CN108663210B - 一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置 - Google Patents

一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明应用于轴承测量领域的轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法和装置，具体涉及一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置；本发明一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置包括框架、驱动组件、轴承组件、测量组件及摆动组件，所述驱动组件与轴承组件自上而下依次设置在框架顶部，所述摆动组件设置在框架内，所述测量组件设置在框架上；本发明可以高效的测出轴承摩擦力矩及摩擦系数，测量精度较高、测量时间短且操作简便，可以有效的评判轴承摩擦力矩的大小。

Description

一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种应用于轴承测量领域的轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法和装置，具体涉及一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置。
背景技术
对于轴承来讲，精确的测量轴承的摩擦力矩和摩擦系数是衡量评定轴承动态性能的一项重要指标，随着近些年来对航空航天轴承性能要求的不断提高，通过摩擦力矩及摩擦系数的检测来科学的判定轴承摩擦阻力大小，是轴承行业的重点，通过实现给轴承施加径向或轴向载荷的方式，测量轴承摩擦力矩及摩擦系数，不受其他外力干扰的测量方法和测量装置应用于轴承领域属于首次新方式，而现有的轴承摩擦力矩及摩擦系数测量方法及测量仪器多为轴向加载且多有外力介入，测量时容易出现误差，测量精度低。
发明内容
本发明旨在针对现有的轴承摩擦力矩及摩擦系数检测上所存在的不足，提供一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置，在不受其他外力干扰的情况下，精确测量识别轴承摩擦力矩及摩擦系数参数。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现，一种轴承摩擦力矩及摩擦系数测量方法，所述方法包含以下步骤：
(1)将待检测轴承通过轴承轴穿入轴承孔后置于第一轴承轴支撑架和第二轴承轴支撑架上，然后进行摆动。
(2)停摆后通过上位机获取初始角度按钮获取停摆时的角度值。
(3)驱动摆锤以一定角度自然释放，摆锤开始做往复运动，单片机读取并记录摆锤第一次摆动至左侧时摆角值θ0和摆动第n个周期后摆动至左侧时的摆角值θn。
M·∑θ＝m·g·l·(cosθn-cosθ0) (1)
其中，M为轴承摩擦力矩，∑θ为摆锤摆动的角度和,θ0为第一次摆至左侧时的摆角，θn为第n次摆至左侧时的摆角，m为径向加载的重量，l为轴承回转中心到整个单摆质心的距离，n为第n个周期，g为重力加速度。
摆锤做往复运动的过程中，摆锤的摆动是一种欠阻尼的自由振动，检测的摆锤的摆动角度为振动幅值。可知任意两个相邻的幅值的比值为减幅系数是一定值，在摆锤连续的n次摆动中相邻摆角有以下关系：
Figure GDA0002302286510000021
其比值为摆动的减幅系数q，在一个摆动周期后的摆角为初始摆角除以减幅系数，在阻尼振动中减幅系数为一指数量，其值如下：
q＝eδ (3)
式中：δ—对数减幅，
Figure GDA0002302286510000022
由式(2)和(3)可知摆角的初始值θ0和停止摆动角度θn之间有以下关系：
Figure GDA0002302286510000023
因此可以求出摆动过程中的减幅系数为：
Figure GDA0002302286510000024
由于过线轮摩擦力矩很小，两侧的摆动角度的差值十分微小，传感器无法分辨其差值，致使摆锤摆到另一侧位置时的角度无法测量，传感器检测的摆锤摆角始终为一侧的摆角，因此可取同侧两相邻幅值得均值作为另一侧的幅值，则在n个周期内，没有被传感器检测的一侧的摆角和为：
Figure GDA0002302286510000025
(4)上位机将第一次和第n次摆至左侧时的摆角θ0、θn与力矩公式(1)～(6)进行拟合获得力矩与摆角的关系：
Figure GDA0002302286510000026
其中，M为轴承摩擦力矩，m为径向加载的重量，l为轴承回转中心到整个单摆质心的距离，q为一定周期内单摆摆动到左侧最大角度等比数列的公比，n为第n个周期，g为重力加速度。
(5)上位机将所得到的Μ与μ进行拟合，并结合轴承的内圈半径r与施加的径向载荷获得摩擦系数与力矩的关系：
Figure GDA0002302286510000027
其中，r为轴承的内圈半径。
一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，所述装置包括框架、驱动组件、轴承组件、测量组件及摆动组件，所述驱动组件与轴承组件自上而下依次设置在框架顶部，所述摆动组件设置在框架内，所述测量组件设置在框架上；所述测量组件包括圆光栅编码器，所述圆光栅编码器与轴承相连，圆光栅编码器底部设置有支撑块，所述支撑块通过若干个T型螺母与基板固定相连，所述T型螺母上螺纹连接有第二螺钉。
优选地，所述驱动组件包括电机、电机轴、电机固定座及电机板支撑柱，所述电机座固定座通过电机座固定板与电机板支撑柱固定相连，所述电机设置在电机固定座上，且连接有电机轴，所述电机轴的一端穿过电机座固定板并通过第一连接件和第二连接件与轴承组件相连。
优选地，所述轴承组件包括轴承套件、轴承、第一轴套、轴承轴及基板，所述轴承、第一轴套及轴承套件由内而外依次套接相连，所述轴承轴穿过轴承设置，所述轴承轴、轴承、第一轴套及轴承套件的中心轴线均位于同一水平面，轴承轴与基板之间通过第一轴承轴支撑架和第二轴承轴支撑架支撑相连。
优选地，所述摆动组件包括第一U型块与第二U型块，所述第一U型块的两端分别通过第一螺钉与轴承套件螺纹相连，第一U型块远离轴承套件的一端通过连接轴连接有第二U型块，所述连接轴的两端与框架之间通过挡圈密封相连，连接轴上设置有导向轴承，所述导向轴承上套接有第二轴套，所述第二U型块通过摆杆连接有摆锤。
优选地，所述圆光栅编码器包括圆光栅码盘和圆光栅测头。
优选地，所述圆光栅测头输出端与圆光栅测头数据盒相连，圆光栅测头数据盒与单片机相连，所述单片机与上位机相连。
本发明相对于现有技术，取得了以下的技术效果：
本发明一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置，可以高效的测出轴承摩擦力矩及摩擦系数，测量精度较高、测量时间短且操作简便，可以有效的评判轴承摩擦力矩的大小。
附图说明
图1为本发明装置结构左视图。
图2为本发明装置结构后视图。
图3为本发明装置结构主视图。
图4为本发明方法流程框图。
附图标记：1-电机，2-电机轴，3-电机固定座，4-第一连接件，5-电机座固定板，6-第二连接件，7-轴承套件，8-轴承，9-第一轴套，10-轴承轴，11-第一轴承轴支撑架,12-第二轴承轴支撑架，13-电机板支撑柱，14-第一螺钉，15-第一U型块，16-基板，17-第二轴套，18-导向轴承，19-挡圈，20-连接轴，21-第二U型块，22-摆杆，23-框架，24-摆锤，25-圆光栅码盘，26-圆光栅测头，27-支撑块，28-T型螺母，29-第二螺钉，30-上位机；31-单片机；32-圆光栅测头数据盒。
具体实施方式
本发明提供一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法及装置，一种轴承摩擦力矩及摩擦系数测量方法，所述方法包含以下步骤：
1)将待检测轴承通过轴承轴穿入轴承孔后置于第一轴承轴支撑架和第二轴承轴支撑架上，然后进行摆动。
(2)停摆后通过上位机获取初始角度按钮获取停摆时的角度值。
(3)驱动摆锤以一定角度自然释放，摆锤开始做往复运动，单片机读取并记录摆锤第一次摆动至左侧时摆角值θ0和摆动第n个周期后摆动至左侧时的摆角值θn。
(4)上位机将第一次和第n次摆至左侧时的摆角θ0、θn与力矩公式进行拟合获得力矩与摆角的关系：
Figure GDA0002302286510000041
其中，M为轴承摩擦力矩，m为径向加载的重量，l为轴承回转中心到整个单摆质心的距离，q为一定周期内单摆摆动到左侧最大角度等比数列的公比，n为第n个周期，g为重力加速度。
(5)上位机将所得到的Μ与μ进行拟合，并结合轴承的内圈半径r与施加的径向载荷获得摩擦系数与力矩的关系：
Figure GDA0002302286510000042
其中，r为轴承的内圈半径。
一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，所述装置包括框架23、驱动组件、轴承组件、测量组件及摆动组件，其特征在于，所述驱动组件与轴承组件自上而下依次设置在框架23顶部，所述摆动组件设置在框架23内，所述测量组件设置在框架23上；所述测量组件包括圆光栅编码器，所述圆光栅编码器与轴承8相连，圆光栅编码器底部设置有支撑块27，所述支撑块27通过若干个T型螺母28与基板16固定相连，所述T型螺母28上螺纹连接有第二螺钉29。
所述驱动组件包括电机1、电机轴2、电机固定座3及电机板支撑柱13，所述电机座固定座3通过电机座固定板5与电机板支撑柱13固定相连，所述电机1设置在电机固定座3上，且连接有电机轴2，所述电机轴2的一端穿过电机座固定板5并通过第一连接件4和第二连接件6与轴承组件相连。
所述轴承组件包括轴承套件7、轴承8、第一轴套9、轴承轴10及基板16，所述轴承8、第一轴套9及轴承套件7由内而外依次套接相连，所述轴承轴10穿过轴承8设置，所述轴承轴10、轴承8、第一轴套9及轴承套件7的中心轴线均位于同一水平面，轴承轴10与基板16之间通过第一轴承轴支撑架11和第二轴承轴支撑架12支撑相连。
所述摆动组件包括第一U型块15与第二U型块21，所述第一U型块15的两端分别通过第一螺钉14与轴承套件7螺纹相连，第一U型块远离轴承套件的一端通过连接轴20连接有第二U型块21，所述连接轴20的两端与框架23之间通过挡圈19密封相连，连接轴20上设置有导向轴承18，所述导向轴承18上套接有第二轴套17，所述第二U型块21通过摆杆22连接有摆锤24。
所述圆光栅编码器包括圆光栅码盘25和圆光栅测头26。
所述圆光栅测头26输出端与圆光栅测头数据盒32相连，圆光栅测头数据盒32与单片机31相连，所述单片机31与上位机30相连。
将待测轴承通过轴承轴穿入轴承孔后置于第一轴承轴支撑架和第二轴承轴支撑架上，启动电机，电机通过轴承组件带动摆锤进行试摆动，转动无障碍无外力介入，说明轴承与本实施方式配合无阻滞，摆锤停摆后通过上位机获取摆锤停摆时初始的角度值，驱动摆锤以一定角度自然释放，摆锤开始做往复运动，单片机读取并记录摆锤第一次摆动至左侧时摆角值θ0和摆动第n个周期后摆动至左侧时的摆角值θn，上位机将第一次和第n次摆至左侧时的摆角θ0、θn，并代入到公式(1)中：
M·∑θ＝m·g·l·(cosθn-cosθ0) (1)
其中，M为轴承摩擦力矩，∑θ为摆锤摆动的角度和,θ0为第一次摆至左侧时的摆角，θn为第n次摆至左侧时的摆角，m为径向加载的重量，l为轴承回转中心到整个单摆质心的距离，n为第n个周期，g为重力加速度。
摆锤做往复运动的过程中，摆锤的摆动是一种欠阻尼的自由振动，检测的摆锤的摆动角度为振动幅值。可知任意两个相邻的幅值的比值为减幅系数是一定值，在摆锤连续的n次摆动中相邻摆角有以下关系：
Figure GDA0002302286510000061
其比值为摆动的减幅系数q，在一个摆动周期后的摆角为初始摆角除以减幅系数，在阻尼振动中减幅系数为一指数量，其值如下：
q＝eδ (3)
式中：δ—对数减幅，
Figure GDA0002302286510000062
由式(2)和(3)可知摆角的初始值θ0和停止摆动角度θn之间有以下关系：
Figure GDA0002302286510000063
因此根据公式(4)可以求出摆动过程中的减幅系数为：
Figure GDA0002302286510000064
由于过线轮摩擦力矩很小，两侧的摆动角度的差值十分微小，传感器无法分辨其差值，致使摆锤摆到另一侧位置时的角度无法测量，传感器检测的摆锤摆角始终为一侧的摆角，因此可取同侧两相邻幅值得均值作为另一侧的幅值，则在n个周期内，没有被传感器检测的一侧的摆角和为：
Figure GDA0002302286510000065
(4)上位机将第一次和第n次摆至左侧时的摆角θ0、θn与力矩公式(1)～(6)进行拟合获得力矩与摆角的关系：
Figure GDA0002302286510000066
其中，M为轴承摩擦力矩，m为径向加载的重量，l为轴承回转中心到整个单摆质心的距离，q为一定周期内单摆摆动到左侧最大角度等比数列的公比，n为第n个周期，g为重力加速度。
(5)上位机将公式(7)所得Μ与μ进行拟合，并结合轴承的内圈半径r与施加的径向载荷获得摩擦系数与力矩的关系：
Figure GDA0002302286510000071
其中，r为轴承的内圈半径。

Claims (7)

1.一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
(1)将待检测轴承通过轴承轴穿入轴承孔后置于第一轴承轴支撑架和第二轴承轴支撑架上，然后进行摆动；
(2)停摆后通过上位机获取初始角度按钮获取停摆时的角度值；
(3)驱动摆锤以一定角度自然释放，摆锤开始做往复运动，单片机读取并记录摆锤第一次摆动至左侧时摆角值θ0和摆动第n个周期后摆动至左侧时的摆角值θn；
(4)上位机将第一次和第n次摆至左侧时的摆角θ0、θn与力矩进行拟合获得力矩与摆角的关系：
Figure FDA0002416112820000011
其中，M为轴承摩擦力矩，m为径向加载的重量，l为轴承回转中心到整个单摆质心的距离，q为一定周期内单摆摆动到左侧最大角度等比数列的公比，n为第n个周期，g为重力加速度；
(5)上位机将所得到的M与μ进行拟合，并结合轴承的内圈半径r与施加的径向载荷获得摩擦系数与力矩的关系：
Figure FDA0002416112820000012
其中，r为轴承的内圈半径。
2.一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，适用于如权利要求1所述一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量方法，所述装置包括框架(23)、驱动组件、轴承组件、测量组件及摆动组件，其特征在于，所述驱动组件与轴承组件自上而下依次设置在框架(23)顶部，所述摆动组件设置在框架(23)内，所述测量组件设置在框架(23)上；
所述测量组件包括圆光栅编码器，所述圆光栅编码器与轴承(8)相连，圆光栅编码器底部设置有支撑块(27)，所述支撑块(27)通过若干个T型螺母(28)与基板(16)固定相连，所述T型螺母(28)上螺纹连接有第二螺钉(29)。
3.根据权利要求2所述一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述驱动组件包括电机(1)、电机轴(2)、电机固定座(3)及电机板支撑柱(13)，所述电机座固定座(3)通过电机座固定板(5)与电机板支撑柱(13)固定相连，所述电机(1)设置在电机固定座(3)上，且连接有电机轴(2)，所述电机轴(2)的一端穿过电机座固定板(5)并通过第一连接件(4)和第二连接件(6)与轴承组件相连。
4.根据权利要求3所述一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述轴承组件包括轴承套件(7)、轴承(8)、第一轴套(9)、轴承轴(10)及基板(16)，所述轴承(8)、第一轴套(9)及轴承套件(7)由内而外依次套接相连，所述轴承轴(10)穿过轴承(8)设置，所述轴承轴(10)、轴承(8)、第一轴套(9)及轴承套件(7)的中心轴线均位于同一水平面，轴承轴(10)与基板(16)之间通过第一轴承轴支撑架(11)和第二轴承轴支撑架(12)支撑相连。
5.根据权利要求4所述一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述摆动组件包括第一U型块(15)与第二U型块(21)，所述第一U型块(15)的两端分别通过第一螺钉(14)与轴承套件(7)螺纹相连，第一U型块远离轴承套件的一端通过连接轴(20)连接有第二U型块(21)，所述连接轴(20)的两端与框架(23)之间通过挡圈(19)密封相连，连接轴(20)上设置有导向轴承(18)，所述导向轴承(18)上套接有第二轴套(17)，所述第二U型块(21)通过摆杆(22)连接有摆锤(24)。
6.根据权利要求5所述一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述圆光栅编码器包括圆光栅码盘(25)和圆光栅测头(26)。
7.根据权利要求6所述一种轴承摩擦力矩及摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述圆光栅测头(26)输出端与圆光栅测头数据盒(32)相连，圆光栅测头数据盒(32)与单片机(31)相连，所述单片机(31)与上位机(30)相连。
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