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实验二 机械结构的功率与效率测试功率及效率的测定归结为扭矩与转速的测量。功率的计算式为： (3-1)式中，P - 功率( 瓦 ) Mn - 扭矩(牛顿米) n - 转速(1/60 赫即转/分)回转机械的效率为: (3-2)式中，-效率P出-输出效率(瓦)P入-输入效率(瓦)因此，只要测出了机械的扭矩和转速，即可计算出机械的功率和效率。一、扭矩的测量从材料力学知，一根圆轴在扭矩Mn作用下，其表面的剪应力(3-3)式中， Wn- 圆轴的抗扭截面模量,对于实心轴；对于空心轴其值为 。式中，d - 实心圆轴直径; D。-空心圆轴的外径;d。-空心圆轴的内径; =d。/D。在弹性范围内，对应剪应变(3-4)式中，G -剪切弹性模量。同时,相距L的两个断面之间产生的相对扭转角,其值可由下式确定。 (3-5)式中，Jn-断面的极惯性矩,对于实心轴,对于空心轴从式(3-4)、(3-5)可见,只要轴的尺寸d或 D。、d。及L确定。材料的剪切弹性模量G一定，转轴的剪应变和相距L两断面的转角就只与扭矩有关,且成正比例。因此扭矩的测量都是将这两个参数通过机电变换器转换成电量测量,扭矩仪即根据这原理制成。根据被转换的参数和变换器类型, 扭矩仪有下列几类：我国目前应用最多的是电阻应变片式和相位差式两种。 (一)电阻应变式扭矩仪电阻应变式扭矩仪是利用应变片将由扭矩产生的剪应变转换成电量而进行测量。应变片可直接贴在需要测量扭矩的传动轴上，也可以贴在一根特制的传动轴上制成应变式扭矩传感器，应用于各种需要测量扭矩和功率的传动试验装置上。在测量扭矩过程中，不论应变片直接贴在传动轴上,还是贴在专用轴上，都需要解决两个问题。1. 应变片的贴片位置及方向剪应变是角应变, 应变片不能直接测得剪应变,但从材料力学知剪应变可由下式求得:=45-135式中，45 沿轴线45方向贴片测得的应变值;135沿轴线135方向贴片测得的应变值。因此,只要我们沿轴线成45和135方向贴片,并将这两个应变片分别接在电桥相邻的两个桥臂中，从电桥的加减特性可知应变仪的读数就是剪应变值。再根据标定曲线就可换算成扭矩值。为了提高测量的灵敏度,并消除其它力学参数的影响,通常在传动轴上选取适当的截面,在截面圆周方向每隔90布置一个应变片。其贴片方向沿轴线成45和135的方向(图3-1a)，并将它们接成全桥的测量形式，如图3 1所示。当传动轴直径很小，贴片位置受到限制且只承受扭矩，可沿轴线在不同截面上贴片。如图3- 1中C。2.扭矩信号的传输目前常见的扭矩信号传输方式如下: (1)电刷 滑环集流装置它分为径向电刷 滑环集流装置和端面电刷 滑环装置两种。其结构形式虽不同,但信号传输原理是一样的。图3-2所示即为端面电刷滑环集流装置结构。由套筒1、绝缘环2、滑环3构成集流环。套筒有各种尺寸。套在被测轴上或专用弹性轴上。应变片通过导线接到滑环上，滑环的端面有与之相接的电刷4，电刷靠簧片5压紧在端面上,并与外壳6相连。为了防止电刷在振动的影响下离开滑环。电刷有一定的预紧力。应变产生的电信号就是通过电刷和端面接触传递出去的。套筒与外壳在测量过程中作相对运动。所以中间装有轴承7。图3-1 传动轴上贴片位置和贴片方向对于半桥测量,集流环和电刷有三对。对于全桥测量,集流环和电刷有四对。这种集流装置结构简单。坚固耐用維修方便。但是它的接触电阻易受振动影响而波动,影响测量精度。图3-2 端面电刷滑环集流装置的结构图3-3 感应式集流装置1 套筒; 2 绝缘环; 3 滑环; 4 电刷; 5 簧片; 6 外壳; 7 轴承。1 内套筒; 2 外套筒; 3、4、5、6 槽形环; 7、8 屏蔽环。 (2)水银集流装置此装置内外接触环借助水银接触。优点是接触电阻稳定，噪音小；但其制造精度高，密封要好。水银在高温下工作时易蒸发逸出。对人体有毒害。因而使用受限制。(3)感应式集流装置它是利用电磁感应的原理将旋转部分的电信号藕合到固定部分上去的，除去了各种触点。因而称为无接触集流装置。也称变压器式集流装置。图3-3a是电路图。B是结构原理图。贴在被测轴上的四个应变片接成全桥。四个接点分别接到两个变压器T1和T2上，T1为供桥变压器。它的初级线圈S1，接到测量仪表的振荡电路或其它电源上次级线圈S2将交流载波电压供给电桥。T2为输出变压器。它的初级线圈S3，接在电桥的输出端, 次级线圈S4与应变仪或其他测量仪器相连。在这种集流装置的内外套筒1和2上，分别装有纯铁槽形环3、4、5、6,变压器的线圈S1、S2、S3和S4就绕在其中。为了防止两个变压器相互干扰。中间用非磁性材料制成的屏蔽环7、8隔开。内外套筒也用非磁性材料制成。内套固定在被测轴上,随轴一起转动, 外套固定在台架上。这种集流装置的优点是无接触电阻的影响，体积小、惯性小，其缺点是易受外磁场的干扰。(4)无线传输随着无线电发射技术和接收技术在测试中的应用。近年来愈来愈多地利用近程遥测装置进行扭矩测量。被测轴上固定信号发射装置,应变片接到发射装置上,应变信号通过发射装置的天线发射出来。由接收装置接收、放大并显示。图3-4 应变片式扭矩传感器结构原理图3. 应变式扭矩传感器图3-4(a)为DN-II型应变式扭矩传感器的结构原理图，(b)则为接桥方式及应变信号传输原理图。图中，W1和W2是固定在旋转轴上的两个变压器线圈，随轴一起旋转。W3和W4则是固定在传感器壳体上的两个不动的变压器线圈。W1和W3组成供桥电压输入变压器, W2和W4组成信号输出变压器。四片应变片R1、R2、R3、R4在轴上沿与轴线成45和135方向粘贴,组成全桥。测量扭矩时，在线圈W4两端即有电压信号输出。应变式扭矩仪的测量仪表大多采用应变仪,测出应变后利用标定换算成扭矩值,也有专用的二次仪表,如DN型扭矩测量仪等。(二)相位差式扭矩仪1、基本原理根据式(3 - 5)，可见一根受扭的轴在扭矩Mn的作用下,轴上间隔一定距离的两个断面之间将产生一个相对转角,如果在这两个断面上各安装一个机电信号变换器,则两个信号变换器产生的电信号之间将有一个相位差。由于角正比于扭矩Mn, 相位差又正比于角,因而相位差也正比于扭矩Mn测出相位差后,根据标定曲线就可获得扭矩值。图3-5 ZS 1型光电式相位差传感器的机构1 弹性轴; 2、3 分度盘;4 壳体; 5、6 光电管; 7 光源; 8 轴承。图3-6 JSC 1型磁电式相位差扭矩传感器的结构1 弹性轴; 2 轴承; 3 壳体;4 磁钢; 5 导磁环; 6 线圈;7 内齿轮; 8- 外齿轮; 9套筒;10 电机; 11 三角皮带2、相位差式扭矩传感器。常用的相位差式扭矩传感器有光电式和磁电式两种。a:光电式电脉冲传感器。图3-5为ZS-1型光电式相位差传感器的结构图 弹性轴1上相隔一定距离安装两个分度盘2和3，分度盘上均匀地开了20个孔或槽。在分度盘的外面, 壳体上安装两个光电管5和6, 分度盘之间设有光源7，它与光电管处在同一直线上。弹性轴借滚动轴承8支承在壳体上,测量时轴带着分度盘转动。当分度盘的孔或槽转到与光源、光电管成同一直线时，光线照射到光电管上，光电管产生一个电脉冲。当分度盘转到将光线遮没时，光电信号即行消失。于是,轴旋转一周,两个光电管各发出20个电脉冲,如果两个分度盘安装相对应，则这两列电脉冲之间没有初始相位差； 如果两个分度盘错开一个角度，则不受力时这两列电脉冲之间就有一个初始相位差。分度盘不论用哪一种方法安装,当轴承受扭矩后，由于轴的扭转变形使两个分度盘相互转过一个角度，因而两列电脉冲之间的相位差增加。 ZS 1型光电式相位差传感器两个分度盘错开3安装,产生的两列电脉冲的初始相位差。=60承受扭矩后,两分度盘相对转角若为1.5，则两列电脉冲相位差的增量 = 30。此时实际相位差为。+ = 90。由于只有反应出扭矩的大小，因此在测量和显示仪表中必须扣除初始相位差。b:磁电式相位差传感器。图3 6所示为JSC-1型磁电式相位差传感器的结构,弹性轴1由高强度的弹性材料铍青铜制成,通过滚动轴承2支承在传感器的壳体3上,弹性轴的两端铣有键槽,利用键与被测动力及负载相连。磁电式变换器由磁钢4、导磁环5、线圈架及线圈6,不啮合的内外齿轮7和8构成,磁钢、内齿轮和导磁环均固定在由非导磁材料制成的套筒9上。外齿轮固定在弹性轴上,线圈架固定在壳体的端盖上,磁钢所产生的磁力线通过导磁环、线圈、外齿轮、内齿轮形成一个闭合磁回路。导磁环和线圈之间,线圈与外齿轮之间, 内外齿轮之间均有气隙。当磁钢的磁势一定时,磁回路中的磁通将取决于磁阻的大小,在上述回路中,气隙的磁阻是主要的。测试时,弹性轴与套筒作相对转动, 内外齿轮之间的气隙在变化, 回路中的磁阻也跟着变化,磁通也就发生了变化,于是线圈内产生感应电动势。由于齿轮的齿形是正弦形的, 线圈中的感应电动势也按正弦波形变化。变化的频率与内外齿轮的齿数及其相对转速有关。这类扭矩传感器中的齿轮常制成60齿和120齿,当弹性轴与套筒相对转动一周时,电信号就变化60周或120周。在齿轮齿数一定时, 电信号的周期就取决于弹性轴与套筒的相对转速,由此引出转速测量信号。由于弹性轴上装有两组磁电变换器。以产生两列电信号。弹性轴未受到扭矩时,如果两对内外齿轮安装相对应,则两信号之间没有初相位差；如果错开一个角度安装,则两信号之间有一个初始相位差。JSC-1型磁电式相位差扭矩传感器的两对齿轮错开半个齿安装,两列信号之间相位差角。=180。弹性轴承受扭矩后变形。由于两组磁电变换器相隔一定长度安装，因而两个外齿轮之间转动一个角，两列信号之间相位差也就发生变化,其增量为，正比于转角,因而也正比于扭矩Mn。由上可知,内外齿轮的相对运动是产生电信号不可缺少的条件。在测量高速传动轴的扭矩时弹性轴转动，装有内齿轮的套筒静止不动。但在测量静止壮态或转速极低的传动轴的扭矩时，弹性轴不动或转动极慢，这时要求套筒能转动;否则就无电信号输出。套筒由装在壳体上的电机10通过三角皮带11带动。为了保证测量精度,通常在测量转速低于400转分的扭矩时，均应起动电机10，带动套筒与被测轴反向旋转。这时的信号变化频率已不是被测轴的转速,因而必须另外引入转速信号。由上叙述可见,不论是光电式相位差扭矩传感器还是磁电式相位差扭矩传感器，输出脉冲信号的频率均与转速成正比。因此，均能同时测量扭矩和转速，这对需要测取功率的试验是极为方便的。另外产生脉冲信号的光电管(光电式扭矩传感器)和线圈(磁电式扭矩传感器)均装在固定不动的壳体上,因而信号输出装置简单,适宜于高速下的扭矩测量。c: 相位差扭矩仪的测量电路，分模拟式测量电路和数字式测量电路二类。模拟式测量电路。两列信号通过双稳态触发器变换成一列脉冲，其宽就是两列信号的相位差，然后通过平均值检波器输出一个相应于此脉冲列的平均电压值,送入电压指示电表显示(图3 - 7) 。如果脉冲的周期为T，脉冲的宽度为，则输出电压的平均值为: ( 3 6 )式中，A脉冲的最大幅值；图3-7 模拟式扭矩测量电路当周期T和幅值A一定时，电压的平均值和相位差成比例。数字式测量电路。现有的相位差扭矩仪大多数采用数字式测量电路,以数字直接显示扭矩值,因而又称为数字式测扭仪,尽管类型很多,但原理大致相同。图3-8 为其中一种测量电路的方框图和波形图。图3-8 数字式测量电路的方框图和波形图A、B 整形放大电路; C 鉴相电路; V 时间脉冲发生器E 与门一; F 定时电路; G 与门二; H 时间系数开关;J 计数器; K 零位调整开关。两组信号1和2，分别通过整4放大电路A和B，将正旋波转化为方波。方波进入鉴相双稳态触发电路C，以其负向越零作为鉴相双稳态触发脉冲，信号1作为开门信号,信号2作为关门信号。这样, 鉴相器的输出亦为一个矩形波，其脉冲宽度就是两个信号的相位差。+。将此相位差信号和由时钟脉冲发生器D所产生的1兆赫的时间脉冲信号一起送入与门E，当有相位差脉冲时，与门E打开，时间脉冲信号通过，当相位差脉冲消失时，与门E关闭, 时间脉冲信号不能通过。这样，就得到与相位差。+成正比的时间脉冲。为使计数器能直接显示扭矩值，用定时电路F控制与门G,当定时信号接通时，与门G打开，由与门E送入的时间脉冲通过与门G，当定时信号截止时，与门G关闭。在这段时间t内，通过与门G的时间脉冲信号数与相位差。+和定时时间t成正比。定时信号t的大小由系数开关H控制，改变系数可使定时时间t改变,从而改变进入与门G的时间脉冲累计量N。为使显示的扭矩值代表实际轴所承受的扭矩,这个系数是在扭矩传感器标定时获得的。即在扭矩传感器上加上一个已知的扭矩。而后调整扭矩仪上的系数开关,直到数码管上显示出该已知扭矩值。系数开关上的系数值能够保证读数代表实际的扭矩值。每台传感器的系数是不一样的。传感器出厂时均有标定。从与门G出来的时间脉冲数送入计数器中进行计数。这时应考虑到与门G送来的脉冲数中有一部分是初始相位差包含的脉冲数No,数码管的显示数据中不应包含这一部分值。为此采用零位调整开关K,给计数器一个预置数来补偿。在加载前, 数码管的显示值就是初始相位差。所包含的脉冲数值No,零位开关使预置数与No的和等于10 。由于仪器的数码管仅有四位,万位数溢出不显示,这就实际上将No从显示值中扣除,加载后, 扭矩的直读值实际为N No的脉冲数,从上述原理可得被测扭矩的计算式 ( 3 7 )式中，K扭力轴的转换常数; f。间脉冲频率;Z 传感器中齿轮的齿数;N通过与门的时间脉冲总数;No相当于初始相位差的时间脉冲数。扭力轴的转换常数 ( 3 8 )式中，d弹性轴的直径;G弹性轴的剪切弹性模量。从式( 3 8 )可见,当传感器一定时，K、Z、初始相位差。一定。如果时间脉冲频率也一定，则数码管显示的数值N No与被测扭矩之间只有一个时间系数t可被人为地调整。标定时，确定了t，测量时显示的数值就代表了真实被测扭矩值。二、转速的测量转速计根据工作原理分为计数式、模拟式和同步式三大类。计数式转速测量的方法是用某种方法数出一定时间内的总转数;模拟式的测量方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量(如离心力、发动机的输出电压)的变化,同步式的测量方法是利用已知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测出转速,根据转速转换方式的不同。测量方法列表如下:(见表3 - 1) 。下面着重介绍光电式转速计的结构和原理。光电式转速计将转速的变化变换成光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量的变化。光电转换元件的工作原理是光电效应。从物理学得知：光可以看成一连串的具有一定能量的粒子(称为光子)所构成。所以，当金属或半导体表面受到光的照射时,它的表面层受到一连串具有能量的光子轰击。使这些物质中的电子动能增大，因而产生：电子逸出表面；物质的导电率发生变化；在某方向上产生电动势。这种现象统称为光电效应。也分别称为外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应。根据外光电效应制成的光电转换元件有光电管，光电倍增管等。根据内光电效应制成的光电转换元件有光敏电阻以及由它构成的光导管。根据阻挡层光电效应制成的光电转换元件有光电池和光电晶体管。在光电式转速计中,主要利用光电管将光脉冲变成电脉冲，光电管是在玻璃泡内装两个电极,一为光电阴极,一为阳极,(见图3-9 )将光电材料贴附在玻璃泡内壁，或者涂敷在半圆形的金属片上，便构成光电阴极。在阴极的前面,装有单极金属丝或环装的阴极。当阴极受到光线照射时,便发出电子。如果在光电管的阳极上接上正电位,则电子被阳极吸引。形成光电流。如果光源发出的是光脉冲,则形成电脉冲。由光电管构成的转速计分反射型和直射型两种:反射型光电转速计的工作原理见图3-10,金属萡或反射纸带沿被测轴7的圆周方向按均匀间隔贴成黑白反射面,传感器对准此反射面,光源1发射的光线经过透镜2成为均匀的平行光,照射在半透明膜片5上,部分光线透过膜片,部分光线被反射,经聚光透镜3聚成一点,照射在被测轴黑白相间的反射面上。当轴转动时,贴有金属萡的间隔将光线反射。无金属萡的间隔不能反射。反射光再经透镜3照射到半透明膜片上,透过半透明膜片并经聚焦透镜4聚焦后, 照射在光电管的阴极上,使阳极产生光电流。由于轴7上黑白间隔,转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的光脉冲,使光电管产生相应的电脉冲。当间隔数一定时,该电脉冲数与转速成正比,电脉冲数送至数字测量电路,即可计数和显示。图3-9 光电管图3-10 反射型光电转速计的原理1 光电阴极; 2 阳极差1 光源;2、3、4 透镜5 半透明膜片;6 光电管;7 被测轴 表3-1 转速测量方法分类表型 式测量方法适用范围特 点备 注计数式机械式通过齿轮传动数字轮中、低速简单,价廉与秒表并用,也可在机械中加入计时仪。光电式利用来自被测旋转体上光线, 使光电管产生电脉冲。中、高速、最高可测2500转分。没 有 扭 矩 损失,简 单。数字式转速计电磁式利用磁电转换器将转速换成电脉冲。中、高速。数字式转速计模拟式机械式利用离心力与转速平方成正比的关系。中、低速。简 单陀螺测速仪发电机式利用电机直流或交流电压与转速成正比的关系。最 高 可 测10000转分。可远距离指示测速发电机电容式利用电容充放电回路产生与转速成比例的电流。中、高速。简单, 可远距离指示。同步式机械式转动带槽的圆盘,目测寓于旋转体同步的转速。中 速无扭矩损失闪光式利用已知频率闪光测出与旋转体同步的频率。中、高速无扭矩损失。 直射型光电转速计的工作原理见图3-11,转轴1上装有带孔的圆盘2,圆盘的一边设置光源3,另一边设置光电管4,圆盘随轴转动,当光线通过小孔时, 光电管产生一个电脉冲。转轴连续转动, 光电管就输出一列与转速及圆盘上的孔数成正比的电脉冲数。在孔数一定时,该列脉冲数就和转速成正比。为使同一转的脉冲数增加,将圆盘上的孔改为槽。为了获得线光源。在光源与圆盘之间放置开有同样窄槽的光柵。电脉冲送入测量电路放大和整形。再送入频率计显示,也可专门设计一个计数器进行计数和显示。 图3-11 直射型光电转速计原理1 转轴;2 圆盘;3 光源;4 -光电管三、功率、效率试验台架的设计及安装功率、效率试验台架的具体结构形式是多种多样的。但对于机械结构的功率和效率测定,其试验台架可归结为开式试验台和闭式试验台两大类。本试验使用闭式试验台进行试验。闭式试验台是“功率流封闭的试验台”的简称。这种试验台的最大优点是耗能小;因而在诸如齿轮及其传动装置的试验中得到了广泛的应用。常见的闭式试验台有电封闭式,液压封闭式和机械封闭式几种形式,这里仅介绍用机械方法构成封闭功率流的闭式试验台。机械闭式效率试验台的一般形式如图3-12所示。图中,变速箱和变速箱的内部结构完全一样,相当于把两个完全一样的齿轮变速箱背对背地安装。设变速箱上轴与轴的转速比为,则变速箱上轴与轴的转速比为1。另外,图中的受试机械与陪试机械也是背对背地进行安装,即把陪试机械的输出轴与受试机械的输出轴之间用弹性联轴器连接起来,设受试机械输入、 输出轴的速比为,则陪试机械轴与轴的转速 为1。这样,图示机械封闭系统正常的条件是系统的总传动比为1,即:总体传动比为。图3-12 机械闭式效率试验台的一般形式为了给受试机械加载,可以通过加载装置设法在传动轴的两端施加大小相等,方向相反的扭矩Mr,通过封闭传动链，同时也将使轴、和都处在内扭矩Mr的作用下,亦即在整个封闭系统中便保留了扭矩Mr的作用加上了载荷。若使封闭传动系统的传动轴以角速度运转,则随着封闭系统运动的传递,在封闭系统中将有Mr的功率周而复始地循环传递。必须指出, Mr虽然具有功率的量钢,但它不是由外力所产生的功率供给的,此外, Mr也不能输出到封闭系统之外。因此,我们称Mr为“封闭功率”,或叫“循环功率”,显然, 封闭功率不是由动力装置提供的, 动力装置只是使封闭系统中的传动轴能够以的角速度转动转动而已。还应当注意, 封闭系统在运转时,不可避免地会因摩擦、振动或搅油等因素而导致功率损失。换言之,任何一个机械装置都不可能达到100%的效率。这样,要维持封闭系统的正常运转, 动力装置还必须输入封闭系统一定的功率,这个功率仅用于弥补系统内的摩擦损耗功率。由于摩擦损耗功率很小,因此,所需动力装置的功率也很小。根据经验,一般仅为封闭功率的十分之一至五分之一左右。在封闭系统内可以有很大的循环功率以满足试验要求,而完成试验所消耗的能量则很少,这是闭式试验台的最大优点。封闭系统的加载方式(即给传动轴两端施加大小相等,方向相反的扭矩Mr的方式)有很多种,常用的有扭力杆式加载,液压加载、摇摆箱式加载、磁粉制动加载等方式，本实验中使用磁粉制动器进行加载。根据上述分析,我们知道,动力装置输入到封闭系统的功率是用以弥补封闭系统内的摩擦损耗功率,这里包含了试验台架本身的损耗功率和受试机械与陪试机械的损耗功率,而我们所要测量的则是受试机械的损耗功率。因此,在进行正式试验前,还必须先对台架本身进行标定,即测出在不同载荷情况下台架本身的损耗功率。标定的方法是:用动力装置与变速箱轴之间安装的扭矩、转速传感器检测动力装置输入到封闭系统的补充功率;而用与变速箱的轴相连的扭矩、转速传感器2来检测输入到受试机械输入端的功率。但在标定时,需要先把受试机械与陪试机械去掉,而用一根刚性轴取代之,这样, 扭矩、转速传感器1所检测到的功