摆线针轮减速机传动效率动态测量研究

采用单台直测功率法测量减速机传动效率，根据测试原理，利用CGQ型转矩转速传感器测量摆线针轮减速机的输入、输出转矩（转速），通过微机处理计算后，得出摆线针轮减速机的效率。结果表明：具有无干扰，测取的效率值比较稳定，几乎不受负载变化及温度变化的影响。适用于摆线针轮减速机、斜齿轮减速机等齿轮减速机械传动效率的测量。

    摆线针轮减速机内部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。在输入轴上装有一个错位180°的双偏心套，在偏心套上装有两个称为转臂的滚柱轴承，形成H机构、两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿相啮合，以组成齿差为一齿的内啮合减速机构。当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为既有公转又有自转的平面运动。在输入轴正转周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向转过一个齿从而得到减速，再借助W输出机构，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。

    减速机的传动效率通常是指在额定输入转速下达到额定输入功率（或输入转矩）时，输出功率（或输出转矩）对额定输入功率（或输入转矩乘以传动比）的比值。减速机传动效率的测量应在专用的试验台上进行，测试方法可分为直测功率法和损失功率法，直测功率法又分为单台直测功率法和双台直测功率法。单台直测功率法是在试验装置台上，用仪器直接测量减速机的输入、输出转矩和转速，来确定效率的方法。

    本文采用单台直测功率法测量减速机传动效率，联接安装形式是在试验台上，将减速机安装在两台转矩转速传感器之间，见图1。

驱动装置——转矩转速传感器——减速机——转矩转速传感器——载荷装置

图1.单台直测功率法安装形式框图

    实验材料与方法

    1．实验系统与仪器

    该套测试实验系统由专用测试台架、转矩转速测量仪器（含专用屏蔽电缆线）、操作控制器及计算机组成。

    1.1.专用测试台架

    专用测试台架主要由变频电机、传感器、摆线针轮减速机、磁粉制动器等组成。底架平台是用2600×800×200mm铸铁件制成，驱动方式是通过变频电机控制变频器，其输出的转速范围为0～5000r／min，负载方式是选用最大为400N·m（根据被测减速机选用）的磁粉制动器，为减少额外功率消耗，影响测试结果准确性，传感器与减速机之间采用锥环无键联轴器联接。

    1.2.转矩转速测量仪器

    输入、输出转矩转速测量值是通过航天机电有限公司生产的TR型转矩转速测量仪用专用蔽屏电缆线连接静标定误差不超过±0.2%的CQG转矩转速传感器来测量的。转矩转速测量仪器的精度要求为转矩测量误差小于0.1%，转速测量误差小于0.05%。

    1.3.操作控制器及计算机

    用WLKC型控制器控制激磁电流，以CZ型磁粉制动器为负载，达到控制制动或传递转矩目的，其输出转矩与激磁电流呈良好的性线关系而与转速或滑差无关，并具有响应速度快结构简单等优点。转矩转速测量仪带RS232通讯串口，可连接到计算机作数据处理，计算机操作系统要求在XP或windows98以上即可。

    2．测试原理（见图一）

    3．实验方法

    3.1.根据实际用被测的减速机功率及工作转速，计算被测扭矩应在传感器的30％～100％额定扭矩之间，最大测量扭矩不超过120％额定扭矩，并确认被测减速机最高转速未超过传感器的额定转速。这样既可保证所选传感器能在长期使用中的安全可靠，又可以保证传感器在±0.2%F.S（F.S是扭矩满量程）内的测量精度。

    3.2.被测减速机与传感器安装时的同轴度应确保转矩转速传感器符合规定精度要求，即静标定误差应不超过±0.2%。减速机安装好后，首先采用正确可靠的方法对传感器扭矩调零。理想的调零方法是将输出输入分别脱开负载，在实际测试转速下空载调零。但在实际情况下，传感器与负载器或被测对象经常会无法脱开，这时只能启动传感器顶部的小电机，转动主轴于不同的机械角度位置（如：0°、90°、180°、270°四个位置），取其各零点值的平均值作为零点进行调零。由于传感器顶部的小电机适合在工作转速低于600r/min时启动能提高扭矩测量精度，因此启动小电机调零可能会带来传感器转速特性误差和套筒同心度误差。

    3.3.减速机按要求进行跑合试验，在每30min的温度变化不超过1℃，认为已达热平衡状态，以接近设计转速范围的算术平均值的转速作为试验速度。负载试验按被测减速机输入端的额定输入功率的25%、50%、75%和100%四个阶段逐步加载进行，100%加载阶段的运转时间，应以润滑剂温升稳定为准。

    3.4.在同一试验阶段从两台测量仪上读取转矩、转速、功率数据，测取不少于10组，采用算术平均值原理取其平均值，以减少随机误差，来获取被测量的最佳值。在测量结果数据处理时应用测量结果分散性原理，进行实验标准偏差计算及不确定度分析。

    4．信号处理

    本测试系统是采集减速机输入轴和输出轴传感器输出的正弦信号进行处理的，主要经过滤波、整形、偏置微分电路处理后接到74LS74触发器，得到可反映转矩转速的矩形波信号，以此制作信号处理电路板，置于工业控制计算机中，编制相应处理软件，通过简单计算即可得到减速机的输入／输出转矩及输入／输出转速，相应得到其效率值。

    结果与讨论

    通过编制数据分析、图形绘制打印软件，对以上信号处理标定，可实现输入和输出传感器数据同时检测、实时显示，经过效率试运行测试，并验证得知效率测试数据精确。经多次测量验证，摆线针轮减速机的效率与理论计算值是一致的，并且测取的效率值比较稳定，几乎不受负载变化及温度变化的影响。适用于摆线针轮减速机、斜齿轮减速机等齿轮减速机械传动效率的测量。