齿轮减速器传动效率的测量与研究_何毅斌
机械 2009年第8期 总第36卷 测量与检测技术 ?63?
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收稿日期：2009－04－20
基金项目：湖北省重点实验室开放基金重点项目（200704B ）
作者简介：何毅斌(1966－)，男，江西玉山人，博士，副教授，目前主要从事齿轮减速器设计、制造等研究工作。
齿轮减速器传动效率的测量与研究
何毅斌1,2，张娟1，陈定方2
（1.武汉工程大学 机电学院，湖北 武汉 430073；2.武汉理工大学 智能制造与控制研究所，湖北 武汉 430063） 摘要：影响齿轮减速器传动实际效率的因素有多种，本研究从实验的角度入手，利用功率流开放式测试系统对一级齿轮减速器的传动效率进行了动态测量。主要是研究齿轮减速器使用过程中转速和负荷的变化对传动效率的影响。试验结果显示，对于单级齿轮传动机构，要提高其传动效率，应该从提高其传递力或力矩方面入手；若齿轮传动机构所受力或力矩不变，要提高其传动效率，则可以通过降低输入转速的方法来提高其效率；通过提高齿轮传动机构所传递力或力矩，同时降低输入转速的方法也可提高齿轮传动机构的效率。 关键词：齿轮减速器；效率；转速；负荷
中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 08－0063－03
The measurement and research on transmission efficiency of gear reducer
HE Yi-bin 1,2，ZHANG Juan 1，CHEN Ding-fang 2
(1. School of Mechanical Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China ；
2. ICADCS , Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)
Abstract ：There are many kinds of the influence factors on transmission efficiency of gear reducer. This research obtains from the experiment point of view, has carried on the dynamic measurement using the power class open style test system to the transmission efficiency of the first-level gear reducer. It mainly studies the change which in the gear reducer use process the rotational speed and load to the transmission efficiency influence. The test result showed that regarding the single gear reducer, must raise its transmission efficiency, should from enhance its transmission strength or the moment aspect obtains. If the gear drive force or the moment are invariable, must raise its transmission efficiency, might through reduce the input rotational speed the method to raise its efficiency. Through enhances the gear drive to transmit the strength or the moment, simultaneously reduces the input rotational speed the method also to be possible to enhance the gear reducer the efficiency. Key words ：gear reducer ；efficiency ；rotational speed ；load
齿轮减速器传动是一种在工程实际中被广泛应用的传动机械。任何机械在其运行过程中受多种因素的影响都会有能量的损失，齿轮减速器传动也不例外。此外，当今的机械传动正朝着大功率、小体积、高效率以及长寿命的方向发展，机械工业各领域中都非常重视对齿轮传动机械效率的研究，它的效率的好坏直接影响到整个设备的运行的效率，影响到整个设备的费用，影响企业的经济效益。因此，研究齿轮减速器传动装置效率及其影响因素显得尤为重要，它对最大限度地在设计、使用齿轮减速器传动装置过程中提高其效率，从而提高企业的经济
效益具有十分重要的意义。
1 测量原理
由于传动机械装置的效率通常是在运行状态下测量，采用机械测量不易进行。为此，本文采用湖南宇航科技公司生产的CCT 齿轮传动测试台动态测量减速器效率相关数据。设齿轮减速器的输入功率为in P ，其输出功率为out P ，则由机械原理相关知识有齿轮减速器的机械效率[1,2]
out
in
P P η=
（1）
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转矩T ： 9550
P
T n
= （2） 式中：P 为功率，kW ；T 为转矩，N ·m；n 为转速，
r/min 。
由式（2）有：1
9550
P T n =
×× 代入式（1），齿轮减速器的效率为：
1
95509550
out out out out out
in in in in in T n
P T n P T n T n η××===×× （3）
对于某一个特定的齿轮减速器，其传动比
in
out
n i n =
是恒定的，所以齿轮减速器传动的机械效率为out
in
T iT η=
，从该式可知，只要测量出传动装置的输入、输出轴的转矩，就可测出该齿轮减速器的机械效率η。
此外，在实际测量过程中，由于齿轮减速器中的轴在传递力矩时会产生变形，在小变形范围内，其输入（输出）轴两端横截面的相对扭转角与转矩成正比。因此，只要测出输人轴（或输出轴）两横截面的相对扭转角，就可测出该轴的转矩T 。
2 测试系统
目前，机械传动效率测试实验系统通常分为两类：功率流开放式测试系统和功率流封闭式测试系统。本文采用的是功率流开放式测试系统，它具有结构和控制系统简单，体积小、配置灵活、通用性好、成本低等优点，其工作原理如图1所示。
在测试过程中，通过变频器使驱动电机产生一定的转速，同时通过工控机的输出信号或直接通过调节励磁电流（因为磁粉加载器所受励磁电流与其传递的转矩呈线性关系），使磁粉加载器产生不同的负载，即实现给测试机械系统进行加载或调节载荷大小。系统运转稳定后，通过数据采集卡将转矩、转速传感器上产生的交流电信号进行处理变成数字信号，传给工控机进行处理，从而得到所测齿轮减速器的转矩、转速的精确值，进而再根据转矩、转速、功率、效率之间的函数关系式求出齿轮减速器传动装置的传动效率。
图1 测试实验台工作原理
3 实验数据及分析
本实验采用一级齿轮减速器作为被测试传动机械，实验中主要是通过一连接变频器旋钮来调节电机转速，通过另一连接磁粉加载器旋钮（调节励磁电流）来调节负载的大小。
（1）在保持负载不变的条件下，改变电机的转速，实验数据见表1所示。
（2）先通过变频器旋钮将转速调到某个值后，然后调节负载旋钮改变负载，实验数据见表2、表3所示。
测 量 值
计 算 值 序 号
输入转速（r/min ）
输入扭矩（N ·m ）
输出转速（r/min ）输出扭矩（N·m ）
输入功率（W ）
输出功率（W ）
效率（%）
1 75.0 0.21 19.0 0.39 1.649
0.776 47.0 2 111.5 0.21 28.6 0.38 2.452 1.138 46.4 3 148.5 0.21 37.9 0.38 3.265 1.508 46.2 4 180.4 0.21 48.1 0.38 3.967 1.914 48.2 5 224.4 0.21 57.8 0.38 4.934 2.300 46.6 6 253.9 0.21 66.5 0.38 5.583 2.646 47.4 7 281.3 0.21 73.8 0.38 6.186 2.937 47.5 8 317.7 0.21 81.8 0.38 6.986 3.255 46.6 9 348.9 0.21 91.5 0.37 7.672 3.545 46.2 10 380.2 0.21 100.0 0.37 8.360 3.874 46.3 11 410.2 0.21 106.8 0.37 9.020
4.138 4
5.9 12 451.8 0.21 115.2 0.38 9.935 4.584 4
6.1 13 492.6
0.21
127.5
0.37
10.832
4.940 4
5.6
表1 负载不变时改变电机转速的实验数据
机械2009年第8期 总第36卷测量与检测技术 ?65?
表2 不改变变频器旋钮（先调转速为119.1 r/min）而改变负载旋钮的实验数据
测量值计算值序
号输入转速（r/min）输入扭矩（N·m）输出转速（r/min）输出扭矩（N·m）输入功率（W）输出功率（W）效率（%）
1 119.1 0.20 30.0 0.37 2.494 1.16
2 46.6
2 100.
3 0.22 25.6 0.47 2.311 1.260 54.5
3 85.2 0.2
4 21.6 0.5
5 2.141 1.244 58.1
4 70.8 0.2
5 18.4 0.62 1.853 1.195 64.5
5 60.0 0.2
6 14.8 0.71 1.634 1.100 67.3
6 57.3 0.2
7 14.7 0.73 1.620 1.124 69.4
7 38.5 0.29 9.7 0.82 1.169 0.833 71.3
8 28.2 0.30 7.1 0.89 0.886 0.662 74.7
表3 不改变变频器旋钮（先调转速为504.4 r/min）而改变负载旋钮的实验数据
测量值计算值序
号输入转速（r/min）输入扭矩（N·m）输出转速（r/min）输出扭矩（N·m）输入功率（W）输出功率（W）效率（%）
1 504.4 0.21 130.0 0.37 11.09
2 5.037 45.4
2 496.8 0.22 128.7 0.41 11.445 5.525 48.3
3 479.9 0.23 122.2 0.48 11.558 6.142 53.1
4 474.2 0.24 122.
5 0.52 11.917 6.670 56.0
5 463.
6 0.25 120.1 0.58 12.136 7.294 60.1
6 457.0 0.26 113.5 0.62 12.442 7.369 59.2
7 447.1 0.27 114.6 0.68 12.641 8.160 64.6
8 427.3 0.28 111.3 0.74 12.528 8.624 68.8
9 423.4 0.29 105.0 0.79 12.857 8.686 67.6
10 412.5 0.30 105.7 0.86 12.958 9.519 73.5
11 395.7 0.32 102.3 0.94 13.259 10.069 75.9
12 383.4 0.33 97.9 1.02 13.248 10.456 78.9
13 372.0 0.34 95.4 1.09 13.244 10.889 82.2
14 363.4 0.35 93.7 1.15 13.318 11.283 84.7
从表1数据可看到，在负载不变的情况下，增加输入、输出转速时，对应的输入、输出功率增大，而齿轮减速器传动的效率略有降低，但基本没什么变化，这和文献[3]中推导得出的齿轮传动效率与转速无关一致。转速增大时，相应的齿轮传动中的搅油功率损失、联轴器和轴承功率损失要随之增大，从而会导致传动效率有所下降，这也可从表2、表3中数据得到证明：相同输入扭矩、转速高效率低。
从表2、表3所得数据可看到，随着负载的增大、相对应的转速的降低，齿轮减速器传动的效率逐渐增大，这是由于在高速低载荷的传动状态下，飞溅润滑的齿轮啮合功率的损失主要为滚动接触摩擦功率损失，随着齿轮传动所受载荷的增加转速的降低，两齿轮接触面间逐渐形成一层稳定的润滑油膜，从而导致齿轮传动的摩擦功率损失减小。
4 结论
本文从齿轮减速器传动的效率实验研究入手，通过实验研究找出在实际使用减速器的过程中，影响减速器传动效率的因素，从而为人们在使用齿轮减速器过程中提高齿轮传动效率、减少能源浪费和经济损失提供指导。
试验分析表明：
（1）对于单级齿轮传动机构，要提高其传动效率，应该从提高其传递力或力矩方面入手，而不要从提高其输入转速方面考虑；
（2）若齿轮传动机构所受力或力矩不变，则要提高其传动效率，可以通过降低输入转速的方法来提高其效率；
（3）可以通过提高齿轮传动机构所传递力或力矩，同时降低输入转速的方法来提高齿轮传动机构的效率。
参考文献：
[1]孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2007.
[2]吴宗泽，罗圣国. 机械设计课程设计手册[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[3]苗志全，吴春磊，王续明. 用封闭功率流对齿轮传动效率的研究[J]. 煤矿机械，2008，（8）：48-49.