一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法与流程

1.本发明属于滚动轴承技术领域，具体涉及一种结构简单、精度高的测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法。


背景技术：

2.随着社会工业化的向前发展，滚动轴承这一重要的机械基础件被广泛地应用于社会的各个领域。摩擦力矩是评估滚动轴承润滑性能的重要指标，滚动轴承在运转时，摩擦力矩的存在会使得温度上升，从而加剧磨损，影响滚动轴承的润滑性能。因此设计出一种能够精确测量滚动轴承摩擦力矩的装置，是轴承行业的热门话题。
3.目前，申请号201811135185.1的专利公开了一种轴承摩擦力矩测试工装，包括底座、支撑架、转动环、悬臂轴、轴承安装组件和第一力矩传感器，所述悬臂轴通过支撑架水平设置在底座的上方，轴承安装组件设置在悬臂轴上，第一力矩传感器设置在轴承安装组件上，轴承安装组件上套设有轴承，所述轴承安装组件与轴承的内圈相对固定设置，且转动环与轴承的外圈相对固定设置。该发明在实际工程中被发现当轴承组件间的摩擦力矩较小时，用常规力矩传感器测量微小的摩擦力数值波动很大，同一轴承多次测量值前后不一致，难以准确测量。


技术实现要素：

4.本发明针对现有滚动轴承摩擦力矩测量方式精度低、测量不准确，难以做到精确测量的问题，提出一种精度高、结构简单的测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法，避免了使用力矩传感器直接测量摩擦力矩的不足之处，电机驱动轴通过联轴器带动主轴转动，主轴带动滚动轴承内圈转动，测量外套传递给l型板一个压力，压力使薄板发生应变，通过应变片测量薄板的应变可以得到压力的值，从而得到摩擦力矩的值。这种方法将传统直接测量摩擦力矩的方式改为测量摩擦力间接得到摩擦力矩，相当于放大所测量，使结果更为可靠，提高了准确率。
5.本发明一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置，包括底板、驱动机构和测量机构；所述的驱动机构包括电机、联轴器一、支撑轴承一、主轴、主轴支撑板、副轴支撑板、副轴、滑块和滑轨；所述电机的底座固定在底板上，电机的输出轴与主轴的一端通过联轴器一连接；所述的主轴通过支撑轴承一支承在主轴支撑板的中心孔内；所述的主轴支撑板固定在底板上；主轴的另一端与副轴通过联轴器二连接；主轴的被测轴承支承轴段开设有环形槽一；主轴设有多根，各主轴的被测轴承支承轴段直径规格均不相同；所述的副轴通过支撑轴承二支承在副轴支撑板的中心孔内；副轴支撑板通过螺栓固定在滑块上；所述的滑块与滑轨构成滑动副，并通过螺栓固定；所述的滑轨固定在底板上；所述的测量机构包括测量外套、l型杆、薄板、应变片和支撑座；所述l型杆的水平臂与测量外套固定，竖直臂嵌入压柱的中心孔内；l型杆与测量外套的装配件设有多个，各装配件中测量外套的中心孔孔径规格均不相同；所述薄板的一端固定在与支撑座一体成型的凸台上，薄板的其余部分悬空，压柱与薄板
自由设置的另一端顶面固定；支撑座固定在底板上；所述压柱中心孔的孔壁上开设有径向螺纹孔；径向螺纹孔与紧定螺钉连接，紧定螺钉压紧l型杆的竖直臂；薄板的顶面和底面各粘贴有两片应变片，各应变片几何中心到压柱中心轴线的距离相等。
6.优选地，所述支撑轴承一的内圈由卡在主轴开设的环形槽二内的轴用挡圈一轴向定位，外圈与主轴支撑板的中心孔过盈配合。
7.优选地，所述支撑轴承二的内圈由卡在副轴开设的环形槽三内的轴用挡圈二轴向定位，外圈与副轴支撑板的中心孔过盈配合。
8.本发明一种测量滚动轴承摩擦力矩的方法，具体如下：
9.步骤一：选取孔径尺寸与被测轴承外径尺寸相同的测量外套，并选取被测轴承支承轴段直径尺寸与被测轴承内径尺寸相同的主轴。
10.步骤二：将电机的底座通过螺钉一固定在底板上，将主轴通过支撑轴承一支承在主轴支撑板上；然后，将主轴的一端与电机的输出轴通过联轴器一连接；接着，将滑轨固定在底板上，滑块与滑轨构成滑动副，副轴支撑板固定在滑块上；再接着，将支撑座固定在底板上，薄板的一端固定在与支撑座一体成型的凸台上；最后，将压柱与薄板自由设置的另一端顶面固定。
11.步骤三：将测量外套套在主轴的被测轴承支承轴段上，将与测量外套固定的l型杆的竖直臂和压柱通过紧定螺钉连接；然后，将被测轴承套在主轴的被测轴承支承轴段上，并与测量外套的中心孔过盈配合；最后，将轴用挡圈三卡在主轴被测轴承支承轴段的环形槽一内。
12.步骤四：将副轴通过支撑轴承二支承在副轴支撑板上，并将副轴与主轴的另一端通过联轴器二连接；然后，将滑块与滑轨固定；最后，在薄板的顶面和底面各粘贴两片应变片，保证各应变片几何中心到压柱中心轴线的距离相等，并利用四片应变片搭建全桥测量电路。
13.步骤五：电机驱动主轴转动，被测轴承的内圈和副轴均跟随主轴转动，被测轴承的摩擦力矩m对薄板产生压力f，压力f使薄板发生应变，粘贴的应变片随之发生应变；通过应变片的应变计算滚动轴承的摩擦力矩m，并记录摩擦力矩m随时间的变化曲线。
14.优选地，所述滚动轴承的摩擦力矩m计算过程具体如下：
15.被测轴承摩擦力矩的计算公式为：
16.m＝
‑
m1＝
‑
fd
17.其中m1为测量外套的摩擦力矩，d为被测轴承中心轴线与压柱中心轴线的距离。
18.则
[0019][0020]
全桥测量电路中，应变片的电阻变化量与电阻值关系满足：
[0021][0022]
其中δr为应变片的电阻变化量，r为应变片的电阻值，u为全桥输入电压，u0为全桥输出电压，u0′
为电机停转状态下的全桥输出电压。
[0023]
全桥测量电路中，应变片的电阻变化量与电阻值关系还满足：
[0024][0025]
其中k为应变片的灵敏系数，ε为应变片的应变。
[0026]
而压力f的计算公式为：
[0027][0028]
其中e为薄板所采用材料的弹性模量，b为薄板的宽度，h为薄板的厚度，l为应变片几何中心到压柱的中心轴线的距离。
[0029]
则
[0030][0031]
本发明与现有技术相比，具有以下有益结果：
[0032]
1.本发明通过测量外套与l型杆将测量被测轴承的摩擦力矩转变为测量施加在压柱上的压力，在数值上压力的大小远大于摩擦力矩，从而使得数值被放大，大大提高测量精度。
[0033]
2.本发明运用薄板，被测轴承内圈转动时，被测轴承的摩擦力矩通过l型杆传到薄板的压力f使薄板发生应变，利用四块应变片搭建的全桥测量电路计算出f，可根据情况适当增大或减小薄板的长度，便于测量。例如被测轴承是微型轴承时，其摩擦力矩比常规尺寸的摩擦力矩要小的多，此时可以增大薄板的长度来增大应变量，便于测量。
[0034]
3.本发明采用滑台结构(滑块和滑轨构成滑动副)，便于拆卸被测轴承。
[0035]
4.本发明整体结构简单，试验条件及操作简易，试验可重复性好，数据稳定，可信度高。
附图说明
[0036]
图1为本发明测量滚动轴承摩擦力矩的装置的整体结构立体图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
如图1所示，一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置，包括底板24、驱动机构和测量机构；驱动机构包括电机1、联轴器一2、支撑轴承一4、主轴5、主轴支撑板6、副轴支撑板13、副轴14、滑块16和滑轨17；电机1的底座通过螺钉一23固定在底板24上，电机1的输出轴与主轴5的一端通过联轴器一2连接；主轴5通过支撑轴承一4支承在主轴支撑板6的中心孔内；主轴支撑板6固定在底板24上；主轴5的另一端与副轴14通过联轴器二10连接；主轴5的被测轴承支承轴段开设有环形槽一；主轴5设有多根，各主轴5的被测轴承支承轴段直径规格均不相同，主轴5的被测轴承支承轴段直径规格可根据滚动轴承尺寸表中的轴承内径尺寸确定，由
于本发明针对小型滚动轴承(小型滚动轴承的摩擦力矩较小，难以通过一般的测量装置进行测量)进行测量，因此所需主轴5的被测轴承支承轴段直径规格不会出现庞大的数量；副轴14通过支撑轴承二12支承在副轴支撑板13的中心孔内；副轴支撑板13通过螺栓15固定在滑块16上；滑块16与滑轨17构成滑动副，并通过螺栓固定；滑轨17通过螺钉二18固定在底板24上；测量机构包括测量外套7、l型杆19、薄板20、应变片21和支撑座22；l型杆19的水平臂与测量外套7固定，竖直臂嵌入压柱的中心孔内；l型杆19与测量外套7的装配件设有多个，各装配件中测量外套7的中心孔孔径规格均不相同，测量外套7的中心孔孔径规格可根据滚动轴承尺寸表中的轴承外径尺寸确定；薄板20的一端固定在与支撑座22一体成型的凸台上，薄板20的其余部分悬空，压柱与薄板20自由设置的另一端顶面固定；支撑座22固定在底板24上；压柱中心孔的孔壁上开设有径向螺纹孔；径向螺纹孔与紧定螺钉连接，紧定螺钉压紧l型杆19的竖直臂；薄板20的顶面和底面各粘贴有两片应变片21，用于测量薄板20的应变；各应变片几何中心到压柱中心轴线的距离相等。
[0039]
作为一个优选实施例，支撑轴承一4的内圈由卡在主轴5开设的环形槽二内的轴用挡圈一3轴向定位，外圈与主轴支撑板6的中心孔过盈配合。
[0040]
作为一个优选实施例，支撑轴承二12的内圈由卡在副轴14开设的环形槽三内的轴用挡圈二11轴向定位，外圈与副轴支撑板13的中心孔过盈配合。
[0041]
一种测量滚动轴承摩擦力矩的方法，具体如下：
[0042]
步骤一：选取孔径尺寸与被测轴承9外径尺寸相同的测量外套7，并选取被测轴承支承轴段直径尺寸与被测轴承9内径尺寸相同的主轴5。
[0043]
步骤二：将电机1的底座通过螺钉一23固定在底板24上，将主轴5通过支撑轴承一4支承在主轴支撑板6上；然后，将主轴5的一端与电机1的输出轴通过联轴器一2连接；接着，将滑轨17固定在底板24上，滑块16与滑轨17构成滑动副，副轴支撑板13固定在滑块16上；再接着，将支撑座22固定在底板24上，薄板20的一端固定在与支撑座22一体成型的凸台上；最后，将压柱与薄板20自由设置的另一端顶面固定。
[0044]
步骤三：将测量外套7套在主轴5的被测轴承支承轴段上，将与测量外套7固定的l型杆19的竖直臂和压柱通过紧定螺钉连接；然后，将被测轴承9套在主轴5的被测轴承支承轴段上，并与测量外套7的中心孔过盈配合；最后，将轴用挡圈三8卡在主轴5被测轴承支承轴段的环形槽一内。
[0045]
步骤四：将副轴14通过支撑轴承二12支承在副轴支撑板13上，并将副轴14与主轴5的另一端通过联轴器二10连接；然后，将滑块16与滑轨17固定；最后，在薄板20的顶面和底面各粘贴两片应变片21，保证各应变片几何中心到压柱中心轴线的距离相等，并利用四片应变片搭建全桥测量电路。
[0046]
步骤五：电机1驱动主轴5转动；被测轴承9的内圈跟随主轴5转动，副轴14通过联轴器二10同样跟随主轴5转动；被测轴承9的摩擦力矩m对薄板产生压力f，压力f使薄板发生应变，粘贴的应变片随之发生应变；通过应变片的应变计算滚动轴承的摩擦力矩m，并记录摩擦力矩m随时间的变化曲线。
[0047]
滚动轴承的摩擦力矩m的计算过程具体如下：
[0048]
主轴驱动被测轴承的内圈旋转，被测轴承的外圈与测量外套过盈配合保持不动，此时测量外套上存在一个摩擦力矩与被测轴承内部的摩擦力矩相互平衡，大小相同、方向
相反，测量外套在内部的摩擦力矩和薄板的压力f反作用力的双重作用下保持平衡，则被测轴承摩擦力矩的计算公式为：
[0049]
m＝
‑
m1＝
‑
fd
[0050]
其中m1为测量外套的摩擦力矩，d为被测轴承中心轴线与压柱中心轴线的距离。
[0051]
则
[0052][0053]
以深沟球轴承6006为例，假设m为0.001n
·
m，d＝70mm，则
[0054][0055]
可见，压力f明显比摩擦力矩m大得多，因此更加便于测量，通过测量压力f算出摩擦力矩m，能提高测量精度。
[0056]
全桥测量电路中，应变片的电阻变化量与电阻值关系满足：
[0057][0058]
其中δr为(一片)应变片的电阻变化量，r为应变片的电阻值，u为全桥输入电压，u0为全桥输出电压，u0′
为电机停转状态下的全桥输出电压。
[0059]
全桥测量电路中，应变片的电阻变化量与电阻值关系还满足：
[0060][0061]
其中k为应变片的灵敏系数，ε为应变片的应变。
[0062]
主轴驱动被测轴承的内圈旋转时，由于薄板一端固定，另一端受到竖直向下的压力f，使薄板发生应变，因此，薄板的受力分析采用悬臂梁的受力应变公式。
[0063]
压力f的计算公式为：
[0064][0065]
其中e为薄板所采用材料的弹性模量，b为薄板的宽度，h为薄板的厚度，l为应变片几何中心到压柱的中心轴线的距离。
[0066]
则
[0067]