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1、 机械制造行业 国立联 合大学机械工程学系大学 专题 國 立 聯 合 大 學 機機 械械 工工 程程 學學 系系 大 學 專 題 題目 磁力傳動裝置振動量測分析 U9411090 葉憲彧 學號姓名 U9411097 凌岳銘 U9411065 黃倫修 指導老師 黃勝銘 博士 Dr San Ming Huang 中華民國九十七年五月三十日 摘要 科技進步的今天 精密產業快速興起 在自動化與精密度的雙重要求之下 傳動機構的低振動亦成為人類追求的課題 一般的剛性齒輪由於其屬於接觸式 傳動 所以驅動側的振動會藉由接觸而傳遞 在磁力屬於超距力的事實下 發 展出許多應用磁力傳動來達到隔振的目的 磁力齒輪在兩
2、齒輪間留有空隙 以 非接觸的方式來達到傳動的目的 可以有效的改善摩擦與振動問題 PW700 振動噪音頻譜分析儀以傅立葉分析為理論根據 建立時域與頻域間互換的傅立 葉變換圖形 本篇研究主要是分析磁力齒輪之隔振效果 其方法是使用加速度 規作為振動訊號擷取 將時域之訊號作快速傅立葉變換 FFT 至頻率領域 其訊 號意義將會較易於理解 根據實驗的結果 本文將針對訊號之差異進行比較 且歸納出原因 並在研究這些現象的同時也可以學習其周邊相關之知識 進而 達到學以致用的目的 目錄 摘要 I 目錄 II 圖目錄 III 表目錄 V 第一章 緒論 1 1 1研究背景 1 1 2文獻回顧 2 1 3研究主題 2
3、第二章 基本原理 4 2 1磁滯現象 4 2 2磁力傳動原理 5 2 3振動量測參數 6 2 3 1週期 頻率 位移振幅 6 2 3 2自然頻率 7 第三章 磁力傳動裝置介紹 9 3 1 磁力齒輪介紹 10 3 1 1磁力齒輪之磁力線分布 最大扭矩與製造原料 10 3 1 2 滑差 11 3 2直流馬達與轉速控制 13 3 3扭力測量裝置 16 3 3 1扭矩傳感器與扭力計顯示器 16 3 4磁滯剎車器 17 3 4 1磁滯剎車的原理 18 3 4 2電流與扭力 19 3 5振動測量裝置 21 3 5 1加速度規 頻譜分析儀 21 第四章 實驗量測與分析 22 第五章 結果與討論 31 第六章
4、 參考文獻 32 圖目錄 圖 2 1 磁滯曲線 4 圖 2 2 A 軸向磁性聯軸器 B 徑向磁性聯軸器 5 圖 2 3 質點圓運動之投影 6 圖 2 4 彈簧質量系統 7 圖 2 5 自由體圖 7 圖 3 1 磁力傳動裝置整體架構 9 圖 3 2 磁力齒輪 10 圖 3 3 磁力齒輪分析模型 10 圖 3 4 磁力齒輪之磁力線分布 11 圖 3 5 磁力齒輪之 N S 極分布 11 圖 3 6 外力 摩擦力圖 12 圖 3 7 磁力齒輪之轉動角與扭矩關係圖 13 圖 3 8 EMOTION卡 13 圖 3 9 直流馬達 14 圖 3 10 PWM 振幅 R P M關係圖 15 圖 3 11 扭
5、力計顯示器 16 圖 3 12 扭矩傳感器 16 圖 3 13 磁滯剎車器 17 圖 3 14 磁滯剎車器之內部構造 18 圖 3 15 磁滯剎車器運作示意圖 19 圖 3 16 電流 扭矩圖 20 圖 3 17 剛性軸於磁滯煞車器扭力測量 20 圖 3 18 加速度規 21 圖 3 19 頻譜分析儀 21 圖 4 1 磁力齒輪主動軸 輸入轉速 231 RPM 無負載 22 圖 4 2 磁力齒輪從動軸 輸入轉速 231 RPM 無負載 22 圖 4 3 磁力齒輪主動軸 輸入轉速 231 RPM負載 0 108N M 23 圖 4 4 磁力齒輪從動軸 輸入轉速 231 RPM負載 0 108N
6、M 23 圖 4 5 磁力齒輪主動軸 輸入轉速 432 RPM 無負載 24 圖 4 6 磁力齒輪從動軸 輸入轉速 432 RPM 無負載 24 圖 4 7 磁力齒輪主動軸 輸入轉速 432 RPM 負載 0 108N M 25 圖 4 8 磁力齒輪從動軸 輸入轉速 432 RPM 負載 0 108N M 25 圖 4 9 剛性軸驅動側 輸入轉速 231 RPM 予以敲擊 26 圖 4 10 剛性軸被驅動側 輸入轉速 231 RPM 26 圖 4 11 磁力齒輪主動軸 輸入轉速 231 RPM 予以敲擊 27 圖 4 12 磁力齒輪從動軸 輸入轉速 231 RPM 27 圖 4 13 剛性軸驅
7、動側 輸入轉速 432 RPM 予以敲擊 28 圖 4 14 剛性軸被驅動側 輸入轉速 432 RPM 28 圖 4 15 磁力齒輪主動軸 輸入轉速 432 RPM 予以敲擊 29 圖 4 16 磁力齒輪從動軸 輸入轉速 432 RPM 29 圖 4 17 外力敲擊剛性軸 30 圖 4 18 外力敲擊磁力齒輪 30 表目錄 表 3 1 直流馬達規格 14 表 3 2 PWM 振幅的相關參數 15 表 3 3 扭矩傳感器規格 16 表 3 4 扭力計顯示器規格 16 表 3 5 磁滯剎車器規格 17 表 3 6 電流 扭矩測量數據 19 第一章 緒論 1 1研究背景 隨著時代的進步 人類的生活品
8、質提高 物質需求的品質也提高 包含食 衣 住 行 育 樂 所以在產品的加工上也要求的更精密 交通工具更舒適 居住環境更安靜 然而要解決以上問題最有直接關係的就是振動了 所以 避 振 一詞就應運而生 我們知道 如果振動越大 噪音就越大 產品精密度就 不好掌控 行車就不舒適 人類是聰明的動物 遇到問題就會想辦法解決 也會針對問題對症下藥 找到振動的來源進而對其解決 因此發明了許多產品來避振 a 氣壓缸避振器 多用於前叉緩衝裝置 裡面有高壓氣體 利用壓縮氣體的壓力高於活塞另 一端的壓力 來達到避振的目的 b 液壓缸避振器 多用於汽車之減振筒 有單筒或複筒兩種 裡面除了有油 還有不等比例 之氣體 現今
9、市面上所用的氣體大多為高壓的氮氣 因為油壓缸比較被廣泛使 用 所以大多直接稱為油壓缸 c 磁性聯軸器 一般聯軸器因主動軸與從動軸互相接觸 故電機或主動體因運轉產生的振 動和磨損無法避免 而磁性聯軸器因主動軸與從動軸之間留有間隙 而能有效 降低因輸入軸運轉所產生的振動傳至輸出軸 d 磁力軸承 它是利用磁力使轉軸不產生機械摩擦 且不用任何潤滑地懸浮在空間中的 非接觸軸承 因非接觸 亦可改善振動所造成的噪音的問題 最早應用磁力軸 承的國家是法國在 1972 年將它用於衛星導航器飛輪支承上 至今已有將磁力 軸承應用在自行車上了 使用性可以說非常的廣 e 磁力齒輪 兩齒輪間留有空隙 以非接觸的方式來達到
10、傳動的目的 可以有效的改善 摩擦與振動問題 因為一般齒輪在傳動時會因摩擦而產生粉塵 不適合用在無 塵環境 而磁力齒輪之特性可符合需求 LCD 與 PDP 皆須在高度乾淨之環境下 製造 1 2文獻回顧 陳武立 1999 研究軸心偏位對磁性聯軸器傳動性能之影響裡提到 為 了瞭解磁性連軸器高頻制振的效果 首先以一個機械式聯軸器連接驅動軸 與被驅動軸 並量測與分析其定速旋轉與穩態時 所產生的扭力振動訊號 其後再將機械式聯軸器換成磁性聯軸器 亦擷取其定速旋轉穩態時之扭力 振動訊號 比較兩組訊號可以知道不同聯軸器在傳動時 其振動訊號在傳 遞上有明顯的差異 且答案是肯定的 黃正棋 2006 研究磁性行星齒輪
11、系之設計與特性分析提出 一新型態 之磁性行星齒輪系 透過非接觸之磁耦合力 以改善傳統機械式行星齒輪 系之高磨耗 體積大 易過熱 及使用壽命短等缺點 且其具有多重磁耦 合區 可提高拖動轉矩 並兼具高轉矩密度 及小體積下高減速比等優點 謝浚泉 1996 研究徑向磁耦合的物性模擬及垂直式磁性齒輪的物性提 到 垂直式磁性齒輪的扭力是經由徑向磁性耦合所提供的 由實驗得到不 同極數下的扭力值 並發現對於半徑 20mm 間距 2mm 的兩個磁性齒 輪而言 最大扭力發生在 6 極與 16 極之間 磁性齒輪的扭力會隨著彼此 間距離的增加而降低 對於具有相同磁場強度 但不同極數的磁性耦合而 言 在磁性齒輪的間距小
12、於臨界間距時 扭力值與極數成正比 但磁性齒 輪的間距大於臨界間距時 扭力值與極數成反比 其實驗使用燒結 NdFeB 磁鐵 所得的臨界間距為約 10 1 3研究主題 本研究之目的是基於磁力傳動屬於非接觸傳動 故能有效的減少因振 動所產生的負面影響 進而欲使用電腦軟體分析磁力傳動裝置在運轉時之 振動 並經由分析來了解到各種形況影響下所產生之振動之意義 除此之 外 並藉由研究此題目進而涉獵平常上課接觸機會較少之知識或相關儀器 設備 以擴展科學眼界 依本研究之主題 首先必須先了解振動學的基本常識 週期 頻率 位移振幅與自然頻率等 其次 就是對實驗設備之瞭解與其應用原理之探 討 可分為以下幾項介紹 a
13、磁力齒輪 在本實驗裝置中扮演傳動的角色 並探究其傳動原理 以便遇到 問題時知道從何處下手解決 b 直流馬達 有動力才可談傳動 直流馬達即是本實驗之動力來源 是以電流 控制之脈寬調變 PWM 來調整直流馬達之轉速 c 扭力量測裝置 本實驗使用扭力傳感器並藉 UMV2000 軟體來擷取傳動裝置之扭 矩 轉速之數據 d 磁滯剎車器 本實驗將給予傳動裝置一外加阻力作為負荷 磁滯剎車器即是施 予一制動力之裝置 其應用原理將從磁滯現象著手 再基於此現象得 知其工作原理 e 振動之量測裝置 為了完成本研究之主題 振動量測之裝置當然是必備的 使用 PW700 振動噪音頻譜分析儀進行量測 並經過電腦快速傅立葉變
14、換 FFT 使原本測量出為時間領域之資料 轉換為頻率領域容易計算 與理解的資料 第二章 基本原理 本章將介紹在往後實驗會使用的基本原理 首先介紹磁滯現象 接著探討 磁力傳動原理 與振動量測時所會用到的參數 2 1磁滯現象 圖 2 1 磁滯曲線 先了解什麼是磁滯曲線 在介紹磁滯曲線時可以一同解釋磁滯現象 將一 鐵磁性物質置於一外加磁場下 使其外加磁場由零逐漸增強 會發現鐵磁性物 質之感應磁場亦隨之增強 當外加磁場增加到某一程度 外加磁場強度 再怎 麼增加 感應磁場強度 也不會再增大 這就達到了所謂的飽和 點 再將 外加磁場逐漸減小 鐵磁性物質之感應磁場亦會隨之減小 但速度變慢 不會 沿著原曲線
15、返回 亦即此過程是不可逆的 當外加磁場降為零 而 鐵磁性物質能保有磁性 這就是所謂的磁滯現象 再持續的把外加磁場朝反方 向增加 也可以說是去磁作用 要將感應磁場降為零 就至少需將反向的外加 磁場增加至 點 而此 點的 值就稱為物質之抗磁力或矯頑磁力 coercivity Hc 或稱之為抗磁場強度 coercive field intensity 相同 於正向外加磁場 將反向外加磁場逐漸增大至飽和 點 再減小反向外加磁場 至零 點 鐵磁性物質仍會因磁滯現象而保有磁性 且方向是負的 持續 通以正向磁場 曲線會沿著 發展 而其所圍成的曲線就是所謂的磁滯曲線 所圍成的面積就是曲線經過每一循環所產生的磁
16、滯熱能損失 2 2磁力傳動原理 磁力傳動 顧名思義就是以兩磁極的相斥或相吸來傳遞力矩 以達到傳動 的目的 其特色是在主動件與從動件之間只存在著超距力 故可以減少因接觸 所產生的振動 而磁性聯軸器就是其典型的運用 圖 2 2 a 軸向磁性聯軸器 b 徑向磁性聯軸器 圖 2 2 為磁性聯軸器的磁極示意圖 軸向磁性聯軸器 a 在主動軸上裝一 法蘭盤 盤上再固定幾塊永久磁鐵 使 N 極與 S 極相間排列 在從動軸上與以 相同動作 然後再把主動軸與從動軸相對放置 中間留有間隙 兩軸之間就會 因磁力作用而聯繫在一起 當主動軸轉動時 從動軸也會跟著轉動 當主動軸 停止轉動 從動軸亦不會轉動 在相同條件下 兩盤間隙越小 間隙間的相互 作用力則越大 當轉速較高的情況下 對兩軸的同心度也要求較高 以減少磁 力損失 徑向磁性聯軸器 b 在內外兩個轉子上排列相同對數的永磁體 在同一轉 子上 N 極與 S 及交錯排列 而內外轉子的 N 極與 S 極方向一致 可知 當主 動軸靜止時 因兩轉子後相吸引 以致從動軸也靜止 當其中一轉子與其他主 動體連接起來 而其轉子就成了主動轉子 經過磁力的作用 從動轉子也就跟 著運
