Теория машин и механизмов. Механические передачи

№ 1161

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ìàøèí è àãðåãàòîâ ìåòàëëóðãè÷åñêèõ ïðåäïðèÿòèé

Ñ.Ì. Ãîðáàòþê

Òåîðèÿ ìàøèí è ìåõàíèçìîâ

Ìåõàíè÷åñêèå ïåðåäà÷è

Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2008

УДК 621.8 
 
Г67 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. В.А. Чередников 

Горбатюк С.М. 
Г67  
Теория машин и механизмов. Механические передачи: Лаб. 
практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 51 с. 

В лабораторном практикуме приведены основные теоретические зависимости кинематических и энерго-силовых параметров приводов машин. Дано 
описание оборудования, входящего в состав лабораторного комплекса. Изложены общие требования к выполнению лабораторных работ по курсам 
«Теория механизмов машин» и «Детали машин». Представлены примеры 
компоновки вариантов приводов машин, включающие различные сочетания 
механических передач. Сформулированы основные принципы соблюдения 
мер технической безопасности. 
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности 
150404 «Металлургические машины и оборудование» направления 150400 
«Технологические машины и оборудование», может быть полезен студентам 
специальностей, входящих в направление 150100 «Металлургия». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

СОДЕРЖАНИЕ 

Теоретическое введение и описание лабораторного 
оборудования ............................................................................................4 
1. Назначение лабораторного комплекса «ПЕРЕДАЧИ» .................4 
2. Устройство и принцип работы лабораторного комплекса 
«ПЕРЕДАЧИ».......................................................................................6 
3. Рекомендации по сборке лабораторного комплекса ...................29 
4. Меры безопасности ........................................................................30 
Лабораторная работа 1. Определение потерь в элементах 
электромашинного стенда ............................31 
Лабораторная работа 2. Исследование параметров 
электропривода..............................................33 
Лабораторная работа 3. Определение потерь в передачах на 
холостом ходу................................................36 
Лабораторная работа 4. Исследование потерь в зубчатой 
цилиндрической передаче.............................38 
Лабораторная работа 5. Исследование зубчатой конической 
передачи .........................................................42 
Лабораторная работа 6. Исследование ременной поликлиновой 
передачи .........................................................44 
Лабораторная работа 7. Исследование червячной передачи..............46 
Лабораторная работа 8. Исследование дискового вариатора.............48 
Библиографический список...................................................................50 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ 
ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

1. Назначение лабораторного комплекса 
«ПЕРЕДАЧИ» 

Лабораторный комплекс «ПЕРЕДАЧИ» (рис. 1) предназначен для 
приобретения студентами практических навыков в рамках изучения 
курса «Детали машин» [1] в процессе проведения учебных и учебноисследовательских лабораторных работ. 

 

Рис. 1. Общий вид лабораторного комплекса «ПЕРЕДАЧИ» 

Комплекс «ПЕРЕДАЧИ» позволяет на практике изучить следующие темы: 
1. Управляемый электропривод переменного тока. 
2. Зубчатая цилиндрическая передача. 
3. Зубчатая коническая передача. 
4. Ременная поликлиновая передача. 

5. Червячный редуктор. 
6. Фрикционный бесступенчатый вариатор. 
С использованием этого комплекса изучается зависимость передаваемой мощности, коэффициента полезного действия и других параметров передачи от ее настройки, скорости вращения и нагрузки. 
Допускается вариация параметров передачи. 
Базовый электромашинный стенд (рис. 2) обеспечивает размещение, приведение в движение и управляемое нагружение исследуемой 
передачи. Модульное построение системы позволяет оперативно перестраивать установку для изучения различных передач. Измерение 
параметров самого электромашинного стенда позволяет изучить 
принципы построения и параметры управляемого трехфазного электропривода, широко применяемого в современных силовых агрегатах. 

 

Рис. 2. Стенд для испытания механических передач: 1 – станина; 
2 – электропривод; 3 – конрольно-измерительная система; 
4–9 – модули передач 

Техническая характеристика комплекса «ПЕРЕДАЧИ» 

Частота вращения валов передач.......................до 50 об/с 
Мощность исследуемой передачи .....................до 2 кВт 
Мощность электропривода.................................370 Вт 
Исполнение .........................................................настольное 
Габаритные размеры стенда в рабочем 
состоянии .............................................................800 × 400 × 500 мм 
Напряжение питания и частота тока..................220 В, 50 Гц 
Потребляемая мощность ....................................500 Вт 

Масса стенда с модулями в рабочем 
состоянии ............................................................до 100 кг 
Масса комплекта полная, нетто .........................180 кг 

2. Устройство и принцип работы лабораторного 
комплекса «ПЕРЕДАЧИ» 

2.1. Метод циркулирующей мощности 

Пусть требуется измерить потери энергии Wпотерь с погрешностью не 
более δ = 20 % в передаче мощностью 2 кВт с КПД η = 0,98. При измерениях передаваемых мощностей потери определяются как разность 
измеренных входной мощности передачи Wвх (мощности привода) и 
выходной мощности Wвых, поглощаемой динамометрическим тормозом: 

 
Wпотерь = Wвх – Wвых. 

Для определения Wпотерь с указанной точностью погрешность измерения Wвх и Wвых должна быть менее 10 % от потерь мощности 
или, что то же, менее 0,2 % от мощностей Wвх и Wвых. Таким образом, 
для измерения передаваемой мощности потребуется следующее оборудование (рис. 3): 
1. Электропривод с полезной мощностью 2 кВт. 
2. Измеритель механической мощности электропривода с погрешностью менее 0,2 %. 
3. Тормоз (на 2 кВт) с устройствами теплоотвода. 
4. Измеритель поглощаемой тормозом мощности с погрешностью 
менее 0,2 %. 

 

Рис. 3. Схема испытания механической передачи в режиме измерений 
входной и выходной мощности 

На рис. 3 «ПЕРЕД» – зубчатая цилиндрическая передача (на 
2 кВт) в составе лабораторного комплекса ЛКММ-3, «МОМ1/ТАХ1» 
и «МОМ2/ТАХ2» – моментомеры-тахометры, рассчитанные на мощность до 2 кВт, с погрешностью измерений момента и частоты вращения менее 0,1 % (в этом случае погрешность измеренной мощности будет менее 0,2 %). Однако следует иметь в виду, что неизбежная 
при испытаниях нестабильность во времени параметров нагрузки 
может свести на нет достоинства измерителей. Для реализации столь 
высокоточных измерений требуется тормоз с нестабильностью менее 
0,1 % или система точной синхронизации измерений Wвх и Wвых. При 
этом масса и размеры привода и тормоза многократно превысят массу и размеры исследуемой передачи. 
Метод циркулирующей мощности позволяет испытывать передачи большой мощности с использованием электропривода малой 
мощности. Применяются одновременно две исследуемые передачи. 
Эти передачи работают «друг на друга», нагружая одна другую, а 
привод лишь компенсирует потери энергии при работе передач. Две 
передачи мощностью W каждая с КПД η дадут потери мощности 
2W(1 – η), которые должен скомпенсировать привод. При W = 2 кВт 
и η = 0,98 достаточно использовать привод мощностью 0,1 кВт. 
В режиме циркулирующей мощности возможно непосредственное 
измерение мощности потерь, при этом для измерений достаточно 
иметь измерители с погрешностью порядка 10 %. 
Таким образом, в системе циркулирующей мощности вместо прецизионных измерений на полной передаваемой мощности передач 
достаточно измерить мощность, сопоставимую с мощностью потерь 
в передаче. 
Принятая в лабораторном комплексе ЛКММ-3 схема измерений 
показана на рис. 4. 

 

Рис. 4. Схема испытания передач в режиме циркулирующей мощности 

На рис. 4 «ПЕР 1» и «ПЕР 2» – пара одинаковых зубчатых цилиндрических передач, «МОМ1/ТАХ1» – моментомер-тахометр, рассчитанный 
на мощность до 0,4 кВт, с погрешностью измерений до 5 %, 
«МОМ2/ТАХ2» – моментомер-тахометр, рассчитанный на мощность до 
2 кВт, с погрешностью измерений до 5 %, «НАГР/ТАХ3» – нагружатель. 
Для испытания передач нужно привести их валы во вращение (с 
помощью электропривода) и создать нагрузку, т.е. приложить вращательные моменты к валам. Последнее осуществляется с использованием нагружателя. Он «закручивает» вал одной передачи относительно вала другой, в результате возникает замкнутый силовой контур (нагружатель – передача 1 – моментомер-тахометр – передача 2 – 
нагружатель), в котором циркулирует мощность, равная произведению созданного нагружателем момента на угловую скорость вращения валов передач. Простейший нагружатель – предварительно закрученная пружина, размещенная между валами передач. Если в системе передач нет потерь, для поддержания вращения требуется ничтожная мощность, несмотря на то что обе передачи вращаются под 
нагрузкой. В реальной системе потери есть, и для поддержания вращения требуется подавать в систему от электропривода мощность, 
равную мощности потерь в двух передачах. Ее и измеряет 
«МОМ1/ТАХ1». В рассматриваемом лабораторном комплексе 
«МОМ1/ТАХ1» встроен в электропривод. 
В показанном на рис. 4 замкнутом контуре из двух одинаковых 
зубчатых передач скорости вращения валов строго одинаковы, и валы, подключенные к нагружателю, друг относительно друга не прокручиваются. При этом натяжение пружины нагружателя остается 
постоянным, а потребляемая нагружателем мощность равна нулю. 
Если созданный нагружателем момент им же и измеряется, то использование «МОМ2» для измерения потерь не требуется. 
В передачах с пробуксовкой (ременные передачи) или с изменяемым 
коэффициентом передачи (вариаторы) синхронность вращения подключенных к нагружателю валов нарушается, и простейший нагружатель 
непригоден. В лабораторном комплексе ЛКММ-3 применен оригинальный планетарный нагружатель-тормоз, допускающий до 20 % различия 
скоростей вращения валов. Относительное прокручивание в нагружателе 
валов, находящихся под нагрузкой, дает дополнительные потери мощности, подлежащие измерению. Эти потери составляют до 20 % от циркулирующей мощности. Для фиксации потерь энергии с погрешностью 1 % 
от мощности, передаваемой передачей, выделяемая в нагружателе мощность должна быть измерена с погрешностью до 10 %.  

Конструкция и применение планетарного нагружателя описаны 
ниже. 

2.2. Электромашинный стенд 

Стенд включает первые пять элементов перечня состава изделия: 
1. Станина-основание с 4 рельсами. 
2. Электропривод, включающий электродвигатель (на схемах обозначен как «ПРИВОД»), и моментомер, рассчитанный на 4 Н ⋅ м, 
с тахометром (на схемах обозначены как «МОМ1/ТАХ1»). 
3. Измерительная система ИСММ-3. 
4. Моментомер-тахометр, рассчитанный на 20 Н ⋅ м (на схемах 
обозначен как «МОМ2/ТАХ2»). 
5. Нагружатель, рассчитанный на 20 Н ⋅ м, с тахометром (на схемах обозначен как «НАГР/ТАХ3»). 
Станина-основание предназначена для размещения в фиксированных положениях и закрепления элементов машинного агрегата. 
Четыре рельса, расположенные с шагом 80 мм, обеспечивают выполнение принятого в рассматриваемом комплексе стандарта: валы сочленяемых элементов машинного агрегата параллельны рельсам, межосевые расстояния по горизонтали кратны (80± 0,1) мм, высота осей 
равна (120± 0,1) мм от верхней плоскости рельсов. Механизмы притягиваются к рельсам винтом (рис. 5), который продевается снизу через 
щель между рельсами и ввинчивается в нижнюю стенку модуля 
(рис. 6). С помощью втулки на оси винта диаметром чуть меньше ширины щели между рельсами осуществляется предварительная фиксация положения оси модуля. Более точно положение подбирается при 
его стыковке с другими модулями, после чего винт затягивается. 

 

Рис. 5. Винт для 
крепления модуля 

 

Рис. 6. Схема крепления модуля 

 

Электропривод (рис. 7) включает асинхронный трехфазный электродвигатель типа АИР-63-В4 мощностью 370 Вт и номинальной 
синхронной частотой вращения 25 об/с. Двигатель подвешен на подшипниках за ось 1 ротора так, что статор 2 может свободно вращаться (рис. 8). Это сделано для измерения вращательного момента взаимодействия ротора и статора. Тягой 3 статор соединен с пружиной 4, 
закрепленной в опоре 5. На пружине наклеены тензорезисторы 6, являющиеся датчиками деформации пружины. Реактивный момент вызывает поворот статора и деформацию пружины. Возникающий при 
этом сигнал с датчиков после усиления и калибровки позволяет измерить реактивный момент. За вычетом момента сил трения в подшипниках подвески ротора, этот момент равен моменту, передаваемому электроприводом в исследуемый машинный агрегат. 

 

Рис. 7. Электропривод 

 

Рис. 8. Схема для измерения 
реактивного момента 

Элементы электропривода смонтированы в корпусе с двумя вертикальными панелями (рис. 9, 10).  
На «Панель 1» выведен вал ротора со стыковочным узлом.  
На «Панели 2» установлены вентиляторы системы охлаждения 
двигателя, ручной привод и ручной тормоз. На планшайбе 1 расположены кнопка 2 и ручка 3. В отсутствие воздействий на кнопку и на 
ручку планшайба зафиксирована от поворота. При нажатии на кнопку 2 связанная с ней фрикционная накладка прижимается к установленному на валу двигателя тормозному диску и двигатель притормаживается. На панели выполнено отверстие для выхода силового кабеля 4. 

Рис. 9. «Панель 1» электропривода 

 

Рис. 10. «Панель 2» электропривода 

При нажатии на ручку 3 планшайба освобождается и может вращаться. Нажимая на ручку, поворачивают планшайбу до тех пор, пока ручка не войдет в паз упомянутого тормозного диска. После этого 
вал двигателя поворачивается с помощью ручки вместе с планшайбой. Ручное вращение вала двигателя применяется в процессе стыковки модулей машинного агрегата. Для приведения системы в исходное состояние нужно, не нажимая на ручку, поворачивать планшайбу до тех пор, пока планшайба не будет «поймана» фиксатором. 
Это соответствует верхнему положению ручки. 
Стыковочный узел (рис. 11) состоит из планшайбы 1 с двумя выступами 2 и крестовины 3 с четырьмя пазами. В двух пазах крестовины размещены выступы данного стыковочного узла, в других двух 
пазах размещены выступы второго стыковочного узла, смонтированного на модуле, стыкуемом с данным устройством. Все стыковочные 
узлы в комплексе тождественны по конструкции. Передача вращательного момента происходит от выступов первого узла через две 
параллельно работающие крестовины на выступы второго узла. Возможность перемещения крестовины по пазам относительно выступов 
обеспечивает работу устройств при небольшой несоосности стыкуемых валов. Допуск на несоосность составляет ± 0,4 мм.