高分子复合材料的快速发展以及性能不断提高,推动了高分子复合材料齿轮在汽车和其他工程中的应用,引领机械行业向着轻量化方向发展。为了研究高分子材料齿轮摩擦磨损机理以及设计方法,开发设计高分子齿轮试验机具有重要的工程意义。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术,它为产品的研发提供了一种全新的设计方法。与传统的设计和制造相比较,虚拟样机设计有效地缩短了产品的研发周期以及提高了产品性能。本研究采用理论分析和试验研究相结合的方法,基于虚拟样机技术,针对高分子复合材料齿轮试验机进行系统设计和性能仿真。利用有限元软件ANSYS Workbench对高分子复合材料齿轮进行了静力学分析,通过Matlab软件对仿真齿轮接触应力的数据进行拟合,建立等效应力和负载转矩之间的数学模型,以计算选用齿轮所能承受的最大转矩;基于赫兹接触理论对齿轮接触应力进行了理论分析,结合理论分析与仿真分析结果,确定了试验机加载系统的加载范围;基于粘弹性体的力学分析,确定了加载系统采用单铰链支撑的滚珠丝杠砝码加载方案。在试验过程中可调式测试齿轮箱偏转角变化范围很小,所以测试系统采用间断相位法测量可调式测试齿轮箱偏转角;利用SolidWorks软件分别对传动系统、加载系统和装夹系统进行了机械结构设计,分析了加载系统和测试系统的工作原理;通过ANSYS Workbench软件对加载装置的丝杠支撑架进行了强度校核,结果表明支撑架结构设计满足强度要求;基于SolidWorks软件对试验机进行虚拟装配,并进行了运动学仿真分析,仿真结果表明运动无干涉,试验机结构装置满足设计要求。利用ANSYS Workbench软件,对试验机整机进行了模态分析,避免了试验机在工作的过程中出现共振现象;通过ADAMS软件对虚拟样机模型进行了不同负载转矩下齿轮啮合力动力学仿真分析,得到高分子材料齿轮啮合力随时间变化的动态曲线,啮合力仿真均值与理论计算值基本吻合;分析了从动轴的转速曲线,验证了试验机模型在传递运动时具有可靠性和稳定性。通过物理样机完成了高分子复合材料齿轮摩擦磨损试验,得到了齿轮啮合力随时间变化的曲线图,与ADAMS仿真齿轮啮合力曲线图进行对比,仿真曲线和试验曲线的变化趋势相同,验证了虚拟样机设计的合理性;研究了虚拟样机的系统误差,分析了加载系统的加载过程和产生误差的原因以及测试系统产生误差的原因,结果表明加载系统和测试系统满足精度要求。