1 引 言
闭式试验台是功率流封闭试验台的简称。它是一种在室内评定机械传动元件及其系统性能的试验设备，主要用来确定传动装置的耐久性、使用寿命、传动效率及研究各种因素，如设计因素、制造工艺、材料、负荷、转速、润滑条件等对其影响。
闭式试验台结构简单、投资小，耗能少、经济适用性强，所以在齿轮及其传动装置试验研究中得到了广泛的应用。按封闭功率流的性质有电封闭式、液压封闭式和机械封闭式试验台。笔者主要以齿轮及其传动装置为例，介绍用机械方法构成的功率流闭式试验台的工作原理及有关问题。
2 闭式试验台原理
2. 1 封闭功率
以试验一对齿轮的闭式试验台为例，说明其工作原理。单对齿轮闭式试验台的结构，如图 1 所示。图中，齿轮 Zl和 Z2是被试验的一对齿轮。同时，设置另一对齿轮 Z3和 Z4，然后用轴 I 把齿轮 Zl和 Z4连接起来，用轴 II、Ⅲ，通过加载装置 5 把齿轮 Z2和 Z3连接起来，6 为驱动装置，例如电动机。这样，齿轮 Z1、Z2、Z3、Z4和轴 I、II、Ⅲ就构成了一个机械式封闭系统。
显然，这个封闭系统正常运转的条件是系统的总传动比为 1，即:
为给被试的一对齿轮加上载荷，可通过加载装置设法在轴 II 和轴Ⅲ上施加一个大小相等、方向相反的力矩 T
f。显然，通过封闭传动链，同时也使轴 I 发生了扭转。证明齿轮 Z1、Z2、Z3、Z4和轴 I、Ⅱ、III 同时处于扭矩 Tf的作用下，亦即在整个封闭系统中保留了扭矩 Tf的作用，即加上了载荷。此扭矩 Tf称为封闭扭矩( 亦即加载扭矩) 。
若使封闭传动系统以角速度 ω 运转，则上述加了载荷的封闭系统的运转将伴随着功率的传递，即在封闭系统中就有 Tfω 的功率在周而复始地循环传递。必须指出 Tfω 是封闭扭矩 Tf与封闭系统转速 ω 的乘积，它具有功率的量纲，但它不是由外力所产生的功率提供的; 此外，Tfω 也不可能输出到封闭系统之外。所以，Tfω 叫做循环功率或封闭功率。显然，循环功率不是由动力装置提供的，动力装置只是使系统能够以 ω 的速度运转而己。
封闭系统运转时，会不可避免地产生因摩擦、搅油等引起的功率损失。这部分功率损失由驱动装置来补偿。这就是说，驱动装置输入到封闭系统的功率仅是使封闭系统运转起来的功率，即用于补偿封闭系统内的摩擦损耗的功率。由于摩擦损耗功率很小，因此所需驱动装置的功率也很小。根据经验，一般仅为封闭功率的 1/10 ～1/5 左右，它与被试装置的传动效率及传递功率大小、试验台传动箱传动效率等有关。
这样，封闭系统内可以有很大的循环功率满足试验功率的要求，而完成试验所消耗的能量则相对很小，这是闭式试验台的最大优点。
总之，通过加载装置可以改变封闭扭矩 Tf的大小，通过驱动装置可以改变封闭系统的转动速度 ω，从而获得不同的封闭功率，即试验功率。驱动装置只需提供补偿封闭系统内摩擦损耗的功率。采用控制技术，可以方便地实现自动加载和自动调速。
2. 2 封闭系统内功率流的流动方向
封闭系统中功率流的流动方向取决于加载方向和驱动装置的旋转方向。功率流总是从主动齿轮开始，依啮合次序从主动齿轮流向从动齿轮。所谓主动齿轮是旋转方向与作用在该齿轮上的力矩方向相反的齿轮。反之，称为从功齿轮。
轴 I、II 的转速 ωl、ω2的方向，如图 2 所示。图中，齿轮 Z2对 Z1的力矩，即齿轮 Z1受到的力矩为T21，其方向与转速 ω1方向相反，故 Z1为主动齿轮; Z1对 Z2的力矩，即齿轮 Z2受到的力矩为 T12。其方向与转速方向相同，故 Z2为从动齿轮。
按上述规定，图 2 封闭功率流按 Z1-Z2-轴 II-Z3-Z4-轴 I-Z1的方向流动，即封闭功率 Pf按顺时针方向流动。当力矩方向不变而改变转动方向，或转动方向不变而改变力矩方向时，封闭功率 Pf的流动方向将随之改变。但同时改变转动方向和力矩方向，则主动齿轮不变，封闭功率流动方向不变。
2. 3 封闭系统的损耗功率
如前所述，封闭系统中封闭功率 Pf是不会损失的，损耗的只是摩擦功率。如图 3 所示，设功率流按Z4-Z3-轴Ⅲ -轴Ⅱ -Z2-Z1-轴 I -Z4的方向流动，那么，由驱动装置提供给封闭系统的损耗补偿功率 Ps，将随着功率流的流动而逐渐消耗在各摩擦副中[1]。
在图示情况下，齿轮 Z4右端为电动机功率 Ps输入端，加上封闭循环功率 Pf，齿轮 Z4上的功率最大，即 Pf+Ps。该功率经过传动齿轮副 Z4、Z3的传递，损耗 Pb后，从齿轮 3 左端输出时，功率已减为 Pf+Ps-Pb。该功率经由轴Ⅲ、Ⅱ输入传动齿轮 Z2，而传动齿轮副 Z2、Z1又有损耗 Pa，所以，该功率传给轴 I 时，已经减至 Pf+Ps-( Pa+Pb) 。总损耗的功率 Pa+Pb由电机功率 Ps来弥补，即 Ps= Pa+Pb。不言而喻，通过轴 I传至齿轮 4 左端的功率又恢复为 Pf。
如果将齿轮 Z1、Z2、Z3、Z4看成是 A、B 两个传动箱，如图 3 示。设 A、B 两个传动箱的传动效率分别为 ηa、ηb。从上述分析可知: 轴Ⅱ上的功率为 Pf，则轴Ⅰ上的功率应为 Pf/ ηa; 齿轮 Z3上的输出功率就应该为 Pf/ ( ηa×ηb) ，于是，由电机输入的补偿功率则为:
式中: Pf为封闭功率; ηs为封闭系统中各传动装置的总效率。
考虑到电机驱动功率应该有一定的裕量，补偿功率一般可以按下式计算，即:
根据实践经验估计出封闭系统中各传动装置的总效率后。可按式( 3) 计算闭式实验台所需要的驱动功率。一般情况下，补偿功率为试验对象功率的1 /5 ～ 1 /16。
2. 4 加载方式
常用的加载方式有扭力杆式、摆动箱式和液压加载式等。图 4 所示为摆动箱加载原理示意图。图中，传动箱 B 固定不动，箱 A 可绕支承 C 转动。轴Ⅰ与两个传动箱的对应轴用刚性联轴器连接，轴Ⅱ为汽车十字万向传动轴[2]。
当加载盘上加上等效重量 G( 包括砝码、加载杆以及箱体 A 等折算到加载盘上的重量) 后，箱体 A 逆时针( 向下) 转动，这时齿轮 Z1随之下沉，这样齿轮Z1迫使齿轮 Z2按逆时针方向转动。齿轮 Z2作用于齿轮 Z1的反作用力又迫使齿轮 Z1也沿逆时针方向转动。由于齿轮 Z1、Z2分别通过轴Ⅰ、Ⅱ和齿轮 Z3、Z4相连，而齿轮 Z3、Z4彼此是啮合的。
众所周知，一对定轴传动的外啮合圆柱齿轮是不可能同向转动的，因而箱体 A 转动引起的齿轮 Z1、Z2的同向回转只能使齿轮 Z3、Z4，轴Ⅰ、Ⅱ和齿轮 Z1、Z2等产生弹性变形。当弹性变形所产生的反力矩与外加力矩平衡后，齿轮 Z1、Z2就停止回转，摆动箱 A 也就停止下沉。这样，封闭系统就被加上了载荷，其内部产生了封闭扭矩 Tf。根据摆动箱 A 的平衡条件，有:
因为，T1= T2× i × ηa; 所以，G × L = T2× ( 1 +i × ηa) ; 于是加载力矩为:
式中: i 为传动比，i=Z1/ Z2; ηa为摆动箱 A 的传动效率; G 为加载盘上的等效重量; L 为加载臂长; T1、T2为齿轮 Z1、Z2上的扭矩。
摆动箱加载方式的特点是结构简单、载荷平稳，可以在运转过程中加载、卸载。其缺点是当传动齿轮的精度较低时，在实验台运转过程中，摆动箱会发生明显的抖动，这会使得被试件承受附加的脉动载荷，从而影响试验的准确性。
图 1 中的加载装置可采用液压摆动缸[3]。图 5所示为液压加载器原理图。加载器实际为叶片式摆动液压缸，缸体与右传动轴Ⅲ连接，叶片转子与左传动轴Ⅱ连接，向摆动液压缸输入具有一定压力的油液，就对左、右传动轴加上了大小相同、方向相反的力矩。由于封闭式试验台的传动链其总传动比为 1，左、右传动轴必然同向转动，所以在整个闭式传动链中加上了封闭扭矩。这种加载方式极易实现自动加载，只要改变输入摆动液压缸的油液压力，即可改变扭矩。
为实现自动连续加载、卸载，加载液压系统的压力必须连续可调，为此可采用电液比例溢流阀来调整系统压力，这样就可以用计算机实现试验扭矩的调节与控制。液压加载方式加载转矩大，加载器自身的体积小，应用较多。其缺点是结构较复杂，制造精度要求高，还有机械加载和电气加载方式等，不再赘述。
3 机械闭式实验台的应用
如果将图 1 中齿轮 Z1、Z2、Z3、Z4看成是两个传动箱，将两个被试的传动装置背靠背( 为了保证总传动比为 1) 串联在图 1 的轴 I 或轴 II 中，就可以对它们进行效率、寿命等试验，如图 6 所示。根据扭矩传感器的布置位置，可以有多种试验台结构形式。
3. 1 结构形式之一
在图 7 的结构方案 1 中，选用带转速传感器的扭矩传感器，封闭环中的扭矩传感器用于监测封闭扭矩、封闭功率的值，而环外的扭矩传感器则用来检测补偿扭矩、补偿功率。该方案需对实验台进行标定，才能测定供试件的传动效率[4]，其方法如下。
首先，将图 7 中的供试件、陪试件换装为一根标定用的光杆传动轴，然后由驱动装置———调速电机驱动实验台，用环外的扭矩传感器测出实验台在不同加载矩、转速( 即不同试验功率) 下，电机输入封闭系统的耗损扭矩 T0或耗损功率 P0，环中的扭矩传感器测出相对应的试验扭矩 Tx或试验功率 Px。根据标定试验记录的数据，可以绘制图 8 所示的标定曲线簇。
试验台标定后，取下标定杆，装上背靠背的供试件和陪试件，在与标定时条件相同( 试验扭矩、转速相同) 的情况下进行试验，环中的扭矩传感器监测试验扭矩，用环外的扭矩传感器测量出电机输入封闭系统的耗损扭矩 T1或耗损功率 P1，则 T1-T0或 P1-P0即为由供试件、陪试件耗损的扭矩、功率。
当两个传动箱的传动比为 1 时，电机转速与输入供试件的转速相同时，可用下式计算在该试验扭矩( 功率) 和该转速下，供试件的机械效率:
当两个传动箱的传动比不为 1 时，则有:
式中: Tx、Px为试验( 封闭) 扭矩、功率; T1、P1为试验时，封闭系统损耗的扭矩、功率; T0、P0为标定时，封闭系统损耗的扭矩、功率
注意，式( 5) 、( 6) 的条件是: 必须假定供试件和陪试件的机械效率相同。
根据试验可以获得不同转速、封闭( 试验) 转矩下供试件的机械效率，然后采用曲线拟合方法可以得到传动效率曲线簇，如图 9 所示。
3. 2 结构形式之二图 10 为结构方案 2，两个扭矩传感器放置在封闭系统内部，一个检测输入扭矩，一个检测输出扭矩 输入、输出转速相同) 。需检测驱动电机转速，以计算试验功率。该方案无需对试验台进行标定。传动效率的计算也比简单，其他结构方案，不再赘述。
图 11 是笔者提出的某汽车变速器效率、寿命闭式试验台的总体方案原理框图。
驱动装置采用变频调速电机，功率为变速器功率的 1/6; 液压加载器设计为 3 叶片式摆动缸，最大加载转矩 2( kN·m) ，最大加载压力 10MPa，采用电液比例溢流阀控制、调节; 由工控机组成的自动测控系统，可以实现试验数据的自动采集、处理，试验过程自动控制等功能; 通过计算机程序的编写，可以自动生成试验报表，输出试验数据图表。
4 结 语
封闭系统内可以有很大的循环功率来满足试验功率的要求，而完成试验所消耗的能量则相对很小，这是闭式试验台的最大优点，这对研究汽车变速器效率、寿命等具有重要意义。
参考文献:
[1] 孙 桓，陈作模. 机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社，2001.
[2] F. Schmelz，GrafvonH. C，Seherr-Thoss，ect. 万向节与传动轴[M]. 北京: 北京理工大学出版社，1997.
[3] 王守城，容一鸣. 液压传动[M]. 北京: 中国林业出版社，2006.
[4] 贾伯年，俞 朴，宋爱国. 传感器技术[M]. 南京: 东南大学出版
本文作者：李喜梅，容一鸣
