第4章 机械性能和工作能力的测试与分析
4.1 概述
提高机械及其零部件的性能和工作能力是提高机械产品质量的关键。机械及其零部件的性能和工作能力的测试涉及运动学特性、动力学特性、精确度、承载能力、可靠性、安全性、人机工程、节能环保等，项目和内容十分广泛，其基本内容包括机械传动的效率、振动、噪声等，这些测试项目常常作为评定机械产品性能的基本质量指标。因此，掌握机械性能和工作能力的测试方法，对于研究、改进和创新机械以及对机械设备进行故障诊断具有重要的意义。
4.2 机械设计展示开放实验
4.2.1实验目的
通过实验对各种机械零部件、各种传动装置的结构组成形式以及润滑与密封、零件的失效形式等有一个比较全面的认识与了解。
4.2.2实验设备
机械设计示教板，由18个陈列柜组成，如图4-1所示。
图4-1 机械设计示教板
4.2.3实验内容
（1）螺纹联接1：螺纹的类型、螺纹联接的基本类型、常见的各种螺纹联接件；
（2）螺纹联接2：螺纹联接的防松、提高螺纹联接强度的措施、螺纹联接的装拆；
（3）键、销和花键联接；
（4）铆、焊、粘和过盈联接；
（5）带传动1：V带传动、平带传动、同步带传动及带传动的张紧装置；
（6）带传动2：平带的材料与接头形式、V带的结构与型号、其它带传动、各种带轮的结构；
（7）链传动：滚子链的结构与接头形式、齿形链、无级变速链、起重链、链传动的布置与张紧；
（8）齿轮和蜗杆传动：齿轮的结构、蜗杆的类型、蜗轮的结构；
（9）滑动轴承：轴瓦与衬的材料、滑动轴承的结构、动压滑动轴承油膜压力分布；
（10）滚动轴承1：滚动轴承的结构、常用类型与代号、尺寸系列、滚动轴承的装拆；
（11）滚动轴承2：内圈和外圈的固定方法、轴承的预紧与调整、密封、轴承座的形式；
（12）联轴器：刚性固定式、刚性可移式、弹性联轴器、安全联轴器；
（13）离合器：牙嵌离合器、摩擦离合器、安全离合器、离心式离合器、超越离合器；
（14）轴1：轴的承载类型、轴的结构类型、轴的结构设计；
（15）轴2：轴上零件的定位；
（16）弹簧：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧、组合弹簧以及弹簧的应用；
（17）润滑与密封：润滑装置、密封件、润滑剂；
（18）机械零件的失效形式：残余变形、断裂、磨损、胶合、点蚀、腐蚀。
4.3 带传动实验
4.3.1实验目的
（1）通过实验观察弹性滑动现象和过载后的打滑现象；
（2）测试带传动过程中的负载变化规律，绘出皮带的滑动曲线和效率曲线；
（3）掌握悬架电机测定转矩的方法。
4.3.2实验设备
DCSII型带传动实验台和微型计算机。
4.3.3实验原理
4.3.3.1 机械结构
本实验台机械部分，主要由两台直流电机组成，如图4-2所示。其中一台作为原动机，另一台则作为负载的发电机。
图4-2 带传动实验台机械结构
1. 从动电动机 2. 从动带轮 3. 传动带 4. 主动带轮 5. 主动电动机 6. 牵引线
7. 滑轮 8. 砝码 9. 拉簧 10. 浮动支座 11. 固定支座 12. 底座 13. 拉力传感器
原动机由可控硅整流装置供给电动机电枢以不同的端电压，实现无级调速。
发电机，每按一下加载按键，即并上了一个负载电阻，使发电机负载逐步增加，电枢电流增大，随之电磁转矩也增大，即发电机的负载转矩增大，实现了负载的改变。
两台电机均为悬挂支撑，当传递载荷时，作用于电机定子上的力矩T1（主动电机力矩）、T2（从动电机力矩）迫使拉钩作用于拉力传感器，传感器输出电信号正比于T1、T2的原始信号。
原动机的机座设计成浮动结构（滚动滑槽），与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一起组成带传动预拉力形成机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预拉力F0。
两台电机的转速传感器（红外线光电传感器）分别安装在带轮背后的环形槽中，由此可获得所需的转速信号。
4.3.3.2 电子系统
电子系统的结构框图如图4-3所示。
4.3.4实验步骤：
（1）根据要求加一预拉力，加减砝码。
（2）打开实验台电源，按一下清零，此时，主被动电机转速显示为0，力矩显示为“.”，当力矩显示为“0”时，调节调速按钮，同时观察实验台面板上主动轮转速显示屏上的转速，使主动轮转速达到预定转速1200～1300r/min时，停止转速调节。
（3）启动“带传动实验系统”程序。首先选择串口1，执行菜单命令“数据采集”，开始采集实验数据。
（4）按“加载”键一下，调节主动转速，使其在要求范围内，待转速稳定（一般需2～3个显示周期）后，再按“加载”，如此往复，直至实验台面板上的八个发光管指示灯全亮为止。此时实验台面板上四组数码管将全部显示“8888”，表明所采数据已全部送至计算机。
（5）如果数据采集正常，计算机屏幕将显示所采集的数据，否则需要重新进行数据采集。将所采集的实验数据记录下来。
（6）在计算机上选择菜单中的数据分析功能，将显示本实验的曲线和数据。可以进行不同的数据拟合。
（7）实验结束后，将实验台电机调速电位器关断，关闭实验机构的电源。
图4-3 实验台电子系统框图
图4-4 程序界面
4.3.5实验台主要技术参数
（1）直流电机功率：2台×50W
（2）主电机调速范围：0～1800r／min
（3）额定转矩：T＝0.24N·m≈2450g.cm
（4）电源：220V交流
4.3.6 实验台操作面板布置
实验台操作面板布置如图4-5所示。
图4-5 带传动实验台操作面板
4.3.7思考题
（1）绘制带传动效率—负载曲线和弹性滑动系数—负载曲线。
（2）解释产生弹性滑动现象的原因。
（3）改变初拉力对带传动有什么影响？
4.4 齿轮传动效率的测定实验
4.4.1实验目的：
（1）了解封闭功率流式齿轮实验台的结构特点和实验基本原理；
（2）掌握齿轮传动效率的测定方法。
4.4.2实验设备
CHT型封闭功率流式齿轮试验台。
4.4.3实验原理：
4.4.3.1 封闭功率流式齿轮实验台结构原理及加载方法。
根据功率流的传递和加载方法的不同，齿轮实验装置通常可分为“开放功率流式”和“封闭功率流式”两大类。所谓“封闭式”，主要是将实验装置设计成一个封闭的机械系统，它不需要外加的加载设备，而是通过系统中的一个特殊部件来加载，用以获得为平衡此系统中弹性件的变形而产生的内力矩（封闭力矩）。运转时，这些内力矩相应做功而成为封闭功率，并在此封闭回路中按一定方向流动。如图4-6所示。
图4-6 齿轮实验台简图
1—电动机；2—齿轮传动箱；3—加载器；4—齿轮传动箱；5—弹性轴
图中1为实验台的动力源——交流平衡电机，此电机通过两个滚动轴承座，将整个电机悬挂起来，定子可以绕转子轴360°回转。2和4为结构尺寸完全相同的两个齿轮传动箱，分别装入a、b和c、d两对参数相同的齿轮。齿数满足Za＝Zc，Zb＝Zd的条件；3为加载用的特殊部件；5为弹性轴。五个部件通过联轴节组成一个封闭的机械系统。
加载装置为封闭式齿轮实验台的重要组成部分，具体结构形式很多。本实验台采用“轴移式斜面加载”。无论怎样改变结构形式，实质就是通过某种手段使齿轮啮合处工作齿面之间相互挤压，产生不同的负载。图4-7为轴移式斜面加载器的结构原理图。图中1为套筒，一端开有螺旋槽通孔，另一端开有长方形槽通孔，通过两端带有滚子的拨销轴2和3，将轴4和5联结起来。若使套筒1在力F的作用下有一轴向位移，则套筒通过螺旋槽面对销轴两端的滚子施加了一个力矩的作用，此力矩通过拨销轴作用在轴4上，使轴4和5产生扭转角位移，从而使弹性轴产生扭转变形，使两对齿轮在啮合处受到了载荷。引起套筒轴向移动的力F是靠砝码实现的。改变轴向力F的大小，就可改变弹性轴的扭转变形量的大小，从而也就改变了齿轮上载荷的大小。
轴移式斜面加载器最大特点就是可以在运行当中改变载荷的大小，给实验带来了方便，无论是在系统静止时还是系统运转时，都可以根据需要任意改变载荷的大小。在这种情况下，由于载荷已体现为封闭系统的内力，因此，电动机所提供的动力，主要是用于克服系统中各传动件的摩擦阻力，其能量损耗相应比较小，因而可以大大地减小电动机的容量。封闭式实验台的这种优点，对于需要大批量、长时间、重载荷的齿轮试验显得尤为重要。
图4-7 轴移式斜面加载器结构原理图
1—套筒；2、3—销轴；4、5—轴；6—滚子
根据图4-7所示的加载器结构尺寸，可以计算出加载器作用在系统中的扭矩MB。
式中 G－砝码质量（kg）
d－拨销轴滚子作用直径，mm，本实验台d＝43mm
－螺旋角，度 ＝11.14°（实验台编号886）及 ＝15°（实验台编号881）。
4.4.3.2 效率的测定和计算
效率
是评定齿轮传动质量的重要指标。齿轮效率测定一般是指齿轮箱的效率测定，其中包括轴承损耗、搅油损耗等，单纯的齿轮副效率测定是比较困难的。
效率是输出功率N出和输入功率N入之比
对于封闭式齿轮试验装置，在测定效率时，需要首先判明齿轮的主动和从动关系，以及功率的流动方向。根据图4-6所示，当加载器在砝码的作用力F的作用下产生向右的位移时，齿轮1受到一力矩载荷MB，其方向为B向逆时针，但由于在系统中b齿轮的啮合阻力，a齿轮的齿面受力为B向顺时针，由于电机的转向也是B向顺时针，所以，a齿轮的受力方向和转动方向是一致的。根据齿轮的受力分析，从动齿轮切向力方向和转动方向相同，所以a齿轮是从动齿轮。那么与a齿轮同轴的c齿轮即为主动齿轮，所以功率流的方向就是从c齿轮到d齿轮，再从b齿轮到a齿轮，呈顺时针的流动方向，如箭头所示的流动方向。
在封闭式齿轮传动系统中，电机的输出功率基本上是补充系统中的损耗功率，其中主要是齿轮传动的功率消耗。如果我们能够知道电机的输出功率，即系统的损耗功率，又知道封闭的输入功率，其效率即可算出。
本实验台中的电机为平衡电机。当电机运转时，电动机所输出的转矩大小可通过定子（机座）上的反力矩来测定。固定在机座上的平衡杠杆随定子的翻转而拉动测力计，用测力计读数乘以杠杆臂长即得到电机的输出转矩Mg，这个转矩就是系统中的功耗转矩，它的大小与电动机的输出功率成正比，在此实验台中，测力计的读数是gf，而力臂的杆长是195mm，所以功耗力矩可由下式求得：
式中 f－测力计读数。
由于实验中两个齿轮传动箱的结构参数完全相同，如果忽略其它方面的损耗（轴承、搅油、空气阻力等），可以认为两齿轮箱的传动效率相同，
。根据功率流的方向以及加载方向可列出如下方程：
式中 MB－加载封闭力矩；
Mg－电机输出功耗力矩；
－两齿轮箱传动效率。
进而推导出齿轮箱的平均传动效率的计算公式：
如果电机的转向改变，或者加载方向改变都会影响齿轮箱中齿轮的主、从动关系，进而影响封闭功率的流动方向，因此效率的计算公式也会发生变化。
4.4.4实验方法和步骤
（1）了解实验台封闭系统中各部件的名称和作用；
（2）开机前必须使测力计钩子与杠杆脱开，并事先判断好电机的转向（即要使杠杆向下翻转的电机转向），并在开机时用手按住测力杆在槽口上，以免启动时打坏测力计和测力杆；
（3）确认在未加砝码时，加载器的滚子应在螺旋槽轴向移动的起始点并离开一段距离（2mm），此时各处的间隙基本消除，然后在加载器部分加少许润滑油；
（4）开启电动机运转一段时间，大约2分钟左右，然后钩上测力计的钩子。这时测力计的读数值为空载时功耗力矩的力，这部分功耗应是一个定量损失，且与载荷无关；
（5）按一定的砝码重量差逐渐加载，每加一次砝码，维持一段时间，然后记录砝码重量和测力计读数；
（6）停机前应缓慢地逐个卸下砝码，然后脱开测力计钩子；
（7）根据记录表格画出载荷－功耗曲线和载荷－效率曲线于同一坐标系中。
4.4.5思考题
（1）绘制齿轮传动的效率曲线及功耗曲线。
（2）试分析封闭式齿轮实验台加载方法的特点。
（3）为什么要判明齿轮的主、从动关系？
（4）试推导加载方向与电机转动方向相同时的效率计算公式。
11.4 减速器拆装实验
11.4.1 实验目的
（1）了解减速器结构，熟悉装配和拆卸方法；
（2）通过拆装，掌握轴和轴承部件的结构；
（3）了解减速器各个附件的名称、结构、安装位置和作用。
11.4.2 实验设备
单级圆柱齿轮减速器、两级三轴圆柱齿轮减速器、两级圆锥圆柱齿轮减速器、单级蜗杆减速器。
11.4.3 拆装工具和测量工具
活扳手、套筒扳手、榔头、内外卡钳、游标卡尺、钢板尺。
11.4.4 减速器的构造和类型
减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮—蜗杆传动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；在少数场合下也用作增速的传动装置，这时就称为增速器。减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机械中应用很广。
11.4.4.1 减速器的类型
减速器的种类很多，按照传动和结构特点可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器、摆线针轮减速器和谐波齿轮减速器；按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。
11.4.4.2 减速器构造
减速器的基本结构由轴系部件、箱体及附件三大部分组成。
（1）轴系部件
轴系部件包括传动件、轴和轴承组合。
1）传动件。减速器箱体外部传动件有链轮、带轮等；箱体内部传动件有圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆蜗轮等。传动件决定减速器的技术特性，通常根据传动件种类确定减速器类型，其基本类型有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆蜗轮减速器等。
2）轴。传动件装在轴上以实现回转运动和传递功率。通常采用阶梯轴，传动件和轴以平键联接。
3）轴承组合。轴承组合包括轴承、轴承端盖、密封装置以及调整垫片等。
轴承一般都采用滚动轴承。
轴承端盖用来固定轴承，承受轴向力，调整轴承间隙。轴承端盖有嵌入式和凸缘式两种。凸缘式调整轴承间隙方便，密封性能好，用得较多。
密封装置用来防止灰尘等杂质侵入轴承以及防止润滑剂外漏。
整垫片用来调整轴承间隙及调整传动件的轴向位置。
（2）箱体
减速器箱体用来支持和固定轴系零件，保证传动件的啮合精度、良好润滑及密封。一般采用铸造箱体，也可以采用焊接箱体，多用于单件、小批生产。
箱体从结构形式上可分为剖分式箱体和整体式箱体。剖分式箱体的剖分面多为水平面，与传动件轴心线平面重合。一般减速器只有一个剖分面。
（3）附件：为了完善减速器的性能及便于搬运、拆装等，需要在减速器箱体上设置某些装置或零件，统称为附件。包括视孔与视孔盖、通气器、油标、放油螺塞、定位销、启盖螺钉、调运装置、油杯等。
11.4.5 实验内容
（1）了解铸造箱体的结构；
（2）观察了解轴承部件的安装、拆卸、固定、调整对结构的要求；
（3）观察了解减速器附件的作用、结构和安装位置；
（4）了解轴承的润滑方式和密封装置，包括外密封的形式。轴承内侧挡油环、封油环的工作原理及其结构和安装位置；
（5）了解轴承的组合结构以及轴承的拆、装、固定和轴向游隙的调整；测绘高速轴及轴承部件的结构草图。
11.4.6实验步骤
（1）卸下轴承端盖的螺钉，取下轴承端盖和调整垫片；
（2）卸下上、下箱体联接螺栓及轴承旁联接螺栓，拔出定位销，利用启盖螺钉打开箱体上盖；
（3）观察分析轴系部件的结构，并思考如下问题：对轴向游隙可调的轴承应如何进行调整？轴承是如何进行润滑的？如箱盖的结合面上有油沟，则箱盖应采取怎样的结构才能使飞溅在箱壁上的油流回到箱座上的回油槽中？油槽有几种加工方法？为了使润滑油经油槽进入轴承，轴承盖端面的结构应如何设计？在何种条件下滚动轴承的内侧要用挡油环或封油环？其工作原理、构造和安装位置如何？
（4）测量相关尺寸，填入表11-8；
（5）测绘高速轴及其支撑部件的结构草图。
11.4.7 注意事项：
（1）拆装过程中把零件放到适当的位置，不乱丢；
（2）做完实验后要向老师汇报，老师检查完后才可以离开；
（3）实验完毕将仪器放回原处，把桌椅板凳摆放整齐。
表11-8 减速器拆装实验数据记录表
11.4.8思考题：
（1）如何保证箱体支撑具有足够的刚度？
（2）轴承座两侧的上下箱体连接螺栓应如何布置？
（3）如何减轻箱体的重量和减少箱体加工面积？
（4）各辅助零件有何用途，安装位置有何要求？