，结构庞大。如液压加载，必须要有专门的高压 油泵站，各种阀，管道，回转油缸等。大功率试验还要求更大的油泵站，因此投资 很大。所以在很多场合采用机械加载简单投资少，这项设计就是其加载器-螺旋滚 珠式加载器，它可以在不停机的情况下加载。因此方案三最为合理。 2.4 中心距的设计 2.4.12.4.1 中心距的设计中心距的设计 如图2-5所示，由于本试验台是改进设计，考虑成本及试验台不再移动，并且 底座是铸铁材料，及其形状的限制，所以只好将原来的底座改进，即在底座上钻一 系列的孔，被试验的齿轮箱中心距应该按照设计的孔的地距离而定。 图2-5 中心距设计图 2.4.22.4.2 理想的中心距理想的中心距 如图2-6所示，理想的中心距是将底座做成T型槽，中心距的问题可以很好的解 决。 图2-6 中心距调整图 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 15 3 关键零部件的设计与计算 3.1 齿轮的设计与计算 已知的参数电动机功率P=4KW最高转速n=3000r/min，最大封闭扭矩 T=400。mN 3.1.13.1.1 材料的选择材料的选择 由实验台的要求可以知道，两个齿轮箱完全一样，因此所设计的次轮完全一样， 取材料为45钢(调质)硬度为240HBS齿数选择=67。 12 ZZ 3.1.23.1.2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由文献1设计计算9公式(10-9a)进行计算，即 （3-1） 2 3 1 1 2.32.() tE t dH K TZu d u A. 确定公式中的参数 a) 选择载荷系数1.3 t K b) 计算齿轮的转矩=400 T 3 10mmN c) 由文献2 9-42 得=0.2 d d) 由文献1表10-6 =189.8 E ZMPa e) 由文献1图10-21d的齿轮的接触疲劳强度极限=550 limH MPa f) 由文献1式10-13计算应力循环次数 N=60njLh=60 3000 1(2 8 300 15) = 次 10 10296 . 1 g)计算接触疲劳许用应力 取失效率为1%，安全系S=1，由文献1式(10-12) = =0.9 600=540 H limHNH K S MPa B. 计算 a) 计算齿轮分度圆直径 3 3 2 21.558 400 102.6.6621 3755.9 0.0164 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) 计算圆周速度v 扭矩试验台的改造及扭矩电测 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) 计算齿宽b b=0.2 200.182=53.51 d 1t d d) 计算齿宽与齿高之比 b/h 模数m=200.182/67=2.988 1t d z 齿高h=2.25m=6.732 b/h=7.427 e) 计算载荷系数 根据v=2.8m/s动载荷系数=1.12； V K 直齿轮，假设/b，该轴的截面D疲劳强度足够。 P S P S 3.3 滚动轴承的选择与寿命计算 根据轴的结构设计，根据载荷方向知，受轴向载荷，所以可以选择深沟球轴承， 初步选择滚动轴承：6213 对于具有基本额定动载荷C的轴承，当它所受的当量动载 荷为P时，其寿命计算公式为 （3-17）年25.126993.107288) 640 . 1 44 ( 300060 10 )( 60 10 3 66 h P C n Lh 式中：的单位为 h Lh -是基本额定动载荷，单位为可kN，查文献3可知C=44kNC -为指数，对于滚子轴承，对于球轴承，10/33 -是轴的转速，=3000nn/minr -是当量动载荷P ra PXFYF 单位为，式中是轴向载荷，是径向载荷。kN a F r F 其中的径向载荷即为由外界作用到轴上的径向力在各轴承上的径向载荷； r F 但其中的轴向载荷并不完全由外界的轴向作用力产生，而是应该根据整个轴 a F ae F 向载荷（包括因径向载荷产生的派生轴向力）之间的平衡条件得出，而由题 r F d F 意知深沟球轴承只承受径向载荷X=1，Y=0，即1367.02N。实际中，在许多支撑 r F 中还会出现一些附加载荷，如冲击力，不平衡作用力，惯性力，以及轴挠曲或轴承 座变形产生的附加力等等，因此可对当量动载荷乘胜一个根据经验而定的载荷系数 ，有文献1表13-6查得=1.2 所以P=1640.424N=1.64kN,满足设计要 p f p f p f r F 求。 3.4 联轴器的选择 3.4.13.4.1 弹性联轴器弹性联轴器 A. 概述 弹性联轴器除了能补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求外， 更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动。 扭矩试验台的改造及扭矩电测 24 弹性联轴器利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴相对位移，因而可动元件之间 的间隙小，特别适宜于需要经常起动或逆转的传动。 对弹性联轴器的要求有： a) 强度高，承载能力大，在有可能发生扭振或存在瞬时尖峰载荷的场合，要 求联轴器的许用瞬时最大转矩为许用长期转矩的三倍以上。 b) 弹性高，阻尼大，具有足够的减震能力，把冲击和振动产生的振幅降低到 允许的范围以内。 c) 具有足够的补偿能力，满足安装和工作时两轴发生相对位移的需要。 d) 工作可靠，性能稳定。 e) 结构简单，体积小，重量轻，装拆方便，维护容易，价格低廉。 B. 弹性柱销联轴器的结构 根据封闭式齿轮试验台各方面的要求，以及弹性柱销联轴器的特点，在封闭式 齿轮试验台中所用的联轴器均使用弹性柱销联轴器。 弹性柱销联轴器利用若干非金属材料制成的柱销置于两半联轴器凸缘上的孔中， 以实现两半联轴器的联接。由于柱销与柱销孔为间隙配合，且柱销富有弹性，因而 获得补偿两轴相对位移和缓冲性能。为了改善柱销与柱销孔的接触条件和补偿性能， 柱销的一端制成鼓型。 柱销的材料目前主要用MC尼龙6制成，其抗拉强度，其抗弯强度 2 /54mmN ，抗压强度，抗剪强度。 2 /70mmN 2 /60mmN 2 /52mmN 弹性柱销联轴器的结构简单，制造容易，装拆更换方便，不需润滑，并有较好 的耐磨性。但尼龙易吸潮变形，尺寸稳定较差，导热率低，使用时应注意环境的影 响。 弹性柱销联轴器的许用两轴相对位移：径向位移轴向位移,25 . 0 15 . 0 mmY 角位移。,35 . 0mmX 0 3 . 0 因为从电动机输出的轴直径为38mm的轴，传感器为标准件，选用的是小径为 38mm的，因此弹性柱销联轴器选用HL3型的，许用转矩为630。mN 3.4.23.4.2 联轴器的选择联轴器的选择 a) 使用两组联轴器，将传感器安装在动力源和负载之间，用挠性、弹性联轴 器，以保证同心度要求.安装完成后，可以板动主轴在不同的角度，扭矩零点变化 在0.1%-0.2%之内，否则就要考虑重新安装，所以传感器选用弹性柱销联轴器HL7 联轴器 GB5014-85 HL7 联轴器 GB5014-85 38 60 45 60 ZC JB 38 60 7 38 60 ZC HL JB b) 电动机输出轴的联轴器需根据轴和电机输出轴进行设计，他们之间的装配 示意图如图3-1 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 25 图3-1 电动机、联轴器、传感器及负载设备装配示意图 c) 齿轮箱输出轴的联轴器 选用联轴器 GB5014-85和联轴器 GB5014-85。 45 84 7 45 84 ZC HL JB 45 84 7 38 84 ZC HL JB 4 传感器的选择 4.1 传感器 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传 感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛 的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用 越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的 一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理 量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件， 扭矩试验台的改造及扭矩电测 26 它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载 体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字) 能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第 一道关口 。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了 方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信 号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况 下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字 信号，并输入到微处理器。德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即 直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传 感器还包含了信号成形器的机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息，扭 矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可 少的内容。扭矩传感器已广泛应用于各种机械设备的动力驱动系统优化设计和智能 控制上。目前，国内外研制和开发的扭矩传感器种类很多，从原理上讲，主要分为 应变型、磁弹性型、转角型和其他型等四种。 传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种 形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接 转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。 无源传感器不能直接转换能量形式， 但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定 特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以 是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检 测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感 器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入 传感器系统加以评测或标示。 各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传 感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和 效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。 与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉 功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味 的气体等。 对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只 对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需 要的基本要求是：1)高灵敏度 2)抗干扰的稳定性(对噪声不敏感) 3)线性容易调节 (校准简易)4)高精度5)高可靠性6)无迟滞性7)工作寿命长(耐用性)8)可重复性9)抗 老化10)高响应速率11)抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力12)选 择性13)安全性(传感器应是无污染的)14)互换性15)低成本 宽测量范围16)小尺寸、 重量轻和高强度、宽工作温度范围 。 4.2 传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物 理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 27 4.2.14.2.1 根据传感器工作原理根据传感器工作原理 可分为物理传感器和化学传感器二大类，传感器工作原理的分类物理传感器应 用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电 等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被 测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能 划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较 多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传 感器的应用将会有巨大增长。 4.2.24.2.2 按照其用途按照其用途 传感器可分类为：压力敏和力敏传感器，位置传感器，液面传感器，能耗传感 器，速度传感器，热敏传感器，加速度传感器，射线辐射传感器，振动传感器，湿 敏传感器，磁敏传感器，气敏传感器，真空度传感器，生物传感器等。 以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转 换)。 数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括 直接或间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输 出一个设定的低电平或高电平信号。 在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中 的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器 的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： a) 按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷， 混合物。 b) 按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体，磁性材料。 c) 按材料的晶体结构分：单晶、多晶，非晶材料。 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向： a) 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术 中得到实际使用。 b) 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。 c) 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中 加以具体实施。 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强 度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。按照其制 造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感 扭矩试验台的改造及扭矩电测 28 器。集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将 用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。 使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是 Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传 感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺 的一种变型。 每种工艺技术都有自已的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入 较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。 4.3 扭矩传感器的选用 试验台使用的传感器是北京金顺达源仪器有限公司生产的sty扭矩传感器，与该 公司生产的扭矩测量卡，计算机配套使用，这是一种性能优良，使用方便的扭矩传 感器。应变传感和非接触信号传递技术的成熟为sty系列扭矩传感器提供了可能和 保证。从而sty系列扭矩传感器也就顺理成章地解决了在扭矩测量中的问题。 a) 扭矩测量中由于转速变化引起的扭矩误差问题：因为 sty 系列扭矩传感器采 用了应变技术传感扭矩，所以它不存在扭矩测量中由于转速变化引起的扭矩误差即 转速特性误差问题。 b) 低转速乃至静态时扭矩测量问题：sty 扭矩传感器既可以传感高速旋转时的 扭矩信号，也同样可以传递低速乃至静态时的扭矩信号而无需附加装置。 c) 正反转扭矩零点问题：sty 扭矩传感器正反转扭矩零点与转向无关，两个零 点完全重合，可以连续正反转工作而无需反复调零。 d) 高超独特的温度补偿技术使得其具有 0。01/以上的温度稳定度，从而 使得该传感器的温漂性能远远好于同类型和其他类型扭矩传感器。 e) 扭矩的动态响应问题：sty 扭矩传感器的扭矩动态响应完全可以在 1ms 以上 (中心频率 10KC)。 f) 由于锁相环和光电编码器的应用，极低转速和正反转也能准确地得到测量。 g) 体积小，重量轻，易于安装使用。 4.4 STY扭矩传感器的基本原理 在 sty系列扭矩传感器的轴上安装有两组旋转变压器，其中一组传递电源，另 一组传递扭矩信号。旋转轴上的应变桥检测到的m级扭矩信号被高精度仪表放大 器放大后，再经过/转换器变换成与扭矩成正比的方波信号。通过轴上的旋转 变压器，非接触地传递到轴外接受器上，从而输出同扭矩成正比的方波频率的数字 信号。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 29 图4-1 TY扭矩传感器原理框图 sty系列扭矩传感器可以按要求，输出频率信号，或者标准05V或4-20mA的模拟信 号，或者485/CAN 等数字接口的方式输出扭矩信号。也可以根据需要选择配套出厂 的sty-100型液晶显示的二次仪表或者sty-100型扭矩测量卡。 如果需要测量转速时，只要根据用户的需要在本系列扭矩传感器中安装上专用 测速传感器或者光电编码器，特别要提的是附加安装有编码器后，对于那些低转速 和需要检测正反转的用户就非常理想了(可以检测出正反转向)。 4.5 STY系列扭矩传感器技术性能指标 a) 工作范围 ：0.1-5万（分若干档） mN mN b) 扭矩测量精度：0.1%，0.2%（FS） c) 环境温度 ：0 -50 C C d) 响 应 ：100 s e) 温度稳定度：0.01/ C f) 输出信号： 零扭矩-10 kHz左右；正向满量程-15 kHz左右；反向满量程-5 kHz左右 g) 过载能力：在120额定扭矩范围内保精度测量；瞬时冲击不高于300额 定扭矩，不损坏传感器 4.6 sty扭矩传感器安装使用 a) 将传感器输出信号与sty扭矩仪表或sty扭矩卡连接。扭矩传感器上五芯高 频电缆信号插座出脚为 ：0V ；+15V ；-15V