CN101050986A - 一种测量轴承摩擦力矩的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量轴承摩擦力矩的测试装置，该装置包括：内轴、外壳、传力销钉、悬臂梁、应力应变传感器、应变采集分析仪器和电机。当电机带动内轴转动时，被测轴承的内圈随之一起转动，由于被测轴承内、外圈之间摩擦力矩的作用，将轴承内、外圈的力矩信号转换成传力销钉的力信号，进一步转换成悬臂梁的应变信号，再用应力应变传感器进行测量，将应变信号转化为电信号，用应变采集分析系统对应力应变传感器的电信号进行转化、调理，最终实现了摩擦力矩的高精度测试。本发明提供的装置避免了传统测量装置精度低、采样频率和显示频率低、无法实现实时测量等缺点。还可以配合低速和高速应变采集分析系统得到时域参数和频谱特征，全面评价轴承的性能。

Description

一种测量轴承摩擦力矩的测试装置

技术领域

本发明涉及轴承摩擦力矩的测试装置，具体是指空间精密角接触轴承在一定转速、润滑和预载条件下其摩擦力矩的高精度、实时在线测试装置。

背景技术

运动部件广泛应用于航天卫星及遥感仪器中，完成特定的功能。随着对空间转动机构摩擦、润滑研究工作的深入，在轨故障的进一步分析和研究以及大量的空间和地面的实践证明：轴承是制约空间运动部件寿命和可靠性的关键零件，对轴承性能的测试和评价也因此而变得至关重要。轴承摩擦力矩是反映轴承性能的重要参数之一，尤其是空间应用环境下轴承摩擦力矩具有的特殊性，如微重力：导致空间润滑的供油机理与地面上的不同，失重环境下只有靠表面张力和毛细作用。高真空：导致润滑剂挥发耗散和机构局部高温而致使润滑剂失效。温度交变：会直接影响润滑油粘度的变化。宇宙尘埃：直接、高速的冲击会给测试带来很大的干扰。空间辐射：导致润滑剂的热退化、断链、聚合和交叉耦合等。

目前，中国专利：专利号为200610052086.8、200510049805.6、200410052708.8、03242670.4等所提供的轴承摩擦力矩的测试方法和装置都存在一个共同的缺陷，即都未涉及轴承的实际工作中的润滑状况和预载荷条件，因此无法得到轴承实际工作过程中的摩擦状况。国外已经研制出真空球盘摩擦试验机和轴承组件寿命试验装置等相关平台，不过大多是从工程角度根据项目自身的特殊要求来解决特定的问题，从某种意义上说相关试验数据也属于工程技术机密，很难在公开发表的文章中查到。因此，目前尚无针对空间应用的角接触轴承摩擦力矩的测试装置。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种针对空间应用的角接触轴承摩擦力矩的测试装置。

本发明的测试装置包括：由内轴1和外壳5构成嵌套被测轴承的凹槽体；在槽口内侧有一通过螺钉16固定在内轴1上的密封盖6，内轴1和密封盖6之间置有对轴承施加预载的垫片15；在槽口外侧有一通过螺钉16固定在外壳5上的压盖7，外壳5和压盖7之间置有对轴承施加预载的垫片15；内轴1与传动轴8采用过盈配合联接，传动轴8通过联轴器12与电机联接；悬臂梁10的一端开有销钉孔，外壳5底部开有测量孔，传力销钉9分别与销钉孔、测量孔配合联接，用来传递载荷；悬臂梁10的另一端通过螺钉16固定在支架17上，在悬臂梁10上，靠近支架17处粘贴有应力应变传感器13，传感器输出的信号由应变采集分析仪器14处理，实现轴承摩擦力矩的测试。

当电机通过联轴器带动传动轴旋转时，与传动轴配合联接的内轴带动被测轴承的内圈随之一起转动，由于被测轴承内、外圈之间摩擦力矩的作用，被测轴承的外圈会因内圈的转动而有被曳动的趋势，将力矩施加到传力销钉上，传力销钉又进一步将力矩转换成力施加到悬臂梁上，悬臂梁在力载荷的作用下发生变形，将力转换成应变，利用应变采集分析仪器即可实现对轴承摩擦力矩的高精度测试。

本发明提供的测试装置不仅可以在线测量实时显示轴承在不同转速、润滑和预载条件下的摩擦力矩，还可以配合低速和高速应变采集分析系统得到时域参数(平均值和波度比)和频谱特征，全面评价轴承的性能。

附图说明

图1为本发明的轴承摩擦力矩测试装置的结构示意图；

图2本发明的轴承摩擦力矩测试装置的部分三维局剖装配图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

本实施例的被测轴承2是DB方式联结的两个角接触轴承，轴承由外圈201、内圈202和中间嵌有滚珠203构成。两个轴承之间的内圈由内挡圈3隔开，二个轴承之间的外圈由外挡圈4隔开。

测试时将被测轴承2放在由内轴1和外壳5构成的凹槽体内，用螺钉16将密封盖6固定在内轴1上，内轴1和密封盖6之间置有对轴承施加预载的垫片15，垫片的厚度可根据对轴承施加预载力的大小决定，并使其抵住被测轴承的内圈202。被测轴承的内圈202、内挡圈3与内轴1配合联接，由此内轴1、被测轴承2的内圈202、内挡圈3和密封盖6构成一个整体随传动轴8一起作旋转运动，称之为旋转部件。

再用螺钉16将压盖7固定在外壳5上，外壳5和压盖7之间置有对轴承施加预载的垫片15，垫片的厚度可根据对轴承施加预载力的大小决定，并使其抵住被测轴承的外圈201。被测轴承的外圈201、外挡圈4与外壳5配合联接，由此外壳5、被测轴承的外圈201、外挡圈4和压盖7构成一个整体保持相对静止，称之为静止部件。

传动轴8与内轴1之间采用过盈配合相联接，电机11通过联轴器12与传动轴8联接，电机带动传动轴8及旋转部件一起旋转，此时被测轴承内、外圈之间的摩擦力矩就等价表现为旋转部件、静止部件之间的摩擦力矩。

悬臂梁10的一端开有销钉孔，外壳5底部开有测量孔，传力销钉9分别与销钉孔、测量孔配合联接，用来传递载荷；传力销钉9和悬臂梁10会产生相应的制动力阻止静止部件的运动并使之保持平衡状态，实现了被测轴承内、外圈之间的摩擦力矩以力的形式施加到传力销钉9上，并进一步转化为悬臂梁10上的载荷力；悬臂梁10在载荷力的作用下变形，产生应变，实现了载荷力转化为应变；用粘贴在悬臂梁10表面的高精度应力应变传感器13检测悬臂梁10上产生的应变，实现了应变量转化为电学量；用应变采集分析系统14对应力应变传感器10的电学量进行转化、调理，最终实现了摩擦力矩的高精度测试。

本发明的摩擦力矩M和应变ε之间的转换公式为：

$M=$ $\frac{E\·b{\·h}^2\·d}{6\·(L-x)}\·\mathrm{\ϵ}$

其中：E为悬臂梁10材料的弹性模量，L、b、h分别为悬臂梁10的长度、宽度和厚度，d为传力销钉9与的传动轴8的中心轴距，x为传感器13的粘贴位置到悬臂梁固定在支架端部的距离。

本发明的测试装置中的传力销钉9的刚度不小于200GPa，以减小因传力销钉9变形而引起的附加传递误差。悬臂梁10的材料可以是青铜、黄铜或者不锈钢，厚度为1～2mm；如果太薄则会导致其固有频率过低，易发生振动影响测试结果，如果太厚则会导致应变量过小、信号微弱，不易检测。电机11可以是直流电机或步进电机，可以分别通过调节电压和占空比得到所需转速。传感器13可以是电阻式、电容式、电压式等应力应变传感器。

应变采集分析仪器14采用低速设备和高速设备相结合：

低速设备可以采用市售的静态或者动态应变仪(如北戴河实用电子技术研究所研制的SDY2204)，实现对轴承摩擦力矩的长时间检测，根据测试的结果可以计算出其平均值和波度比，作为评价轴承工作性能的时域参数。

高速设备可以采用市售的内置信号转换和调理模块的高速数据采集器(如北京瑞博华控制技术有限公司生产的RBH8223H)，首先通过惠斯通电桥电路将传感器的信号转化为电压信号，然后进行滤波、放大调理，之后进行采样，最后利用快速傅立叶变换算法对结果进行傅立叶分析，建立摩擦力矩的频谱特征与工作状况的对应关系。

本发明提供的装置可以根据需要随时更换不同的润滑剂以实现对比试验的目的，润滑剂采用液体润滑剂，在旋转部件和静止部件加入润滑剂后，密封结构的设计可以保证润滑剂在测试过程中不会泄漏。

Claims (1)

1.一种测量轴承摩擦力矩的测试装置，其特征在于该测试装置包括：内轴(1)和外壳(5)构成嵌套被测轴承的凹槽体；在槽口内侧有一通过螺钉(16)固定在内轴(1)上的密封盖(6)，内轴(1)和密封盖(6)之间置有对轴承施加预载的垫片(15)；在槽口外侧有一通过螺钉(16)固定在外壳(5)上的压盖(7)，外壳(5)和压盖(7)之间置有对轴承施加预载的垫片(15)；内轴(1)与传动轴(8)采用过盈配合联接，传动轴(8)通过联轴器(12)与电机(11)联接；悬臂梁(10)的一端开有销钉孔，外壳(5)底部开有测量孔，传力销钉(9)分别与销钉孔、测量孔配合联接，用来传递载荷；悬臂梁(10)的另一端通过螺钉(16)固定在支架(17)上，在悬臂梁(10)上，靠近支架(17)处粘贴有应力应变传感器(13)，传感器输出的信号由应变采集分析仪器(14)处理，实现轴承摩擦力矩的测试。

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