CN106248279B - 滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置，属于一种实验检测仪器。包括前后相对布置的两对支座，每对支座上固定有一根轴，两根轴相互平行，在每根轴上安装有一个轴承，两轴承前后相对；在两轴承Ⅰ上放置有一个板试件；在板试件的端部设有压力传感器Ⅰ和位移传感器Ⅰ；在板试件上方设有一个可上下移动的倒U型架；在倒U型架开口内固定有轴，在轴上通过一个轴承安装轮试件；在倒U型架上端设有位移传感器Ⅱ和压力传感器Ⅱ；在倒U型架上还设有用于检测轮试件角位移的精密光电编码器。本发明结构简单，操作方便，通过两次实验与记录可较为精确的得出滚动摩擦系数，并且可以进一步的考察轮试件滚动过程中的弹性滞后变形量。

Description

滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置
技术领域
本发明涉及教学实验仪器，具体是一种滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置，也可用于在生产现场测试不同材料的滚动摩擦力及滚动摩擦系数。
背景技术
滚动摩擦能减少阻力这一原理早在史前时期即为人们所认识。随着车轮的发明与使用，人们已比较朴素地理解到滚动摩擦与滑动摩擦有着本质的区别。滚动摩擦与滑动摩擦相比，摩擦阻力更小，功耗更少，磨损率低，传动效率高，在工程系统中有着广泛的应用。但滚动摩擦与滑动摩擦相比，摩擦机理及实验数据的测量都更为复杂。由于滚动摩擦这种固有的复杂性，使得该研究领域中还没有形成系统的理论体系，许多深层次的问题还有待于进一步研究，特别是由于相关实验设备的缺乏，在材料的动态变形对滚动摩擦行为的影响机理及规律方面还不十分清楚，对滚动摩擦行为与材料变形之间的影响规律无论在理论模型上还是在实验数据上都还缺乏。
不同材料、不同表面粗糙度、不同使用环境条件下，两物体间的滚动摩擦系数不同，故需要仪器设备在具体条件下进行摩擦系数的测定；另外一些实验已证实，正压力、滚动速度的大小也会影响滚动摩擦力、滚动摩擦系数的大小，但经文献查新和专利检索，目前尚未有设备能够同时测量试件在滚动过程中的动态变形和滚动摩擦力，而且现有的滚动摩擦力、滚动摩擦系数测试装置在实验载荷施加、滚动速度改变方面也存在一些问题，其得出的试验数据的真实性和工程现场的应用可靠性不能不受到质疑。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置，用于探究滚动摩擦系数以及轮试件滚动过程中的弹性滞后变形量。
本发明通过以下技术方案实现：一种滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置，包括前后相对布置的两对支座，每对支座上固定有一根轴，两根所述轴相互平行，在每根轴上安装有一个轴承，两所述轴承前后相对；
在两所述轴承Ⅰ上放置有一个板试件；在所述板试件的端部设有压力传感器Ⅰ和位移传感器Ⅰ；
在所述板试件上方设有一个可上下移动的倒U型架；在所述倒U型架开口内固定有轴，在轴上通过一个轴承安装轮试件；在所述倒U型架上端设有位移传感器Ⅱ和压力传感器Ⅱ；在倒U型架上还设有用于检测轮试件角位移的精密光电编码器。
其进一步是试件前方设有一个螺母丝杠推进机构Ⅰ，螺母丝杠推进机构Ⅰ包括丝杠Ⅰ、与丝杠Ⅰ连接的步进电机Ⅰ和安装在丝杠Ⅰ上的螺母Ⅰ；所述螺母Ⅰ靠近板试件一侧固定有所述的压力传感器Ⅰ。
所述倒U型架上方设有一个螺母丝杠推进机构Ⅱ，螺母丝杠推进机构Ⅱ包括丝杠Ⅱ、与丝杠Ⅱ连接的步进电机Ⅱ和安装在丝杠Ⅱ上的螺母Ⅱ；所述螺母Ⅱ靠近倒U型架一侧固定有所述的压力传感器Ⅱ。
实验时，轮试件以正压力N压紧在板试件上，这一过程中，位移传感器Ⅱ记录轮试件的径向变形量Δ；
步进电机Ⅰ按设定速率驱动压力传感器Ⅰ以速度v推动板试件运动；压力传感器Ⅰ记录轮试件的滚动摩擦阻力和三个轴承旋转阻力的合力F 1；位移传感器Ⅰ和精密光电编码器分别记录板试件的直线位移L 1及轮试件的角位移φ 1；
取下轮试件重复以上实验过程，记录压力传感器Ⅰ、位移传感器Ⅰ和精密光电编码器所测各参量：F 2、L 2、φ 2。
F 1与F 2，相比较可得轮试件的滚动阻力，进而得到滚动摩擦系数。
综合比较分析v、L 1、φ 1、Δ、L 2、φ 2，可以考察轮试件滚动过程中的弹性滞后变形量（轴承装配时均采用预紧技术，以消除径向游隙）。
本发明的有益效果是：结构简单，操作方便，通过两次实验与记录可较为精确的得出滚动摩擦系数，并且可以进一步的考察轮试件滚动过程中的弹性滞后变形量。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图中：1、步进电机Ⅰ；2、丝杠Ⅰ；3、压力传感器Ⅰ；4、螺母Ⅰ；5、轴承；6、支座；7、轴；8、位移传感器Ⅰ；9、位移传感器Ⅱ；10、压力传感器Ⅱ；11、倒U型架；12、轮试件；13、步进电机Ⅱ；14、丝杆Ⅱ；15、螺母Ⅱ；16、精密光电编码器；17、板试件。
具体实施方式
以下是本发明的一个具体实施例，现结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置，在底板上表面固定有两对前后相对的支座6，每对支座6上固定有一根轴7，两根轴7相互平行，在每根轴7上安装有一个轴承5，两轴承5前后相对；在两轴承Ⅰ5上放置一个板试件17，板试件17的材质可根据实验选择，本实施例选择花岗岩石板。在板试件17的前方设有一个用于推动板试件17向后运动的螺母丝杠推进机构Ⅰ；螺母丝杠推进机构Ⅰ包括丝杠Ⅰ2、与丝杠Ⅰ2连接的步进电机Ⅰ1和安装在丝杠Ⅰ2上的螺母Ⅰ4；步进电机Ⅰ1带动丝杠Ⅰ2转动，进而推动螺母Ⅰ4；螺母Ⅰ4抵在板试件17前端，推动试件17向后运动，在螺母Ⅰ4靠近板试件17一侧固定压力传感器Ⅰ3，以检测推动试件17的力；在板试件17后端设有位移传感器Ⅰ8，用于检测试件17的位移。
在板试件17上方设有一个可上下移动的倒U型架11；在倒U型架11开口内固定有轴，在轴上通过一个轴承5安装轮试件12；轮试件12的材质可根据实验选择，本实施例选择聚合物轮子。在倒U型架11上方设有一个用于推动倒U型架11向下移动的螺母丝杠推进机构Ⅱ；螺母丝杠推进机构Ⅱ包括丝杠Ⅱ14、与丝杠Ⅱ14连接的步进电机Ⅱ13和安装在丝杠Ⅱ14上的螺母Ⅱ15；步进电机Ⅱ13带动丝杠Ⅱ14转动，进而推动螺母Ⅱ15；螺母Ⅱ15下侧面与倒U型架11之间设有压力传感器Ⅱ10，以检测施加于倒U型架11上端的力。在倒U型架11上还设有用于检测倒U型架11向下移动的位移的位移传感器Ⅱ9，以及用于检测轮试件12角位移的精密光电编码器16。
实验时，轮试件以正压力N压紧在板试件上，这一过程中，位移传感器Ⅱ记录轮试件的径向变形量Δ；
步进电机Ⅰ按设定速率驱动压力传感器Ⅰ以速度v推动板试件运动；压力传感器Ⅰ记录轮试件的滚动摩擦阻力和三个轴承旋转阻力的合力F 1；位移传感器Ⅰ和精密光电编码器分别记录板试件的直线位移L 1及轮试件的角位移φ 1；
取下轮试件重复以上实验过程，记录压力传感器Ⅰ、位移传感器Ⅰ和精密光电编码器所测各参量：F 2、L 2、φ 2。
F 1与F 2，相比较可得轮试件的滚动阻力F=F 1-F 2，进而得到滚动摩擦系数：k=F*R/N ，式中：F为滚动摩擦阻力，R为试件半径，N为接触压力。
综合比较分析v、L 1、φ 1、Δ、L 2、φ 2，可以考察轮试件滚动过程中的弹性滞后变形量（轴承装配时均采用预紧技术，以消除径向游隙），弹性滞后变形量可以用一个简化的公式来表示：ε =(φ 1 -φ 2)/L 1 。
本发明通过这种三轮支撑法的装置，可以方便的考察实验材料的黏弹性质、运动速度、载荷、滚动体半径、润滑介质对滚动摩擦阻力矩和弹性滞后变形量的影响规律。

Claims (1)

1.一种滚动摩擦力和滚动摩擦系数测定装置，
其特征在于：
包括前后相对布置的两对支座（6），每对支座（6）上固定有一根轴（7），两根所述轴（7）相互平行，在每根轴（7）上安装有一个轴承（5），两所述轴承（5）前后相对；
在两所述轴承（5）上放置有一个板试件（17）；在所述板试件（17）的端部设有压力传感器Ⅰ（3）和位移传感器Ⅰ（8）；
在所述板试件（17）上方设有一个可上下移动的倒U型架（11）；在所述倒U型架（11）开口内固定有轴，在轴上通过一个轴承（5）安装轮试件（12）；在所述倒U型架（11）上端设有位移传感器Ⅱ（9）和压力传感器Ⅱ（10）；在倒U型架（11）上还设有用于检测轮试件（12）角位移的精密光电编码器（16）；
所述板试件（17）前方设有一个螺母丝杠推进机构Ⅰ，螺母丝杠推进机构Ⅰ包括丝杠Ⅰ（2）、与丝杠Ⅰ（2）连接的步进电机Ⅰ（1）和安装在丝杠Ⅰ（2）上的螺母Ⅰ（4）；所述螺母Ⅰ（4）靠近板试件（17）一侧固定有所述的压力传感器Ⅰ（3）；
所述倒U型架（11）上方设有一个螺母丝杠推进机构Ⅱ，螺母丝杠推进机构Ⅱ包括丝杠Ⅱ（14）、与丝杠Ⅱ（14）连接的步进电机Ⅱ（13）和安装在丝杠Ⅱ（14）上的螺母Ⅱ（15）；所述螺母Ⅱ（15）靠近倒U型架（11）一侧固定有所述的压力传感器Ⅱ（10）。
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