齿轮传动效率测定试验装置的研究进展*

王 成 魏子尧 崔焕勇 张清萍 王文明

(济南大学机械工程学院，山东济南 250022)

齿轮的传动效率关系到环境污染和经济效益，其研究越来越受到人们的重视［1－11］。齿轮传动效率测定试验装置的设计对于理论验证至关重要。此外，齿轮箱在出厂之前一般进行测试试验，这其中就包括效率检测［12］。

齿轮传动效率测定试验装置包括功率开放型齿轮试验装置和功率封闭型齿轮试验装置两类［13］(如图1所示)。其中，功率开放型齿轮试验装置由于具有结构简单等特点，多应用在中小载荷非长期运转的试验中。随着传动装置功率的增大，大容量的原动机和耗能负载问题难以解决，加之人们越来越意识到节能降耗的重要性，这些都使开放型齿轮试验装置不能适应发展的要求。功率封闭型齿轮试验装置克服了功率开放型齿轮试验装置耗能高的缺点，相比开放型试验装置，封闭型试验装置能节省90%的能耗，因此适用于长期运转的齿轮效率试验中。

耗能负载是功率开放型齿轮试验装置的关键部件。加载器的不同将功率封闭型齿轮试验装置分为多类。此外，被试齿轮箱传递功率的计算方法决定功率试验装置的设计。因此，本文就以上问题展开介绍。

1 功率开放型齿轮试验装置

功率开放型齿轮试验装置是由原动机、试验齿轮箱和耗能负载等组成。功率由原动机出发，经试验齿轮箱，最后由耗能负载全部消耗，功率流向未形成封闭回路。其构成原理如图2所示。功率开放型齿轮试验装置的优点包括:结构简单、体积小、制造安装方便、可在运转过程中加载且稳定可靠，并能方便地进行不同结构尺寸齿轮箱的安装测试。缺点主要是需要相当容量的原动机和耗能负载，且能量全部消耗，试验费用高。故多用在中小功率非长期运转的试验中。

表1 功率开放型齿轮试验装置常采用的耗能负载

耗能负载装置是功率开放型齿轮试验装置的关键部件。目前，常采用的耗能负载装置见表1［13］。

功率开放型齿轮试验装置常采用直测功率法，可以分为:

(1)单台试验齿轮箱直测功率法

用转速转矩传感器直接测量单台试验齿轮箱的输入和输出转速与转矩(如图3所示)，计算试验齿轮箱的效率。

(2)双台试验齿轮箱直测功率法

两试验齿轮箱的规格、结构、型号以及制造工艺和水平完全相同，且能按设计功率流正反方向传递功率。用转速转矩传感器直接测量这两台试验齿轮箱的输入和输出转矩与转速(如图4所示)，然后计算得到试验齿轮箱的平均效率。

2 功率封闭型齿轮试验装置

与开放型相比，功率封闭型试验装置的电动机功率只需补偿试验过程中功率损失，因而可以极大地节省能耗。功率封闭型齿轮试验装置的功率流向为一封闭回路。

根据封闭能量形式的不同，功率封闭型齿轮试验装置又分为两类:电功率封闭型和机械功率封闭型。

2.1 电功率封闭型齿轮试验装置

图5为电功率封闭型齿轮试验装置构成原理图。两台同型号的电机同时并联于电源。运行时，一台作为电动机，另一台作为发电机。受试齿轮箱一般为减速器，陪试齿轮箱一般为增速器。电动机通过受试齿轮箱和陪试齿轮箱带动发电机运行。发电机将电能回输给电动机，功率流向为一电封闭回路，只需补充电能差值ΔP。

电功率封闭型齿轮试验装置能够进行瞬态和稳态多工况的负载模拟。如臧怀泉［14］设计了一种高转速、大转矩、高精度的电封闭式汽车变速器加载试验台，用于模拟被试装置在道路上行驶的工作条件。电功率封闭型齿轮试验装置由于要求原动机和发电机的功率容量不小于试验齿轮箱功率且需要与之配套的电能回收控制系统，因此投资昂贵，操作较为复杂，且电能一般仅能回收60%～70%。

根据电机不同，电功率封闭型齿轮试验装置又可以分为:直流电机封闭型、感应电机封闭型和交流整流子电机封闭型3种，具体见表2［13］。随着变频交流回馈技术的发展，目前国外在原动机方面大多采用交流电动机。

2.2 机械功率封闭型齿轮试验装置

机械功率封闭型齿轮试验装置具有节约能源的优点，被广泛应用在现代齿轮传动效率测试试验中。但其存在以下问题［15］:①结构复杂，连接件多，易产生振动噪声，控制精度低;②无法模拟多工况，试验与实际结果差别大;③必须有陪试齿轮箱。

根据加载器是否消耗功率，机械功率封闭型又分为加载器不消耗功率的全封闭型和加载器需消耗部分功率的非全封闭型两类。

2.2.1 机械功率全封闭型齿轮试验装置

机械功率全封闭型齿轮试验装置只消耗系统的摩擦功，电动机补充的功率一般只占封闭功率的10% ～15%，故多用在长期运转的试验中。加载器是机械功率全封闭型齿轮试验装置的关键部件。目前，常采用的加载器装置见表 3［13］。

2.2.2 机械功率非全封闭型齿轮试验装置

运转过程中，加载器必须消耗掉一部分功率后才能加载。因此，功率封闭是不完全的。根据加载器的类型，机械功率非全封闭型齿轮试验装置可分为多盘摩擦离合器式、磁粉离合器式、液力耦合器式、NGW行星传动制动摩擦加载器式和双排NGW行星传动水力测功机加载器式等(表 4［13］)。

表2 电功率封闭型齿轮试验装置

表3 机械功率全封闭型齿轮试验装置常用的加载器

3 典型的功率封闭型齿轮试验装置及齿轮传动效率测定试验装置的研究展望

下面首先介绍几种典型的齿轮传动效率测定试验装置。

3.1 根据损失功率法设计齿轮试验台

损失功率法试验台见图6。被试齿轮箱和陪试齿轮箱采用规格、型号、制造工艺和水平完全相同的齿轮装置，正向逆向的传动效率接近一样，并且功率流为逆时针方向传动。

被试齿轮箱的效率可按下式计算［13］:

当T1n1≪T2n2，上式可简化为:

式中:η1为被试齿轮箱的效率，(%);T1为测得转矩，N·m;n1为测得转速，r/min;T2为测得转矩，N·m;n2为测得转速，r/min。

3.2 加载器与电动机的安装布置

文献［12］指出，电动机和加载器安装的位置不同，对所需电动机的功率容量和加载器的力矩将有较大的影响。当加载器与电动机布置在功率流末端处，产生的力矩最大和需要的功率最小(图7)。

3.3 可变中心距功率封闭型齿轮试验装置

针对目前机械封闭型齿轮试验台中心距不可调的问题，文献［16］提出了一种中心距可微调的齿轮试验台(图8)，解决了传统试验台当受试齿轮箱的中心距发生改变时需要重新安装的缺点。

当受试齿轮箱中心距发生变化时，与固定部分相连的陪试齿轮箱不发生任何变化。与活动工作台相连的陪试齿轮箱可以通过活动工作台导轨的移动来适应受试齿轮箱中心距的变化。

3.4 加载器的改进设计

加载器作为齿轮传动效率测定试验装置的关键部件，它的优劣直接关系到试验装置的准确度、适应性和动力消耗等性能指标。因此，对其的研究越来越受到人们的重视。如郑良辉［12］提出了对液压内斜齿花键加载装置的优化设计。杨俊卓和王正博［17－18］对平行轴同侧传动封闭试验台的加载器进行了三维建模和强度分析。此外，加载器正由静态加载向动态加载方向发展［19］。

3.5 改进型FZG试验机

标准FZG试验机(轴上配置一个法兰盘内力式加载器——弹性扭力杆加载器，用加载杠杆砝码加载;在运转过程中不能变载，因此增加载荷时，必须停车拆卸相应的联轴器)，一般配有两个扭矩和转速传感器。Chase［1］、Xu［2］、Petry［20－21］和 Moorhead［22］根据风损和搅油损失与系统受载无关的特点，对标准FZG试验机进行了改进(如图9所示。增加了高速主轴，使试验台能够测试高速传动的齿轮箱。此外，仅采用一个扭矩传感器)。Chase通过分别测试给定速度下空载和受载的系统损失扭矩，得到轴承功率损失和齿轮啮合功率损失，根据相关文献［23］得到轴承损失，最终得到齿轮啮合功率损失。Chase得出的齿轮啮合功率损失 ηFG为

式中:TC为输入扭矩;TT为受载情况下系统损失扭矩;TS为空载情况下系统损失扭矩;TB为轴承损失扭矩。

3.6 大功率机械功率全封闭试验装置的设计

对于大功率齿轮试验装置，由于齿轮箱体积一般较大，不易连接成机械封闭传动链。因此，通常采用电功率封闭型［24－25］。但电功率封闭型齿轮试验装置，功率损失一般在30%以上。而机械功率封闭型齿轮试验装置的加载能量一般在10%左右。因此，文献［26］建立了兆瓦级机械功率封闭型齿轮试验装置，并设计了相应的加载器［27］。

3.7 齿轮传动综合试验装置的设计

除齿轮效率外，齿轮的振动噪声、温升试验、弯曲强度和接触强度等也是齿轮测试的重要内容。它们一般在专门的齿轮试验装置上进行。以某项或某几项测试为主要任务，同时可以完成多方面的性能测试以及在同一试验台上完成不同型号齿轮箱的性能测试已成为齿轮传动试验装置发展的重要方向［15，28］。

3.8 测试控制系统软硬件的研究

驱动系统、加载系统和传感器测试系统相应软硬件的设计对于提高齿轮传动效率测定试验装置的测量精度、控制精度和降低能量损耗具有重要意义。如臧怀泉［14］将电封闭式节能加载技术与现场总线控制技术应用在齿轮试验台控制系统中，提高了控制精度，同时节能可达到75%。胡康［24］对大功率风电齿轮箱试验台的软硬件系统进行了设计，并设计了相应的操作界面。张广斌［15］提出了齿轮试验装置中对信号测量的实现以及抗干扰措施，并设计了相应的软硬件系统。

综上所述，被试齿轮箱传动效率计算方法的研究与相应齿轮传动效率试验装置的设计、加载器的设计改进以及提高齿轮传动效率测定试验装置的测量精度、控制精度和降低能量损耗的软硬件系统设计已经成为齿轮传动效率测定试验装置的研究方向。

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