CN100529721C - 磨耗试验机和试验方法 - Google Patents
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Abstract
用于测试甚至在使用润滑油时材料和部件的摩擦磨损特性的磨耗试验机和试验方法。该磨耗和试验方法保证了可靠的磨耗试验得以执行，其中可获得与实际装置零件中滑动特性的良好一致性。
Description
技术领域
本发明涉及磨耗试验机和试验方法，用于测量包括金属、塑料、陶瓷和橡胶的各种类型材料的摩擦磨损特性。更具体而言，本发明涉及滑动磨耗试验机和试验方法，其可执行高度可靠的磨耗试验，该试验良好符合于实际装置零件中的滑动特性。
背景技术
以下公开内容可与本发明的各个方面相关并且可简要概括如下：
本领域中已知很多用于评估材料和润滑剂的摩擦磨损特性的磨耗试验机和试验方法。现有技术参考文献“Polymers，An EncyclopedicSourcebook of Engineering Properties”，Encyclopedia Reprint Series，John Wiley&Sons Inc.，copyright 1987第8-11页，公开了各种设备和ASTM标准用于摩擦磨损的试验工序。
Tribology Data Book(Techno System Shuppan，1991)，195-205页描述了各种磨损试验和它们的特征，包括针-盘(pin-on-disk)型、推力圆筒(thrust cylinder)型和块-环(block-on-ring)型试验机。该参考文献也提及通常测量是在固定接触负荷和固定摩擦速度下实施。
JP-A 54-145584旨在测量且评估处于与采用往复滑动机构的实际装置零件相同的条件下、处于波动性负荷下的试验样品中的摩擦阻力。该参考文献公开了试验机，其采用偏心凸轮从而视需要改变滑动速率、接触负荷、以及波动性负荷和周期。
Smalley等的美国专利No.4939922公开了一种技术，用于测量两个试验样品之间的滑动特性，该样品相对彼此滑动同时保持互相接触。试验样品之一通过转动驱动单元经由偏心凸轮而转动，且另一试验样品通过弹性体被压靠在该第一试验样品上。
现有技术中公开的磨耗试验机和试验方法具有的缺点是从试验获得的滑动结果并非总是良好地符合于实际装置(如商用)零件中部件的滑动特性。据信这是由于以下原因。在实际或商用装置零件中：(1)负荷和滑动速率通常并不均匀，而是在某一范围内周期性变化；(2)由于试验是以始终处于相互接触状态的试验样品来实施，因此产生的摩擦热在接触区域积累并且摩擦磨损行为被必然出现的温度上升强烈影响；和(3)由于通过摩擦产生的粉末在接触表面积累，因此测得的磨损量并不直接代表材料的磨损性质。
而且，在滑动型磨损试验中，其中施加润滑油或脂到试验样品的接触表面，则摩擦系数很低，只出现极少磨损，因此在测量中经常得不到清楚的差别，使得难以获得有价值的试验结果。在用于工业或消费者应用的各种电产品，包括用于汽车电元件中的驱动系统马达中，滑动机构元件通常与接触表面上的润滑油或油脂一起使用。因此，需要这样一种磨耗试验机，其可测量并评估处于与实际使用的条件相同或相似状态的元件的摩擦磨损特性，其提供了更高的可靠性，使得可以预测产品寿命，由此保证实施合适的材料选择或设计。
发明概要
简言之，且根据本发明一个方面，提供了一种磨耗试验机，其包括：用于夹持试验样品的样本夹持器；挤压工具，其压靠在该试验样品上从而在挤压工具和试验样品之间产生摩擦磨损；和驱动单元，其偶联于挤压工具，其中该驱动单元使该挤压工具在试验样品平面内产生给定运动，同时该挤压工具给试验样品施加给定压力，其中该挤压工具是凸轮，该凸轮具有：最小半径(d1)和最大半径(d2)且转动中心轴位于距试验样品表面给定距离(L)处，其通过驱动单元围绕转动中心轴转动，当d1＜L＜d2时，间歇地与试验样品直接接触，并且以使得在接触时的最大应力固定的方式受控地压靠在试验样品上；且其中样本夹持器，通过偶联于其上的弹性元件，使得该试验样品响应于施加到该试验样品的压力而相对于该挤压工具位移。
依照本发明另一方面，提供了磨耗试验方法，其包括：用样本夹持器夹持试验样品；使挤压工具压靠在该试验样品上从而在挤压工具和试验样品之间产生摩擦磨损；和使用偶联于挤压工具的驱动单元，从而使该挤压工具在试验样品平面内产生给定运动，同时该挤压工具给试验样品施加给定压力；该方法特征在于该挤压工具包括凸轮，该凸轮具有最小半径(d1)和最大半径(d2)，具有位于距试验样品表面给定距离(L)处的转动中心轴，其通过驱动单元围绕转动中心轴转动，当d1＜L＜d2时，间歇地与试验样品直接接触，并且其以使得在接触时的最大应力固定的方式受控地压靠在试验样品上；且特征还在于样本夹持器，通过偶联于其上的弹性元件，使得该试验样品响应于施加到该试验样品的压力而相对于该挤压工具位移。
附图简述
由以下详细说明，结合考虑附图，本发明将得以更加充分的理解，其中：
附图1是阐述了本发明磨耗试验机凸轮和试验样品之间关系的示意图；
附图2是显示了本发明磨耗试验机主要特征的本发明示意图，包括包含在圆筒鼓内的螺旋弹簧的剖面图。
附图3A和3B显示了采用本发明的摩擦力测量的图表结果。
尽管本发明将结合其优选实施方案进行描述，但是应理解到其并非旨在将本发明局限于该实施方案。相反，其旨在覆盖可被包括到如所附权利要求限定的本发明精神和范围内的所有备选、改变、和等同方案。
发明详述
如上所述，现有技术的滑动型磨耗试验机和试验方法并不能良好地符合实际装置零件中的滑动特性。因此，实际装置(即各种汽车和电应用，包括汽车电元件中采用的驱动系统马达)中经历的摩擦磨损和采用该磨耗试验机得到的结果之间的一致性很差。而且，该试验结果取决于试验机和使用条件而大范围地变化，因此损害了重现性。因此以前不是不能可靠地测量该摩擦磨损特性就是极度困难，直到出现了本发明为止。
本发明包括两个要素：磨耗试验机和试验磨耗的方法。本发明的一个要素提供了一种磨耗试验机，其具有用于夹持试验样品的样本夹持器，挤压工具，其压靠在试验样品上从而在其自身和该试验样品之间产生摩擦磨损，和驱动单元，其偶联于该挤压工具。该驱动单元使该挤压工具在试验样品平面内产生给定运动(即挤压运动)，同时该挤压工具给试验样品施加由驱动单元运动产生的压力，其中该挤压工具是凸轮，该凸轮具有：最小半径(d1)和最大半径(d2)，其转动中心轴位于距试验样品表面给定距离(L)处，其通过驱动单元围绕转动中心轴转动，当d1＜L＜d2时，间歇地与试验样品发生直接接触，并且其以使得在接触时的最大应力固定的方式受控地压靠在试验样品上；且其中样本夹持器，通过偶联于其上的弹性元件，使得该试验样品响应于施加到该试验样品的压力而相对于该挤压工具位移。
本发明的第二要素提供了一种磨耗试验方法，其包括：用样本夹持器夹持试验样品；使挤压工具压靠在该试验样品上从而在其自身和试验样品之间产生摩擦磨损；和使用偶联于挤压工具的驱动单元，从而使该挤压工具在试验样品平面内产生给定运动，同时该挤压工具给试验样品施加给定压力；该方法特征在于该挤压工具是凸轮，该凸轮具有最小半径(d1)和最大半径(d2)，具有位于距试验样品表面给定距离(L)处的转动中心轴，其通过驱动单元围绕转动中心轴转动，当d1＜L＜d2时，间歇地与试验样品发生直接接触，并且其以使得在接触时的最大应力固定的方式受控地压靠在试验样品上；且特征还在于样本夹持器，通过偶联于其上的弹性元件，使得该试验样品响应于施加到该试验样品的压力而相对于该挤压工具位移。
现参考附图详细说明本发明。附图1显示了阐述在本发明磨耗试验机上的凸轮3和试验样品2之间关系的示意图。在本发明的磨损试验机和试验方法中，挤压工具是凸轮3，其具有至少一个具有最大半径d2的突角(lobe)，其接触已置于样本夹持器1上的试验样品2。当凸轮3的最小半径(d1)和最大半径(d2)与从中心轴到与试验样品2的相对材料接触的表面的距离(L)之间的关系满足d2＞L＞d1时，凸轮3的转动产生了在接触表面上间歇或周期性波动的应力，从而保证重现更加接近于实际装置零件中遇到的条件的磨损行为。
由于非圆形凸轮3的形状满足这样的条件：最大半径(d2)超过从转动轴到试验样品2的相对材料表面的距离(L)，因此凸轮3临近最大长度(d2)的部分与该试验样品2的相对材料表面接触，并且压靠在其上。响应于施加到样本夹持器1上的试验样品2的挤压力，通过偶联于样本夹持器1的弹性元件(图1未示出)产生了排斥弹力。因为最小半径(d1)短于从转动轴4到试验样品2的相对材料表面的距离(L)，凸轮3有时并未与试验样品的相对材料表面接触。这通过附图1中的凸轮3的实心线图示。当凸轮3围绕其中心轴4转动时，在从凸轮表面到中心的距离是从该中心到试验样品的相对材料表面的距离(L)的那个点附近开始接触。与试验样品表面接触的转动凸轮通过附图1中的凸轮的虚线图示。在最大半径(d2)以直角接触试验样品表面的那个点，该凸轮将试验样品表面上的相对材料向下挤压一段距离，准确地为(L-d2)，产生了最大应力，其响应于该挤压量。当凸轮3连续转动时，从试验样品2表面和凸轮3之间开始接触的时间到该接触再次终止的时间，在接触点处的应力从0变化到最大应力值。该最大应力可以根据样品厚度和试验样品下的弹性体弹簧的初始负荷而调节。该循环间歇地重复。由于相应于凸轮半径变化的弹性变形，从而伴随着通过凸轮3产生压靠在试验样品2表面上的压力(附图1中所示的F)，同时通过在接触表面上的滑动。
在本发明中，最大应力可在一个宽范围内测量。该范围可以是0-500N和更高，取决于样本厚度和弹簧负荷。例如在诸如动力转向齿轮的应用中，通过齿轮啮合产生的表面接触力是200-400N推动力。参考附图3，其提供了约300N推动力的实际例子。本发明的磨耗试验机也可产生多达500N或以上的更高推动力，通过增加试验样品(例如当样本厚度约6mm时，最大推动力应当为535N)，和改变弹簧至更高的弹簧常数(该弹簧常数可通过以下弹簧方程改变：K＝G×d4/8×n×D3，此处G：金属弹簧的弹性模量，d：簧圈直径，D：平均圈直径，n：卷绕数)或通过向上提高支撑基座(附图2中的20)而给予弹簧初始张力。优选地，本发明磨耗试验机产生的更高推动力是500N和更高。
继续参考附图1，在本发明的实践中，当最小半径(d1)和最大半径(d2)与从凸轮3的中心轴4到与试验样品2的接触表面的距离(L)之间的关系满足d2＞L＞d1时，在连接从凸轮转动轴4到相对试验样品2表面的最接近点的线上，产生了力(F)，其向下压靠在试验样品的表面上。在试验样品表面的相对材料上产生的力是表面应力。在试验样品2表面上这种应力的产生可如下实现：例如1)将弹性体如弹簧置于样本夹持器相对侧上的试验样品2以下，或2)使试验样品悬臂于一个支撑点以外或跨越两个支撑点。(例如该试验样品相似于一根棒，其中夹持器固定该棒的一端并且该棒围绕凸轮接触面以弯曲模式上下运动。)若选择例1)的方法，可产生的力的数量通过将被向下压的试验样品2的量乘以弹簧常数而获得。在本发明该实施方案的实践中，向下的推力(F)的范围为0-500N和更高。若选择例2)的方法，将试验样品在一端或两端固定，并且进行设置使得该样品的另一端或中心被向下压，从而产生的力对应于试验样品2的弹簧常数。
若希望直接测量在试验中试验样品接触表面产生的表面应力，一个方法是将应变传感器嵌到凸轮3接触区域的内侧上。另一个方法是将测压元件安装在支撑弹簧的底端。这些布置使得可以检测试验期间施加到试验样品接触表面的力随时间的变化。
在本发明中，两个接触的试验样品上的一个或两个接触表面是弯曲表面。理论上，若该试验样品是完全刚性体，则接触表面呈点或线接触形式。该弯曲表面可能是拱形、椭圆形或一些其它形状。然而，若从转动轴4的中心到凸轮表面极端点(即凸轮的最长半径)的距离已知为拱形，则在各接触点产生的应力可容易测得。
在本发明中，“间歇”指随着通过这些要素之一或两者转动期间，试验样品2和凸轮3突角表面处于摩擦接触，将会出现凸轮和突角并未接触的时候。提供了这样的时间：其中试验样品2处于这种相互分离的状态，从而阻碍了温度由于摩擦热而连续上升，并且也帮助使得由于接触表面之间磨耗产生的粉末持续积累产生的次级误差最小化。
本发明中凸轮形状可以具有任何数量的突角，只要满足上述关系。甚至简单的偏心凸轮也是可接受的，只要其周期性地在试验样品接触表面产生固定应力。而且，在本发明中，通过改变转动轴和试验样品2的接触表面之间的距离(L)，接触频率和接触应力可以轻易地调节。若本发明中该凸轮试验样品2由金属或陶瓷制成，其可通过例如切割、挤出、流延或锻造的操作而构造。若其由塑料或橡胶制成，其可通过注塑、挤出或切割(机械加工)而构造。而且，在磨耗试验中，由于可以测量仅接触部分(例如凸轮外表面和试验样品表面接触区域)的状态，则没有必要制造相同材料的整个凸轮。该设计预期可以是这样的一种：其中由目标材料(即需要试验摩擦和磨损行为的材料)制成的弯曲表面仅在与试验样品表面接触的区域被引入凸轮状基材。可以采用这种方法的实例包括将薄膜状材料施加到凸轮的弯曲表面，或将具有弯曲表面的小部件作为插入物仅安置在与试验样品材料表面接触的区域。这些方法在例如这些情况下是有效的：希望比较性地检查在凸轮试验样品侧上的各种材料，因为其消除了单独构造难以加工的凸轮的需要。而且，不必提供试验用标准试验样品，滑动机构部件在实际采用的相同类型的凸轮上直接使用，从而保证试验在实际装置零件的使用中遇到的相同情况下执行。
使用本发明磨耗试验机或试验方法的摩擦力测量简要描述如下。当凸轮滑过相对材料表面时产生的摩擦力可通过测量转动凸轮的轴上的扭矩(T)(附图2中弯曲箭头22所示)而测定。(本发明中用于扭矩(T)的凸轮转动可以是逆时针或顺时针，如附图1和2所示。)摩擦的最大动力系数通过以下方程计算：
μm＝T·(1/d2)·(1/F)
其中T是测得的转动扭矩，d2是最大半径，和F是施加到接触表面的垂直力。接触表面上产生的摩擦力变化可通过使用扭矩传感器检测随时间的转动扭矩而得以追踪。当在试验期间或由于润滑剂耗尽出现磨损时变化的摩擦力，可随转动扭矩中的变化得以灵敏地测得。
该凸轮的转动速率可通过在马达侧上安装转速计而测得。即使当在最开始将转动速度设定到固定值，也将存在其中转动速度随摩擦系数改变而改变的时候，因此监测转动速度对于试验结果的重现性而言也是必需的。
本发明也保证了对这些情况的试验：其中机油、脂、固体润滑剂等被施加到将使用试验方法来实施的滑动区域，该方法包括将润滑剂施加到该试验样品。也可以检查该方法，通过该方法出现的效果是磨损或摩擦系数的产生随着接触表面之间的润滑剂在试验过程中的消失而增大。
以下参考附图2以及附图3详细描述本发明的磨耗试验机和试验方法的实施方案，附图2是显示了本发明磨耗试验机的主要特征的示意图并且包括部分内部结构的剖面图，附图3显示了使用本发明磨耗试验机的摩擦力测量的结果。附图2显示了本发明磨耗试验机的主要特征，并且还包括部分内部结构的剖面图。具体而言，该示图显示了凸轮10、和通过联结器12连接于马达13的转动轴11。马达13上的马达轴14具有扭矩计15和连接于其上的数字转速计16，保证了转动速度和扭矩的持续测量。
凸轮10接触相对的试验样品17，该样品固定于圆筒鼓18上。圆筒鼓18中安置了螺旋弹簧19。因此，随着凸轮10垂直地移动该试验样品17，弹簧19的排斥力在凸轮10和试验样品17之间的接触表面处升高。在弹簧19另一端出现的力由该处下方附于介入的支撑基座20的应力/张力计21测定。来自扭矩计、转速计和张力计的信号送至计算机和具有读数器的输出，使得可以实施完整的分析。
现参考附图3A和3B，其显示当本实施例中未强化尼龙即由Delaware，Wilmington的E.I.duPont de Nemours&Co.生产的尼龙66的滑动特性通过根据本发明的磨耗试验机测量时获得的实际结果。附图3A的图表轴是滑动力(牛顿)与时间(秒)。附图3A中低于0的滑动力是弹性体运动的回弹效应(即弹簧效应)所致。附图3B的图表轴是表面上的挤压应力(N)与时间(秒)。
在该情况下所用的凸轮具有12.5mm的最小半径和16.5mm的最大半径，并且由5mm厚的S45C钢制成。所用的相对材料是未强化6，6-尼龙制成的试验样品17，施加锂皂化的脂在接触表面上。从凸轮轴到用作相对材料的试验样品17的距离调节到13.5mm。垂直施加到试验样品17的接触表面的最大平面应力通过凸轮挤压量(即调节到约3mm)和螺旋弹簧的弹簧常数(即在本情况中采用107N/mm)被测定为约321N。附图3B显示了实际最大负荷测量值(即力峰)为约270N，其由于弹性体(即弹簧，见附图2)惯性效应而比321N低51N。此外，接触宽度(凸轮10在其上接触试验样品17的相对材料表面)经计算为约14.5mm。凸轮被设置为30rpm的转动速度并且应力峰间隔为2秒。附图3B显示了螺旋弹簧底端压力计中的变化。据此，很明显当凸轮10间歇地接触试验样品时试验样品17上最大应力通常保持固定。附图3A显示了由凸轮转动扭矩引起的滑动力。据此很明显测量期间压力计的位移保持始终恒定，显示了施加到接触表面上的应力保持固定和不变。
根据本实施例中的测量同样明显的是：使用本发明磨耗试验机保证了滑动机构中微小变化得以被追踪。
因此，很明显根据本发明提供了磨耗试验机和试验方法，其充分满足了此前所述的目标和优点。尽管本发明结合其特定实施方案加以描述，但是显然很多备选、修改、和变化方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，意图涵盖落入所附权利要求精神和宽广范围内的这些备选、修改和变化方案。
Claims (2)
1.一种磨耗试验机，其包括：
用于夹持试验样品的样本夹持器；
挤压工具，其压靠在该试验样品上以在所述挤压工具和所述试验样品之间产生摩擦磨损；和
驱动单元，其偶联于挤压工具，其中该驱动单元使该挤压工具在试验样品平面内产生给定运动，同时该挤压工具给该试验样品施加给定压力，其中该挤压工具是凸轮，该凸轮具有：最小半径d1和最大半径d2且转动中心轴位于距试验样品表面给定距离L处，其通过驱动单元围绕转动中心轴转动，当d1＜L＜d2时，间歇地与所述试验样品直接接触，并且以在接触时的最大应力固定的方式受控地压靠在所述试验样品上；且其中样本夹持器，通过偶联于其上的弹性元件，使得该试验样品响应于施加到该试验样品的压力而相对于该挤压工具位移。
2.一种磨耗试验方法，其包括：
用样本夹持器夹持试验样品；
使挤压工具压靠在该试验样品上从而在所述挤压工具和所述试验样品之间产生摩擦磨损；和
使用偶联于挤压工具的驱动单元，从而使该挤压工具在试验样品平面内产生给定运动，同时该挤压工具给该试验样品施加给定压力；该方法特征在于该挤压工具包括凸轮，该凸轮具有最小半径d1和最大半径d2，具有位于距试验样品表面给定距离L处的转动中心轴，其通过驱动单元围绕转动中心轴转动，当d1＜L＜d2时，间歇地与所述试验样品直接接触，并且以在接触时的最大应力固定的方式受控地压靠在所述试验样品上；且特征还在于样本夹持器，通过偶联于其上的弹性元件，使得该试验样品响应于施加到该试验样品的压力而相对于该挤压工具位移。
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Granted publication date: 20090819 Termination date: 20121202 |