基于自制螺旋传动副效率测试装置的机械原理效率验证实验

李纯金，周宏根，石统浚，康 超，刘志强，田桂中，王 磊

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000）

0 引言

机械原理课程是机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程等专业必开设的一门重要的学科基础课。课程以理论联系实践为导向，通过理论讲授、案例分析为主线展开课堂理论授课，课外需通过实验来验证、加固理论授课知识点的理解、消化[1]。机械效率是机械本身的一种固有特性，主要和机械有关的因素有：机械零件材料、运动副类型、运动副元素表面加工光洁度、运动副润滑状态、机械结构几何尺寸、机构受力方向等。效率计算方法主要有：输出、输入功比法，输出、输入功率比法，在克服同样阻抗力条件下的所需理想驱动力与实际驱动力比法[2]。

江苏科技大学目前开设的实验项目都没有涉及机械效率知识点，每每讲授效率知识点时，学生都感觉非常迷惑，因而萌发自制实验设备的想法，在我校实验室建设经费的资助下，开发了一套用于测试滑动螺旋副、蜗杆副的效率实验装置。

1 螺旋副效率测试装置研制

1.1 实验装置总体结构方案

图1 为实验装置总体结构示意图，实验装置采用框架结构布局。设备架由型材拼焊而成，主传动机构安装在设备架上，设备安装平台装有扭矩传感器、磁粉制动器和步进电机等器件。安装平台下方设装电气控制柜，控制面板安装在设备架一侧，设备架横梁装有用于丝杠加载的动态加载装置。

图1 螺旋副效率测试装置总体结构示意图

图2 为传动机构结构示意图，总体传动采用二级混联传动。第一级：输入蜗杆（蜗杆副采用非自锁双头蜗杆）带动涡轮转动；第二级：采用并联传动，一路通过涡轮（涡轮轮毂内圈设有梯形螺纹与丝杠形成滑动螺旋）带动梯形丝杠上下运动（丝杠轴向开设导向键槽与上支柱形成导向键互联），另一路通过涡轮带动输出杆转动（和输入蜗杆副同属非自锁双头蜗杆）。

图2 传动机构结构示意图

1.2 电气控制原理图

测试设备电控元器件结构如图3 所示，通过cvb输入、输出扭矩传感器测试输入与输出载荷，用于测试蜗轮副效率。利用输入扭矩传感器和输出压力传感器测试梯形滑动螺旋副效率。利用接近开关控制传动最大位移，利用功率放大器、磁粉制动器施加附加载荷。电控原理如图4 所示，主要的电器元件规格型号见表1。

表1 电气元件型号表

图3 电气结构图

图4 电控原理图

1.3 加载运动控制策略

实验装置的动力输入采用适配的驱动器驱动三相混合式步进电机，保证步进电机在高速运转下仍能有高转矩输出。在步进电机启动和停止设置斜坡加速和斜坡减速过程，降低电机低速振动的现象，提高运行平稳性。工控屏与PLC 通信，可以实时监控系统采集的数据和变化趋势。蜗轮蜗杆传动的输出端设有磁粉制动器，用来调整实验过程中的加载量；丝杠输出端设有动态加载装置，实现输出端的加载功能。

2 效率测试路线与测算方法

2.1 效率测试路线

实验装置集成了蜗轮蜗杆传动和丝杠传动两种典型的螺旋副传动机构。图5 为实验装置的混联总传动路线，混联的第一条传动测试路线，用于测试蜗杆副效率。第二条测试路线，用于测试滑动螺旋丝杠副效率。

图5 实验装置总体传动路线

2.2 测算方法

2.2.1 涡轮副测算

涡轮副二级串联测试路线，蜗杆1 正向驱动涡轮效率为η1，涡轮反向驱动蜗杆2 效率为η2，路线测试的总效率为：η12=η1× η2，测算出ρv，带入（1）（2）式计算出η1和η2。

2.2.2 滑动丝杠螺旋副测算

涡轮副、滑动螺旋副二级串联测试路线，蜗杆1正向驱动涡轮效率为η1，涡轮（轮毂内圈相当于梯形螺母）反向驱动蜗杆2 效率为η3（滑动螺旋丝杠副），该路线测试的总效率为：η13=η1×η3，根据测试的η13和η1解算出η3。

2.2.3 螺旋副制备参数与效率测试结果

自制效率测试实验装置的涡轮副采用阿基米德螺旋，蜗杆采用双头右旋螺旋，蜗杆导程角γ= 11.309°，轴向模数4 mm，直径系数10，齿形角20°，加工制造精度7 级；滑动丝杠螺旋副采用梯形螺纹，螺纹公称直径70 mm，螺距10 mm，齿形角15°，螺纹升角2.799°，加工制造精度7 级。涡轮材料采用HT250，蜗杆、丝杠皆采用45#调质处理硬度230HBS。

根据以上测试原理和解算方法得到：蜗杆主动效率为0.5761，涡轮主动效率为0.3035，滑动丝杠螺旋副的效率为0.2041。测试结果与理论分析计算结果比较吻合，说明该测试方案切实可行。

3 结语

目前，国内尚未见报道与机械原理课程机械效率分析知识点相契合的教学实验设备。自制一套机构传动效率测试装置对于提高教学质量、践行卓越工程师培养计划及推进机械原理实验课程改革都具有现实意义。通过对近几年增开该项实验教学效果的分析，发现近几届学生学习机械原理的兴趣明显变浓厚，同时激发了学生开发测试实验的创新意识。

本研究的螺旋副效率测试实验装置实施方案，可作为高等院校机械类专业自制效率验证实验设备参考，也可为产业界机械产品开发搭建效率测试实验方案作参考。