苏ICP备112451047180号-6
齿轮传动效率与强度试验综合试验台研制
1 选题的背景与意义
齿轮的出现及运用历史悠久，随着科技的发展，生产生活的机械化，齿轮的运用也越来越广泛，越来越多样化，而人们对齿轮的需求也是精益求精，为研究它的传动效率与强度不断地进行试验，以期达到提高传动效率与强度的要求。
在第二次工业革命之后，非再生资源消耗严重，环境污染加剧，在未找到新型能源的基础上提高齿轮传动效率和抗疲劳性（也就是强度）对提高生产效率，减少资源消耗有着重大意义。本次课题主要目的是理解齿轮传动效率与强度试验原理和试验台的构成，加以设计装配。
1.1国内外研究现状和发展趋势
齿轮的出现和使用时间久远，例如我国古代的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置，甚至古代的机关、水车等都有齿轮机构的雏形，但人们真正开始研究能准确传动运动的轮齿形状是从十七世纪末才开始的。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势地位。
目前测定效率的方式主要有两种：开放功率流式与封闭功率流式；研究齿轮强度的方法也有两种：一是试验研究，以齿轮的实际试验数据、结果为基础，分析强度和变形，这种方法实用性较强；二是分析计算，利用经典力学、有限元、边界元等方法，通过建立零部件的模型，以计算结果为基础研究其强度。我们之前主要通过效率实验台采用开放功率流式来测量传动效率，在齿轮试验机上进行试验齿轮的负荷运转试验，试验终止并获得齿面在试验应力下的一个寿命数据，在试验数据和结果的基础上分析其形变和强度。
由于封闭功率流式齿轮实验台中的齿轮拆卸不很方便，当前的试验研究方法的优点是实验装置安装方便，操作简单；但在做疲劳试验时，时间长，耗能大，且只能在已制成品上进行研究，不利于设计，因此，现在的试验台采用开放式齿轮实验台测定齿轮传动效率与强度，并结合有限元法，边界元法等分析方法对其分析计算。
1.2 齿轮传动效率与强度试验综合实验台的研究意义
齿轮是各种机器上必不可少的传动零件，对齿轮的各种性能进行测试是保证齿轮可靠的必经之路。齿轮轴承试验装置能按照设计对各零件进行组装，使之成为一套完整的传动系统，并对传动系统中的各零件进行多项实验，如结合检测系统，可以试验齿轮制造精度对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试验轴承精度、支撑刚度等对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试验齿轮润滑和轴承润滑对传动震动温升和噪声的影响。
在设计过程中我将进一步学习齿轮设计的相关知识，熟悉传动装置设计时各传动件的选材、工作能力的计算、强度校核等过程，学习并熟练使用二维制图软件。
本次设计将使我对大学四年来所学知识进行整理、复习并应用，培养我的工作能力，提升我的专业素质，为我以后的工作打下坚实的基础。
2 研究的基本内容与拟解决的主要问题
2.1研究的基本内容
1) 了解齿轮传动效率与强度试验综合试验台研制研究目的，理解各传动部件的结构性能，确定完整实验系统总体方案。
2) 相应的电动机、传感器等组件的型号选定。
3) 综合试验台的被测传动机构的装配图以及各主要组件的二维图。
4) 对该传动部件（齿轮组）进行传动效率与强度试验，对测得的数据进行分析计算，可用有限元法做应力分析。
5) 整理实验结果和最终数据，得出结论。
2.2 拟解决的主要问题
根据任务书的设计要求，结合实验室现有的JCZS-Ⅱ型机械传动性能综合实验台
本课题所涉及的齿轮、轴承试验装置, 该试验装置通过安装不同精度不同形式的齿轮，并加装配套的轴、轴承、套筒等零件，可以对对所设计的齿轮组的传动效率、磨损情况进行测试，也可以加装扭矩、转速、温度等传感器来进行实时采集和处理各种现场数据，对齿轮组综合性能进行测试。
需解决的问题：
1、选择什么型号的电动机作为动力来源。
2、试验台可提供的中心距为一组固定的数据，传动件需满足中心距要求。
3、传动有五种不同的传动形式，可根据输出要求选择传动形式，确定传动件。
4、传动件确定之后如何选择支承件，轴承选用哪种轴承？选择哪种轴承端盖。
5、如何选择确定输入轴、中间轴、输出轴。
6、齿轮、轴承在轴上如何定位。
7、怎样对传动装置进行润滑。
3 研究思路方案、可行性分析及预期研究成果
3.1 研究思路方案
封闭（闭式）传动系统
封闭齿轮实验机具有2个完全相同的齿轮箱（悬挂齿轮箱7和定轴齿轮箱4）， 每个齿轮箱内都有2个相同的齿轮相互啮合传动(齿轮9与9'，齿轮5与5')，两个实验齿轮箱之间由两根轴（一根是用于储能的弹性扭力轴6，另一根为万向节轴10）相联，组成一个封闭的齿轮传动系统。当由电动机1驱动该传动系统运转起来后，电动机传递给系统的功率被封闭在齿轮传动系统内，既两对齿轮相互自相传动，此时若在动态下脱开电动机，如果不存在各种摩擦力（这是不可能的），且不考虑搅油及其它能量损失，该齿轮传动系统将成为永动系统；由于存在摩擦力及其它能量损耗，在系统运转起来后，为使系统连续运转下去，由电动机继续提供系统能耗损失的能量，此时电动机输出的功率仅为系统传动功率的20%左右。对于实验时间较长的情况，封闭式实验机是有利于节能的。
1.悬挂电动机 2.转矩传感器 3.转速传感器 4.定轴齿轮箱 5.定轴齿轮副 6.弹性扭力轴 7.悬挂齿轮箱 8.加载砝码 9.悬挂齿轮副 10.万向节轴 11.转速脉冲发生器
单对齿轮传动效率
设封闭齿轮传动系统的总传动效率为η；
封闭齿轮传动系统内传递的有用功率为P9；
封闭齿轮传动系统内的功率损耗（无用功率）等于电动机输出功率P0，即：
P0=（P9 /η）-P9
η=P9 /（P0+P9）=T9 /（T0+T9 ）
若忽略轴承的效率，系统总效率η包含两级齿轮的传动效率，故单级齿轮的
传动效率为：
齿轮疲劳试验及疲劳曲线的求法
将两对试验齿轮分别安装在悬挂齿轮箱和定轴齿轮箱内，由加载砝码通过加载杠杆施加一定的外载荷，在该载荷下由电动机驱动运转，直至齿轮轮齿发生疲劳破坏，记录该载荷（应力）下所对应的运转循环次数；在不同的外载荷下，试验得到一系列相应的循环次数，由这些试验数据即可绘制出该齿轮的疲劳曲线。可以看出，通过试验测定齿轮的疲劳曲线，需要比较长的试验时间，现在可通过有限元法进行分析计算。
3.2 可行性分析
齿轮传动效率与强度试验综合试验台是经研究成熟的一种实验工具，在有实验教具可进行参考的前提下，基本设计思路是可行的。本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识,需要良好的绘图能力，这些是作为一个机械专业学生需掌握的。指导老师及其课题组在相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。
3.3 预期研究成果
按实验要求完成试验台的组装，调试，并通过不同类型的拼装组合完成齿轮传动效率与强度试验综合试验台研制，保证设计能较好的满足设计要求。
参考文献
[1] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006：77.
[2] 邱宣怀. 机械设计.北京：高等教育出版社，2006.
[3] 梁桂明，朱向贵，黄希忠.齿轮技术的发展趋势[J].中国机械工程，1995,6
[4] 范垂本.齿轮的强度和试验.机械工业出版社，1979:21-29.
[5] 欧阳志喜,石照耀. 塑料齿轮设计与制造.北京：化学工业出版社，2011.103～104
[6] 戴雪晴，周哲波.齿轮几何参数对传动效率影响的实验.上海交通大学学报.2006.40（7）：1226-1229
[7] 刘白，王大鹏.齿轮传动效率的试验研究.机械工程学报.2001,34（1）：109-112
[8] 全国齿轮标准化技术委员会.GB/Z6431.2-2003圆柱齿轮、圆锥齿轮承载能力计算方法[S].北京标准化出版社，2003
[9] 成大先等编著.机械设计手册.第3卷.第四版.北京：化学工业出版社，2002
[10] J.Castro,J.seabra.Global and local analysis of gear scuffing tests
Using a mixed film lubrication model.Tribiol Int (2007),doi:10.1016/ j.triboint,2007:1-12P
1 选题的背景与意义
齿轮的出现及运用历史悠久，随着科技的发展，生产生活的机械化，齿轮的运用也越来越广泛，越来越多样化，而人们对齿轮的需求也是精益求精，为研究它的传动效率与强度不断地进行试验，以期达到提高传动效率与强度的要求。
在第二次工业革命之后，非再生资源消耗严重，环境污染加剧，在未找到新型能源的基础上提高齿轮传动效率和抗疲劳性（也就是强度）对提高生产效率，减少资源消耗有着重大意义。本次课题主要目的是理解齿轮传动效率与强度试验原理和试验台的构成，加以设计装配。
1.1国内外研究现状和发展趋势
齿轮的出现和使用时间久远，例如我国古代的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置，甚至古代的机关、水车等都有齿轮机构的雏形，但人们真正开始研究能准确传动运动的轮齿形状是从十七世纪末才开始的。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势地位。
目前测定效率的方式主要有两种：开放功率流式与封闭功率流式；研究齿轮强度的方法也有两种：一是试验研究，以齿轮的实际试验数据、结果为基础，分析强度和变形，这种方法实用性较强；二是分析计算，利用经典力学、有限元、边界元等方法，通过建立零部件的模型，以计算结果为基础研究其强度。我们之前主要通过效率实验台采用开放功率流式来测量传动效率，在齿轮试验机上进行试验齿轮的负荷运转试验，试验终止并获得齿面在试验应力下的一个寿命数据，在试验数据和结果的基础上分析其形变和强度。
由于封闭功率流式齿轮实验台中的齿轮拆卸不很方便，当前的试验研究方法的优点是实验装置安装方便，操作简单；但在做疲劳试验时，时间长，耗能大，且只能在已制成品上进行研究，不利于设计，因此，现在的试验台采用开放式齿轮实验台测定齿轮传动效率与强度，并结合有限元法，边界元法等分析方法对其分析计算。
1.2 齿轮传动效率与强度试验综合实验台的研究意义
齿轮是各种机器上必不可少的传动零件，对齿轮的各种性能进行测试是保证齿轮可靠的必经之路。齿轮轴承试验装置能按照设计对各零件进行组装，使之成为一套完整的传动系统，并对传动系统中的各零件进行多项实验，如结合检测系统，可以试验齿轮制造精度对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试验轴承精度、支撑刚度等对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试验齿轮润滑和轴承润滑对传动震动温升和噪声的影响。
在设计过程中我将进一步学习齿轮设计的相关知识，熟悉传动装置设计时各传动件的选材、工作能力的计算、强度校核等过程，学习并熟练使用二维制图软件。
本次设计将使我对大学四年来所学知识进行整理、复习并应用，培养我的工作能力，提升我的专业素质，为我以后的工作打下坚实的基础。
2 研究的基本内容与拟解决的主要问题
2.1研究的基本内容
1) 了解齿轮传动效率与强度试验综合试验台研制研究目的，理解各传动部件的结构性能，确定完整实验系统总体方案。
2) 相应的电动机、传感器等组件的型号选定。
3) 综合试验台的被测传动机构的装配图以及各主要组件的二维图。
4) 对该传动部件（齿轮组）进行传动效率与强度试验，对测得的数据进行分析计算，可用有限元法做应力分析。
5) 整理实验结果和最终数据，得出结论。
2.2 拟解决的主要问题
根据任务书的设计要求，结合实验室现有的JCZS-Ⅱ型机械传动性能综合实验台
本课题所涉及的齿轮、轴承试验装置, 该试验装置通过安装不同精度不同形式的齿轮，并加装配套的轴、轴承、套筒等零件，可以对对所设计的齿轮组的传动效率、磨损情况进行测试，也可以加装扭矩、转速、温度等传感器来进行实时采集和处理各种现场数据，对齿轮组综合性能进行测试。
需解决的问题：
1、选择什么型号的电动机作为动力来源。
2、试验台可提供的中心距为一组固定的数据，传动件需满足中心距要求。
3、传动有五种不同的传动形式，可根据输出要求选择传动形式，确定传动件。
4、传动件确定之后如何选择支承件，轴承选用哪种轴承？选择哪种轴承端盖。
5、如何选择确定输入轴、中间轴、输出轴。
6、齿轮、轴承在轴上如何定位。
7、怎样对传动装置进行润滑。
3 研究思路方案、可行性分析及预期研究成果
3.1 研究思路方案
封闭（闭式）传动系统
封闭齿轮实验机具有2个完全相同的齿轮箱（悬挂齿轮箱7和定轴齿轮箱4）， 每个齿轮箱内都有2个相同的齿轮相互啮合传动(齿轮9与9'，齿轮5与5')，两个实验齿轮箱之间由两根轴（一根是用于储能的弹性扭力轴6，另一根为万向节轴10）相联，组成一个封闭的齿轮传动系统。当由电动机1驱动该传动系统运转起来后，电动机传递给系统的功率被封闭在齿轮传动系统内，既两对齿轮相互自相传动，此时若在动态下脱开电动机，如果不存在各种摩擦力（这是不可能的），且不考虑搅油及其它能量损失，该齿轮传动系统将成为永动系统；由于存在摩擦力及其它能量损耗，在系统运转起来后，为使系统连续运转下去，由电动机继续提供系统能耗损失的能量，此时电动机输出的功率仅为系统传动功率的20%左右。对于实验时间较长的情况，封闭式实验机是有利于节能的。
1.悬挂电动机 2.转矩传感器 3.转速传感器 4.定轴齿轮箱 5.定轴齿轮副 6.弹性扭力轴 7.悬挂齿轮箱 8.加载砝码 9.悬挂齿轮副 10.万向节轴 11.转速脉冲发生器
单对齿轮传动效率
设封闭齿轮传动系统的总传动效率为η；
封闭齿轮传动系统内传递的有用功率为P9；
封闭齿轮传动系统内的功率损耗（无用功率）等于电动机输出功率P0，即：
P0=（P9 /η）-P9
η=P9 /（P0+P9）=T9 /（T0+T9 ）
若忽略轴承的效率，系统总效率η包含两级齿轮的传动效率，故单级齿轮的
传动效率为：
齿轮疲劳试验及疲劳曲线的求法
将两对试验齿轮分别安装在悬挂齿轮箱和定轴齿轮箱内，由加载砝码通过加载杠杆施加一定的外载荷，在该载荷下由电动机驱动运转，直至齿轮轮齿发生疲劳破坏，记录该载荷（应力）下所对应的运转循环次数；在不同的外载荷下，试验得到一系列相应的循环次数，由这些试验数据即可绘制出该齿轮的疲劳曲线。可以看出，通过试验测定齿轮的疲劳曲线，需要比较长的试验时间，现在可通过有限元法进行分析计算。
3.2 可行性分析
齿轮传动效率与强度试验综合试验台是经研究成熟的一种实验工具，在有实验教具可进行参考的前提下，基本设计思路是可行的。本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识,需要良好的绘图能力，这些是作为一个机械专业学生需掌握的。指导老师及其课题组在相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。
3.3 预期研究成果
按实验要求完成试验台的组装，调试，并通过不同类型的拼装组合完成齿轮传动效率与强度试验综合试验台研制，保证设计能较好的满足设计要求。
参考文献
[1] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006：77.
[2] 邱宣怀. 机械设计.北京：高等教育出版社，2006.
[3] 梁桂明，朱向贵，黄希忠.齿轮技术的发展趋势[J].中国机械工程，1995,6
[4] 范垂本.齿轮的强度和试验.机械工业出版社，1979:21-29.
[5] 欧阳志喜,石照耀. 塑料齿轮设计与制造.北京：化学工业出版社，2011.103～104
[6] 戴雪晴，周哲波.齿轮几何参数对传动效率影响的实验.上海交通大学学报.2006.40（7）：1226-1229
[7] 刘白，王大鹏.齿轮传动效率的试验研究.机械工程学报.2001,34（1）：109-112
[8] 全国齿轮标准化技术委员会.GB/Z6431.2-2003圆柱齿轮、圆锥齿轮承载能力计算方法[S].北京标准化出版社，2003
[9] 成大先等编著.机械设计手册.第3卷.第四版.北京：化学工业出版社，2002
[10] J.Castro,J.seabra.Global and local analysis of gear scuffing tests
Using a mixed film lubrication model.Tribiol Int (2007),doi:10.1016/ j.triboint,2007:1-12P