CN108827510A - 测量转动副摩擦力矩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种测量转动副摩擦力矩的方法，包括：使转动副内圈固定、外圈能自由摆动，通过测量外圈摆动时的能量损失来计算出摩擦力矩；本发明的有益技术效果是：提出了一种测量转动副摩擦力矩的方法，该技术基于能量守恒原理，测量精度较高，误差较小，装置的结构简单，操作方便，特别适合现场检测。

Description

测量转动副摩擦力矩的方法

技术领域

本发明涉及一种转动副摩擦力矩测量技术，尤其涉及一种测量转动副摩擦力矩的方法。

背景技术

机械转动中，摩擦力矩是影响零部件寿命及设备可靠性和精确性的重要因素，摩擦力矩会导致转动副磨损和温度上升，降低寿命和工作质量，情况严重时还会导致转动零件表面烧伤，使零件损坏，并影响安全，另外，对于精密仪器而言，摩擦力矩会对装置的精确性造成影响，如航空陀螺仪中的滚动轴承，摩擦力矩会对航向指示的准确度造成影响。

现有技术中，用于检测转动副摩擦力矩的手段绝大部分都是基于“平衡法”，其基本原理是，在从动件上沿转动切线方向安装测力传感器，测力传感器能阻止从动件转动，然后驱动主动件转动，由从动件和主动件间的摩擦力矩所产生的应力就会作用在从动件上，从动件由于受到测力传感器的阻挡，从动件会保持静止，测力传感器就能测量出从动件上的切向应力P，最后通过计算得到摩擦力矩；现有的基于平衡法的摩擦力矩测量仪器，精度都不是很高，尤其对于较小的摩檫力矩，测量的准确性和稳定性十分低。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种测量转动副摩擦力矩的方法，所述转动副包括外圈和内圈，所述内圈套接在外圈中，外圈和内圈能相对转动；所采用的测量装置包括支架、支撑套、内挡板、外挡板、卡盘、摆杆、摆锤、挡板螺钉、多个抵紧螺钉和角度传感器；所述支架位置固定，支架的侧面形成安装面，所述安装面上设置有一支撑柱，支撑柱的轴向与水平方向平行；所述支撑套套接在支撑柱上，支撑套的外径与所述内圈的内径匹配，支撑套的外端面上设置有螺纹孔；所述内挡板为环形结构体，内挡板的内径与支撑套的外径匹配，内挡板的外径小于内圈的外径，内挡板套接在支撑套上，内挡板的内端面与安装面接触；所述转动副通过内圈套接在支撑柱上，内圈的内端面与内挡板的外端面接触，内圈的外端面位于支撑柱外端面的外侧；所述外挡板的直径大于内圈的内径、小于内圈的外径，外挡板中部设置有连接孔，挡板螺钉穿过连接孔后与所述螺纹孔螺纹连接，外挡板的内端面与内圈的外端面接触，挡板螺钉将外挡板抵紧在内圈的外端面上；所述卡盘为环形结构体，卡盘内径大于外圈外径，卡盘上设置有多个径向螺纹孔，多个抵紧螺钉一一对应地设置在多个径向螺纹孔中，卡盘设置在转动副的外围，抵紧螺钉的内端与外圈的外周面接触，多个抵紧螺钉将外圈抵紧；所述摆杆的上端与卡盘连接，摆杆的下端与摆锤连接；所述角度传感器固定在卡盘上；

其创新在于：所述方法包括：

1)转动副安装好后，将摆锤举升至初始位置，然后让摆锤自然下落，摆锤自然下落后，再一次到达的上行最高点记为监测位置；前述过程中，通过角度传感器对外圈的转动角度进行监测，得到θ₁和θ₂；θ₁为初始位置处，摆长方向与竖直方向的夹角；θ₂为监测位置处，摆长方向与竖直方向的夹角；所述初始位置低于内圈的轴心高度；

2)根据下式子计算出转动副的摩擦力矩M：

其中，m为摆动部件的质量；g为重力加速度；L为摆长。

前述的测量装置中，支架、支撑套、内挡板、外挡板和挡板螺钉用于固定内圈，使内圈不会随外圈摆动；卡盘和抵紧螺钉用于将外圈、摆杆和摆锤固定在一起，使外圈、摆杆和摆锤能同步摆动；角度传感器用于检测摆长的摆动角度；

本发明的原理是：基于能量守恒原理可知，在无能量损失的情况下，摆长外端的摆动高度是不变的，但由于内圈和外圈之间存在摩擦力矩，内圈和外圈相对运动时，摩擦力矩就会做功，进而导致能量损失，使得摆长外端的摆动高度变低，由于重心位置和摆长长度均可提前测量，测试过程中，仅需通过角度传感器检测出摆长轴向与竖直方向的夹角变化，即可计算出摆动高度变化量，再加上装置质量、重力加速度已知，我们就能计算出摩擦力矩的大小，具体来说：

参见图1，图中标记C所示位置即为初始位置，标记D所示位置即为监测位置，标记O所示位置即为摆动轴心；测量时，先将摆锤举升至初始位置，此时，摆长与竖直方向的夹角即为θ₁；然后让摆锤自然下落，摆锤先向下摆动至最低点，经过最低点后，摆锤又开始上升并再一次达到上行最高点，此过程中，由于摩擦力矩造成的能量损失，摆锤无法上升到与初始位置相同的高度，仅能达到高度较低的监测位置处(图中的Δh即为能量损失造成的上摆高度损失)，此时，摆长与竖直方向的夹角即为θ₂；根据能量守恒原理，摩擦力矩做功应等于损失的能量，则有：

M(θ₁+θ₂)＝mgL(cosθ₁-cosθ₂)

将上式变形后，即得前述的摩擦力矩计算公式。前述装置结构简单，操作方便，数据处理也十分简便，特别适于在转动副生产过程中的实时检测；

对不同转动副进行检测时，由于转动副重量不同，会导致装置中摆动部分的重心位置发生变化，进而引起摆长变化，每次测量前都检测一次摆长显然不太科学，为了提高检测量的便利性，发明人还提出了如下的优选方案：所述摆杆为螺纹杆，摆锤与摆杆螺纹连接，摆杆中部设置有吊环，摆杆的轴向与外圈的径向重合。基于常识可知，常用的摆锤，其外形一般都不会是异形结构，这时，再使摆杆的轴向与外圈的径向重合，摆长方向就与摆杆的轴向同轴了，装置中摆动部分的重心必然在摆杆的轴向上，通过螺纹调节摆锤和摆杆的相对位置，就能对重心的位置进行调节，调节时，通过吊环将摆动部分吊起，调节摆锤和摆杆的相对位置，使重心位于吊环位置处(通过观察摆杆轴向是否与水平方向平行即可确定重心是否位于吊环位置处)，如此就能使摆长长度成为一个常量，每次对不同的转动副进行检测时，只需对重心位置稍作调整即可进行测量，大大提高检测的便利性。

参见图3，具体应用时，用绳索将吊环吊起，然后观察摆杆轴向是否与水平方向平行，如不平行，则调节摆锤的位置，直至摆杆轴向与水平方向平行，如此，就能使重心始终处于吊环位置处，摆长长度也不会发生变化。

实际应用时，若不便调节重心，还可通过如下方法直接求解摆长l：

由单摆系统的角动量定理可知，单摆运动模型的运动学方程可表达为下式：

采用分离变量法对上式进行求解，则可推导出任意角度下单摆的周期T的表达式：

于是摆长l可由下式计算得到：

其中：α是初始角度，g为重力加速度；

对于精密轴承而言，其摩擦力矩往往很小，刚摆动时，周期会保持一个相对比较正确的数值，因此摆长l也可通过理论计算确定。

其中单摆周期T我们可以通过角度传感器得出，角度传感器在传输数据中记录着左右最高点的角度，也记录了所用时间的多少。通过处理数据，我们可以分析出单摆周期T的值。

优选地，所述内挡板和外挡板均采用弹性材料制作。弹性材料制作的内挡板和外挡板，可以有效地将内圈夹稳。

本发明的有益技术效果是：提出了一种测量转动副摩擦力矩的方法，该技术基于能量守恒原理，测量精度较高，误差较小，装置的结构简单，操作方便，特别适合现场检测。

附图说明

图1、测量装置中转动部分的结构示意图；

图2、测量装置的剖面结构示意图；

图3、重心调节操作的原理示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：支架1、支撑柱1-1、支撑套2、内挡板3、外挡板4、卡盘5、摆杆6、摆锤7、挡板螺钉8、抵紧螺钉9、角度传感器10、吊环11、内圈A、外圈B。

具体实施方式

一种测量转动副摩擦力矩的方法，所述转动副包括外圈和内圈，所述内圈套接在外圈中，外圈和内圈能相对转动；所涉及的硬件包括支架1、支撑套2、内挡板3、外挡板4、卡盘5、摆杆6、摆锤7、挡板螺钉8、多个抵紧螺钉9和角度传感器10；所述支架1位置固定，支架1的侧面形成安装面，所述安装面上设置有一支撑柱1-1，支撑柱1-1的轴向与水平方向平行；所述支撑套2套接在支撑柱1-1上，支撑套2的外径与所述内圈的内径匹配，支撑套2的外端面上设置有螺纹孔；所述内挡板3为环形结构体，内挡板3的内径与支撑套2的外径匹配，内挡板3的外径小于内圈的外径，内挡板3套接在支撑套2上，内挡板3的内端面与安装面接触；所述转动副通过内圈套接在支撑柱1-1上，内圈的内端面与内挡板3的外端面接触，内圈的外端面位于支撑柱1-1外端面的外侧；所述外挡板4的直径大于内圈的内径、小于内圈的外径，外挡板4中部设置有连接孔，挡板螺钉8穿过连接孔后与所述螺纹孔螺纹连接，外挡板4的内端面与内圈的外端面接触，挡板螺钉8将外挡板4抵紧在内圈的外端面上；所述卡盘5为环形结构体，卡盘5内径大于外圈外径，卡盘5上设置有多个径向螺纹孔，多个抵紧螺钉9一一对应地设置在多个径向螺纹孔中，卡盘5设置在转动副的外围，抵紧螺钉9的内端与外圈的外周面接触，多个抵紧螺钉9将外圈抵紧；所述摆杆6的上端与卡盘5连接，摆杆6的下端与摆锤7连接；所述角度传感器10固定在卡盘5上；

其创新在于：所述方法包括：

1)转动副安装好后，将摆锤7举升至初始位置，然后让摆锤7自然下落，摆锤7自然下落后，再一次到达的上行最高点记为监测位置；前述过程中，通过角度传感器10对外圈的转动角度进行监测，得到θ₁和θ₂；θ₁为初始位置处，摆长方向与竖直方向的夹角；θ₂为监测位置处，摆长方向与竖直方向的夹角；所述初始位置低于内圈的轴心高度；

2)根据下式子计算出转动副的摩擦力矩M：

其中，m为摆动部件的质量；g为重力加速度；L为摆长。

Claims (1)

1.一种测量转动副摩擦力矩的方法，所述转动副包括外圈和内圈，所述内圈套接在外圈中，外圈和内圈能相对转动；所采用的测量装置包括支架(1)、支撑套(2)、内挡板(3)、外挡板(4)、卡盘(5)、摆杆(6)、摆锤(7)、挡板螺钉(8)、多个抵紧螺钉(9)和角度传感器(10)；所述支架(1)位置固定，支架(1)的侧面形成安装面，所述安装面上设置有一支撑柱(1-1)，支撑柱(1-1)的轴向与水平方向平行；所述支撑套(2)套接在支撑柱(1-1)上，支撑套(2)的外径与所述内圈的内径匹配，支撑套(2)的外端面上设置有螺纹孔；所述内挡板(3)为环形结构体，内挡板(3)的内径与支撑套(2)的外径匹配，内挡板(3)的外径小于内圈的外径，内挡板(3)套接在支撑套(2)上，内挡板(3)的内端面与安装面接触；所述转动副通过内圈套接在支撑柱(1-1)上，内圈的内端面与内挡板(3)的外端面接触，内圈的外端面位于支撑柱(1-1)外端面的外侧；所述外挡板(4)的直径大于内圈的内径、小于内圈的外径，外挡板(4)中部设置有连接孔，挡板螺钉(8)穿过连接孔后与所述螺纹孔螺纹连接，外挡板(4)的内端面与内圈的外端面接触，挡板螺钉(8)将外挡板(4)抵紧在内圈的外端面上；所述卡盘(5)为环形结构体，卡盘(5)内径大于外圈外径，卡盘(5)上设置有多个径向螺纹孔，多个抵紧螺钉(9)一一对应地设置在多个径向螺纹孔中，卡盘(5)设置在转动副的外围，抵紧螺钉(9)的内端与外圈的外周面接触，多个抵紧螺钉(9)将外圈抵紧；所述摆杆(6)的上端与卡盘(5)连接，摆杆(6)的下端与摆锤(7)连接；所述角度传感器(10)固定在卡盘(5)上；

其特征在于：所述方法包括：

1)转动副安装好后，将摆锤(7)举升至初始位置，然后让摆锤(7)自然下落，摆锤(7)自然下落后，再一次到达的上行最高点记为监测位置；前述过程中，通过角度传感器(10)对外圈的转动角度进行监测，得到θ₁和θ₂；θ₁为初始位置处，摆长方向与竖直方向的夹角；θ₂为监测位置处，摆长方向与竖直方向的夹角；所述初始位置低于内圈的轴心高度；

2)根据下式子计算出转动副的摩擦力矩M：

其中，m为摆动部件的质量；g为重力加速度；L为摆长。