基于自制螺旋傳動副效率測試裝置的機械原理效率驗證實驗

李純金，周宏根，石統(tǒng)浚，康 超，劉志強，田桂中，王 磊

（江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

機械原理課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程等專業(yè)必開設(shè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。課程以理論聯(lián)系實踐為導(dǎo)向，通過理論講授、案例分析為主線展開課堂理論授課，課外需通過實驗來驗證、加固理論授課知識點的理解、消化[1]。機械效率是機械本身的一種固有特性，主要和機械有關(guān)的因素有：機械零件材料、運動副類型、運動副元素表面加工光潔度、運動副潤滑狀態(tài)、機械結(jié)構(gòu)幾何尺寸、機構(gòu)受力方向等。效率計算方法主要有：輸出、輸入功比法，輸出、輸入功率比法，在克服同樣阻抗力條件下的所需理想驅(qū)動力與實際驅(qū)動力比法[2]。

江蘇科技大學(xué)目前開設(shè)的實驗項目都沒有涉及機械效率知識點，每每講授效率知識點時，學(xué)生都感覺非常迷惑，因而萌發(fā)自制實驗設(shè)備的想法，在我校實驗室建設(shè)經(jīng)費的資助下，開發(fā)了一套用于測試滑動螺旋副、蝸桿副的效率實驗裝置。

1 螺旋副效率測試裝置研制

1.1 實驗裝置總體結(jié)構(gòu)方案

圖1 為實驗裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖，實驗裝置采用框架結(jié)構(gòu)布局。設(shè)備架由型材拼焊而成，主傳動機構(gòu)安裝在設(shè)備架上，設(shè)備安裝平臺裝有扭矩傳感器、磁粉制動器和步進電機等器件。安裝平臺下方設(shè)裝電氣控制柜，控制面板安裝在設(shè)備架一側(cè)，設(shè)備架橫梁裝有用于絲杠加載的動態(tài)加載裝置。

圖1 螺旋副效率測試裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 為傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，總體傳動采用二級混聯(lián)傳動。第一級：輸入蝸桿（蝸桿副采用非自鎖雙頭蝸桿）帶動渦輪轉(zhuǎn)動；第二級：采用并聯(lián)傳動，一路通過渦輪（渦輪輪轂內(nèi)圈設(shè)有梯形螺紋與絲杠形成滑動螺旋）帶動梯形絲杠上下運動（絲杠軸向開設(shè)導(dǎo)向鍵槽與上支柱形成導(dǎo)向鍵互聯(lián)），另一路通過渦輪帶動輸出桿轉(zhuǎn)動（和輸入蝸桿副同屬非自鎖雙頭蝸桿）。

圖2 傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電氣控制原理圖

測試設(shè)備電控元器件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，通過cvb輸入、輸出扭矩傳感器測試輸入與輸出載荷，用于測試蝸輪副效率。利用輸入扭矩傳感器和輸出壓力傳感器測試梯形滑動螺旋副效率。利用接近開關(guān)控制傳動最大位移，利用功率放大器、磁粉制動器施加附加載荷。電控原理如圖4 所示，主要的電器元件規(guī)格型號見表1。

表1 電氣元件型號表

圖3 電氣結(jié)構(gòu)圖

圖4 電控原理圖

1.3 加載運動控制策略

實驗裝置的動力輸入采用適配的驅(qū)動器驅(qū)動三相混合式步進電機，保證步進電機在高速運轉(zhuǎn)下仍能有高轉(zhuǎn)矩輸出。在步進電機啟動和停止設(shè)置斜坡加速和斜坡減速過程，降低電機低速振動的現(xiàn)象，提高運行平穩(wěn)性。工控屏與PLC 通信，可以實時監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和變化趨勢。蝸輪蝸桿傳動的輸出端設(shè)有磁粉制動器，用來調(diào)整實驗過程中的加載量；絲杠輸出端設(shè)有動態(tài)加載裝置，實現(xiàn)輸出端的加載功能。

2 效率測試路線與測算方法

2.1 效率測試路線

實驗裝置集成了蝸輪蝸桿傳動和絲杠傳動兩種典型的螺旋副傳動機構(gòu)。圖5 為實驗裝置的混聯(lián)總傳動路線，混聯(lián)的第一條傳動測試路線，用于測試蝸桿副效率。第二條測試路線，用于測試滑動螺旋絲杠副效率。

圖5 實驗裝置總體傳動路線

2.2 測算方法

2.2.1 渦輪副測算

渦輪副二級串聯(lián)測試路線，蝸桿1 正向驅(qū)動渦輪效率為η1，渦輪反向驅(qū)動蝸桿2 效率為η2，路線測試的總效率為：η12=η1× η2，測算出ρv，帶入（1）（2）式計算出η1和η2。

2.2.2 滑動絲杠螺旋副測算

渦輪副、滑動螺旋副二級串聯(lián)測試路線，蝸桿1正向驅(qū)動渦輪效率為η1，渦輪（輪轂內(nèi)圈相當(dāng)于梯形螺母）反向驅(qū)動蝸桿2 效率為η3（滑動螺旋絲杠副），該路線測試的總效率為：η13=η1×η3，根據(jù)測試的η13和η1解算出η3。

2.2.3 螺旋副制備參數(shù)與效率測試結(jié)果

自制效率測試實驗裝置的渦輪副采用阿基米德螺旋，蝸桿采用雙頭右旋螺旋，蝸桿導(dǎo)程角γ= 11.309°，軸向模數(shù)4 mm，直徑系數(shù)10，齒形角20°，加工制造精度7 級；滑動絲杠螺旋副采用梯形螺紋，螺紋公稱直徑70 mm，螺距10 mm，齒形角15°，螺紋升角2.799°，加工制造精度7 級。渦輪材料采用HT250，蝸桿、絲杠皆采用45#調(diào)質(zhì)處理硬度230HBS。

根據(jù)以上測試原理和解算方法得到：蝸桿主動效率為0.5761，渦輪主動效率為0.3035，滑動絲杠螺旋副的效率為0.2041。測試結(jié)果與理論分析計算結(jié)果比較吻合，說明該測試方案切實可行。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)尚未見報道與機械原理課程機械效率分析知識點相契合的教學(xué)實驗設(shè)備。自制一套機構(gòu)傳動效率測試裝置對于提高教學(xué)質(zhì)量、踐行卓越工程師培養(yǎng)計劃及推進機械原理實驗課程改革都具有現(xiàn)實意義。通過對近幾年增開該項實驗教學(xué)效果的分析，發(fā)現(xiàn)近幾屆學(xué)生學(xué)習(xí)機械原理的興趣明顯變濃厚，同時激發(fā)了學(xué)生開發(fā)測試實驗的創(chuàng)新意識。

本研究的螺旋副效率測試實驗裝置實施方案，可作為高等院校機械類專業(yè)自制效率驗證實驗設(shè)備參考，也可為產(chǎn)業(yè)界機械產(chǎn)品開發(fā)搭建效率測試實驗方案作參考。