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傳動機構效率量測技術

摘要"

滾珠導螺桿、齒輪是基礎的傳動機構元件,廣泛的應用於各種機械設備上,滾珠導螺桿及齒輪機構的傳動效率,對於機械設備性能及後續節能、環境保護等議題有重大影響,如何確實了解滾珠導螺桿及齒輪傳動機構效率特性曲線,則有賴於傳動機構效率量測裝置。本文將介紹各類傳動機構效率量測裝置的型式及用途,其次介紹各類效率量測計算方式,最後並介紹工研院機械所開發的傳動機構效率量測裝置及效率量測數據。

關鍵詞:功率開放型、功率封閉型、傳動效率、加載裝置

前言

近年來,由於節能減碳、環境保護、及經濟效益等議題,提高設備的效率,降低能耗,逐漸引起重視,特別是針對應用於風力發電機、全電射出機、橡塑膠壓出機等大型高耗能的傳動機構。一般所謂效率是指傳動機構輸出功率和傳動機構輸入功率的比值,比值越大代表效率越高,能源損失越小,越能夠滿足節能環保的需求。造成效率不佳的因素,主要來自摩擦損失,摩擦導致熱量產生,尤其在大型的傳動機構上更為明顯。影響效率的因素很多,包括:傳遞功率,相對滑動速度,其中傳動機構承受的負載特別重要。
傳動機構通常須配合馬達一起使用,製造商通常會標示馬達效率, 卻很少提到傳動機構效率,以系統整體效率而言,必須同時考慮到兩者的影響,了解馬達及傳動機構效率曲線,配合負載,才可獲得系統最佳效率。
圖1是一般齒輪傳動機構效率曲線,圖2是馬達效率曲線[1],兩者均顯示出效率是隨著輸出功率而變化的,傳動機構配合馬達工作,較理想的連續工作區域,通常是落在兩個組件效率最高的部份,但是兩者最高效率的部分不會在同一個負載或轉速發生,選擇太小的傳動機構,會讓承載及壽命不足,跟選擇一個太大的傳動機構,會使的該齒輪傳動機構一直在低效率的區域工作,都是不理想的選擇,最好的選擇是挑一個合適的傳動機構,讓二者均保持在高效率的區域工作。
因此,不管是基於對傳動機構性能提升的需求,或者是針對馬達及傳動機構最佳特性匹配的需求,對傳動機構進行效率測試,了解傳動機構效率特性曲線,都是十分必要的事。

傳動機構量測裝置

近年來,雖然分析模擬已有大幅的進步,可以對傳動機構特性進行模擬分析[2],但不可避免仍存在特性分析誤差。因此,實務上實驗測試仍舊是最有效直接的特性驗證方式。在滾珠導螺桿方面,測試裝置主要進行耐久性測試[3],測試的性能包括:效率、摩擦扭矩[4]、溫升、振動、噪音等。在齒輪傳動機構方面,測試裝置可以測試各種齒輪傳動機構的性能,包括:負載能力、潤滑、效率、振動、噪音、疲勞強度、磨耗、溫升、壽命等[5,6,7]。
傳動機構效率關係到節能減碳、環境保護、及經濟效益等議題,是一個十分重要的機構特性,以下將特別針對傳動機構之效率測試裝置進行探討。

滾珠導螺桿效率量測裝置

傳動機構之效率量測一般不會在空載進行,因為負載及轉速對於效率都會有很大影響,因此,可以改變轉速及負載,是量測裝置的基本需求。滾珠導螺桿的效率量測最直接方式,是在連接螺帽的移動平台上,直接施加負載,如
圖3,負載可以是液壓缸,配合適當的液壓迴路。馬達及滾珠導螺桿之間,安裝扭矩/轉速感測器,記錄輸入數據,移動平台及負載裝置之間安裝力量感測器,配合位移感測器,記錄輸出數據,作為效率量測依據。
圖4是另一種功率開放型滾珠導螺桿效率量測裝置[4],負載採用電磁煞車方式,量測裝置中平行安裝兩組滾珠導螺桿,驅動端滾珠導螺桿經由扭矩/轉速感測器和馬達連接,可記錄輸入數據,負載端滾珠導螺桿則和負載裝置連接,兩組滾珠導螺桿透過移動平台以力量感測器連接,配合位移感測器,記錄輸出數據,作為傳動效率計算依據。
對於大尺寸、高負荷滾珠導螺桿,進行長時間的測試,則建議使用功率封閉型滾珠導螺桿效率量測裝置,如圖5。此型裝置沒有外加負載,可減少功率消耗,加載方式是在兩組滾珠導螺桿的螺帽上,作成一個封閉力系,以加載裝置對兩組螺帽施加一預壓力,隨測試需求,可適當調整預壓力,在螺桿和螺帽之間改變摩擦扭矩,模擬不同的負荷狀態。加載裝置可以是螺牙、彈簧等。由輸入端滾珠導螺桿和馬達之間的扭矩/轉速感測器計錄輸入功率,由加載裝置端之力量感測器,配合位移感測器計錄功率損耗,作為傳動效率計算依據。

齒輪傳動機構效率量測裝置

齒輪傳動機構效率量測裝置,和滾珠導螺桿效率量測裝置,量測原理是一樣的,都是由馬達輸入,配合負載裝置模擬外加負荷,再進行效率特性曲線量測。圖6是一種最簡易的功率開放型的齒輪傳動機構效率量測裝置,包含了動力源(主要是馬達),及負載裝置(煞車裝置、動力計等),待測之齒輪傳動機構,安裝於動力源及負載裝置之間。由安裝於馬達和齒輪傳動機構之間的扭矩/轉速感測器,記錄輸入數據,安裝於負載裝置和齒輪傳動機構之間的扭矩/轉速感測器,記錄輸出數據,作為傳動效率計算依據。
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