CN109668663B - 微型轴承摩擦力矩测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

微型轴承摩擦力矩测试装置，包括安装机构、加载机构和检测机构；安装机构包括主轴，试验轴承安装在主轴的上端，试验轴承的外圈固定套设有轴承套，轴承套固定连接有水平延伸的传递杆，传递杆远离轴承套的一端固定连接有细铁针，轴承套的上端固定连接有加载端盖，加载端盖的上表面固定设置有镜面玻璃；加载机构包括用于向加载端盖施加载荷的加载芯轴，加载芯轴上可拆卸地套设若干个加载砝码，加载芯轴的下端开设有锥形盲孔，加载芯轴与镜面玻璃之间设置有高精度钢球，并且高精度钢球的上半部分活动设置在锥形盲孔内；检测机构包括力传感器和永磁体，力传感器的探针位于永磁体和细铁针之间。本发明能够精确地实现对微型轴承摩擦力矩的测试。

Description

微型轴承摩擦力矩测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及微型轴承试验技术领域，具体的说是微型轴承摩擦力矩测试装置及测试方法。

背景技术

近年来，在各种精密机械尤其在仪器仪表、卫星、火箭等航空航天方面以及地面实验室设备制导系统中使用的精密微型轴承，均需要具有良好的摩擦性能，才能实现可靠的监控跟踪，从而保证主机的精度，使得仪表仪器可靠、高效的工作。随着我国机械行业的不断发展，各种机械特别是精密旋转机械逐渐向高转速、大承载、稳定性好、寿命长等方向发展，因此微型轴承也朝着高速、大载荷方向发展，并具有良好的稳定性和长寿命。而评价微型轴承性能好坏的关键就是其自身的摩擦性能，换言之，高灵敏微型轴承摩擦力矩的好坏在很大程度上代表了其自身性能的好坏和质量的高低。但是对于高灵敏微型轴承，由于应用场合环境复杂，且宜受其它因素干扰，给微型轴承摩擦力矩的实际研究和测试带来很大难度。

由于高灵敏微型轴承摩擦力矩很小，传统的摩擦力矩测量方法在测量范围和测量精度上很难满足高灵敏微型轴承摩擦力矩的测量需要，现有技术中对高精度微型轴承摩擦力矩测试研究的相关研究也很少。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的第一个目的是提供一种微型轴承摩擦力矩测试装置，能够精确地实现对微型轴承摩擦力矩的测试。

为了实现上述第一个目的，本发明采用的具体方案为：微型轴承摩擦力矩测试装置，包括用于安装试验轴承的安装机构、用于向试验轴承施加轴向载荷的加载机构和用于检测试验轴承摩擦力矩的检测机构；所述安装机构包括垂直设置的主轴，主轴的下端固定连接有用于驱动主轴转动的电机，试验轴承过盈安装在主轴的上端，试验轴承的外圈固定套设有轴承套，轴承套的外侧壁上固定连有水平延伸的传递杆，传递杆远离轴承套的一端固定连接有细铁针，轴承套的上端固定连接有加载端盖，加载端盖的上表面固定设置有镜面玻璃；

所述加载机构包括用于向所述加载端盖施加载荷的加载芯轴，加载芯轴垂直设置，加载芯轴上可拆卸地套设若干个加载砝码，加载芯轴的下端开设有锥形盲孔，加载芯轴与所述镜面玻璃之间设置有高精度钢球，并且高精度钢球的上半部分活动设置在锥形盲孔内；所述检测机构包括力传感器和永磁体，力传感器的探针位于永磁体和所述细铁针之间。

作为一种优选方案，所述轴承套的中心处开设有阶梯孔，阶梯孔包括相互连通的上段和下段，上段贯通轴承套的上表面，所述加载端盖包括一体连接的盖体和连接部，连接部与上段螺纹连接，下段贯通轴承套的下表面，所述试验轴承的外圈与下段过盈配合。

作为一种优选方案，所述加载芯轴包括上下设置并且同轴固连的小半径段和大半径段，所述加载砝码套设在小半径段上并且放置在大半径段上，所述高精度钢球的球心位于加载芯轴的轴线上。

基于上述测试装置，本发明的第二个目的是提供一种微型轴承摩擦力矩测试装置的测试方法，通过施加使动力矩来消除无法测量的各参数对测试结果带来的不利影响，提高测量结果的准确度。

为了实现上述第二个目的，本发明所采用的方案为：微型轴承摩擦力矩测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S1、安装试验轴承；

S2、调整永磁体，利用永磁体吸引细铁针贴附在探针上，记录此时力传感器的检测结果为M初=M0-Mp-Ff×l，其中M0为永磁体吸引细铁针的使动力矩，Mp为阻滞摩擦力矩，Ff为所述传递杆和力传感器接触产生的反弹力，l为传递杆的长度；

S3、调整加载砝码的数量，使加载砝码依次通过加载芯轴、高精度钢球、镜面玻璃、加载端盖和轴承套向试验轴承的外圈施加轴向载荷，并且利用电机驱动主轴转动，进而由主轴带动试验轴承的内圈转动；

S4、记录力传感器的检测结果为M测；

S5、计算 M真=M测-M初，M真为试验轴承产生的真实摩擦力矩。

有益效果：

1、本发明的测试装置能够精确地对微型轴承的摩擦力矩进行测试，而且安装、拆卸方便，结构简单，易于实现；

2、本发明的测试装置在加载芯轴下端面加工有与芯轴同轴的锥形盲孔，能方便、快速的将高精度钢球调整到中心位置并定位好，定心快速、方便；

3、本发明的测试装置通过钢球以点接触的方式将轴向载荷加载到镜面玻璃上，既降低了接触面的摩擦系数，又减小了加载部分与试验部分零部件间的接触面积，从而减小加载部分对试验数据的影响，使测试结果更加真实可信；

4、本发明的测试装置部分零部件安装更换方便、快速，轴向载荷的调节通过增减加载砝码的数量或者改变加载砝码的质量即可，加载机构与安装机构的零部件由于频繁的接触和施加变载荷，接触处会发生磨损，本发明结构中，只需将高精度钢球更换即可，不会影响到试验轴承的测试；

5、本发明的测试方法通过向传递杆施力而产生使动力矩，使动力矩一方面作用于试验轴承，从而抵消阻止摩擦力矩，另一方面，使动力矩还用于抵消传递杆的反弹力，还能够从而抵消跳动误差，还能够将未知量转化成为能够测得的初始力矩，从而保证测试结果的准确度，解决了小载荷范围内测试不出，大载荷范围内测试不准的缺陷，同时也扩大了可测试范围。

附图说明

图1是本发明测试装置的整体结构示意图；

图2是本发明测试装置的传递杆与细铁针的设置方式示意图；

图3是本发明测试装置的轴承套结构示意图。

附图标记：1-机架，2-电机，3-联轴器，4-力传感器，5-传递杆，6-细铁针，7-永磁体，8-探针，9-轴承套，10-加载端盖，11-镜面玻璃，12-加载芯轴，13-加载砝码，14-高精度钢球，15-试验轴承，16-主轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至3，图1是本发明测试装置的整体结构示意图，图2是本发明测试装置的传递杆与细铁针的设置方式示意图，图3是本发明测试装置的轴承套结构示意图。

一种微型轴承摩擦力矩测试装置，包括用于安装试验轴承15的安装机构、用于向试验轴承15施加轴向载荷的加载机构和用于检测试验轴承15摩擦力矩的检测机构。

安装机构包括垂直设置的主轴16，主轴16的下端固定连接有用于驱动主轴16转动的电机2，试验轴承15过盈安装在主轴16的上端，试验轴承15的外圈固定套设有轴承套9，轴承套9的外侧壁上固定连接有水平延伸的传递杆 5，传递杆5远离轴承套9的一端固定连接有细铁针6，轴承套9 的上端固定连接有加载端盖10，加载端盖10 的上表面固定设置有镜面玻璃11。

加载机构包括用于向加载端盖10 施加载荷的加载芯轴12，加载芯轴12 垂直设置， 加载芯轴12上可拆卸地套设若干个加载砝码13，加载芯轴12 的下端开设有锥形盲孔，加载芯轴12与镜面玻璃11之间设置有高精度钢球14，并且高精度钢球14 的上半部分活动设置在锥形盲孔内。

检测机构包括力传感器4 和永磁体7，力传感器4 的探针8 位于永磁体 7 和细铁针6之间。

在进行测试时，首先将试验轴承15安装在安装机构上，然后通过永磁体 7 吸引细铁针6向永磁体7 的方向移动，进而由细铁针6 带动传递杆5 向永磁体 7 的方向转动，因为永磁体7 和细铁针6分别位于探针8 的两侧，所以传递杆5 在移动过程中会与探针8 接触，此时力传感器4即可检测到初始力矩 M 初。因为微型轴承的体积小，相应的摩擦力矩也比较小，所以初始力矩M初也不能过大，否则会导致影响检测结果的精确度。因此，本发明采用磁力作为初始力矩 M 初的来源，同时将细铁针6和传递杆5的尺寸减小，可以保证初始力矩M 初的量级接近或者小于摩擦力矩，进而保证检测结果足够精确。此时，传递杆 5 和轴承套9之间以及细铁针6 和传递杆5之间均通过焊锡焊接固定。

之后可以通过加载芯轴12和加载砝码13的配合向加载端盖10 施加载荷，进而依次通过加载芯轴12、高精度钢球14、镜面玻璃11、加载端盖10 和轴承套9向试验轴承12的外圈施加轴向载荷。因为微型轴承能够承受的轴向载荷量也比较小，所以本发明采用加载芯轴12和加载砝码13的重力作为轴向载荷的动力来源，加载砝码13可以根据试验轴承15的具体类型和型号进行定制加工，以提高载荷量控制的精度，从而满足测试过程中对轴向载荷的需要。在本发明其它的实施方式中，在满足载荷量控制精度的情况下，加载芯轴12和加载砝码13 也可以替换为其它的直线输出装置。

最后通过电机2、联轴器3和主轴16驱动试验轴承15运转，通过力传感器4得到M测，即可求得M真。

加载机构通过高精度钢球14来传递载荷，因为高精度钢球14与镜面玻璃11之间是点接触的滚动摩擦，并且高精度钢球14 和镜面玻璃11 都非常光滑，所以高精度钢球14 和镜面玻璃11之间的摩擦力非常小，能够避免因为摩擦力对测试结果产生影响，提高了测试结果的精确度。在本实施例中，高精度钢球 14 的精度达到G10 即可。而且，在测试过程中加载机构与安装机构的零部件由于频繁的接触和施加变载荷，接触处会发生磨损，本发明只需对高精度钢球14 进行更换即可继续进行试验轴承15 的测试，方便快捷。加载芯轴12与高精度钢球14 之间的配合方式为：加载芯轴12 的下端开设有锥形盲孔，锥形盲孔和加载芯轴12 同轴，高精度钢球14 的上半部分活动设置在锥形盲孔内，该配合方式能方便、快速的将高精度钢球14 调整到中心位置并定位好，定心快速、方便。

考虑到加载芯轴12 的质量是固定的，因此对轴向载荷量的调节主要是通过增减加载砝码13 的数量或者改变加载砝码13的大小实现，因此将加载芯轴 12 设置为包括上下设置并且同轴固连的小半径段和大半径段，加载砝码13套设在小半径段上并且放置在大半径段上，并且高精度钢球14的球心位于加载芯轴 12 的轴线上。需要改变加载砝码 13的数量或者更换其他的加载砝码13 时，只需要将加载砝码13沿小半径段的轴向取下或者套上即可，方便快捷。

轴承套 9 作为传递轴向载荷和摩擦力矩的重要部件，应该充分避免因为安装误差对测试结果产生影响。因此在轴承套9的中心处开设有阶梯孔，阶梯孔包括相互连通的上段和下段，上段贯通轴承套9的上表面，加载端盖 10 包括一体连接的盖体和连接部，连接部与上段螺纹连接，下段贯通轴承套 9 的下表面，试验轴承 15 的外圈与下段过盈配合。在上段和下段之间还开设有中段，上段和下段通过中段相连通，并且上段的直径最大，下段的直径次之，中段的直径最小。借助于阶梯孔，加载端盖10与轴承套9之间的安装精度可以通过上段的长度和螺纹密度进行控制，试验轴承15与轴承套9之间的安装精度可以通过下段的长度进行控制，安装时使试验轴承15与下段和中段的过渡面相贴合。

因为微型轴承的测试属于高精度测试，因此测试装置的任何晃动都有可能对测试结果的精确度产生不利印象，因此测试装置还包括垂直设置的机架1，电机2和力传感器4均固定设置在机架1上，通过机架1实现测试装置的稳定性。

微型轴承摩擦力矩测试方法，包括S1至S5。

S1、安装试验轴承 15。

S2、调整永磁体7，利用永磁体7吸引细铁针6 贴附在探针8上，记录此时力传感器4的检测结果为M初=M0-Mp-Ff×l，其中M0为永磁体7吸引细铁针6的使动力矩，Mp为阻滞摩擦力矩，Ff为传递杆5和力传感器4接触产生的反弹力，l 为传递杆5的长度。

S3、调整加载砝码13的数量，使加载砝码13依次通过加载芯轴12、高精度钢球14、镜面玻璃11、加载端盖10和轴承套9向试验轴承12的外圈施加轴向载荷，并且利用电机2驱动主轴16转动，进而由主轴16带动试验轴承 15 的内圈转动。

S4、记录力传感器4的检测结果为M测。

S5、计算M真=M测-M初，M真为试验轴承15 产生的真实摩擦力矩。

在试验轴承15安装好之后，因为轴向载荷的偏载等问题，会对试验轴承 15 产生一个阻滞摩擦力矩Mp，从而阻碍试验轴承15运行。此外，因为传递杆5需要与力传感器4进行接触才能使力传感器 4 检测到试验轴承15的摩擦力矩，而接触过程中因为碰撞会导致传递杆5反弹，造成检测结果与真实情况产生较大的跳动误差。此时，摩擦力矩的测试结果为：

M测=M 真-Mp-Ff×l

M真=M 测+Mp+Ff×l；

可以知道，此时可测得的数据只有M测，而在M测中，Mp和 Ff 都是未知的，进而导致M真中也包括了未知量Mp和 Ff×l，最终导致M真的数据不够精确，只是近似数据。

本发明的测试方法通过向传递杆5施力而产生使动力矩M0，使动力矩 M0一方面作用于试验轴承15，从而抵消阻止摩擦力矩Mp，另一方面，使动力矩 M0还用于抵消传递杆5的反弹力，还能够从而抵消跳动误差。还能够将未知量Mp和Ff 转化成为能够测得的初始力矩M初，从而保证测试结果的准确度，解决了现有技术小载荷范围内测试不出、大载荷范围内测试不准的缺陷，同时也扩大了可测试范围。

进一步地，制造上述的测试装置的方法，包括部件加工阶段和部件装配阶段。

部件加工阶段包括：按照测试装置的尺寸加工机架1；通过车削和磨削方式加工主轴16；通过铣削方式加工轴承套9；通过车削和铣削方式加工传递杆 5，传递杆5 应当保证足够的强度，保证能够承受摩擦力矩；通过车削方式加工加载端盖10；通过车削和铣削方式加工加载芯轴12和锥形盲孔，然后利用砂纸对锥形盲孔和加载芯轴12的下端面进行去毛刺处理，最后对加载芯轴12进行淬火处理；通过铣削方式加工加载砝码13；通过车削和热处理方式加工细铁针6；通过挤压方式加工高精度钢球14，并且进行打磨抛光以达到精度要求。

部件装配阶段包括步骤T1至T9。

T1、固定电机2和力传感器4，其中电机2 通过螺丝和法兰盘固定在机架 1 上，并且使电机2 的输出轴垂直向上。

T2、将主轴16 垂直设置，并且主轴16的下端通过联轴器3与电机2 的输出轴同轴固连。

T3、将试验轴承15以过盈配合的方式安装在主轴16的上端。

T4、将轴承套9以过盈配合的方式安装在试验轴承 15 的外圈上，试验轴承 5 位于阶梯孔的下段中。

T5、将加载端盖10固定在轴承套9的上端，加载端盖10的连接部与阶梯孔的上段螺纹连接，并且将镜面玻璃11固定在加载端盖10上。

T6、将加载砝码13装配到加载芯轴12上，并且将加载芯轴12加载到加载端盖10上，具体的加载方式是将高精度钢球14 放在镜面玻璃11上，然后将高精度钢球14 的上半部分送入到锥形盲孔中。

T7、利用焊锡将传递杆5焊接固定在轴承套9 的外侧壁上。

T8、将细铁针6焊接固定在传递杆5远离轴承套9的一端上。

T9、通过永磁体7对细铁针6 产生吸引力，进而通过细铁针6带动传递杆 5 向探针8 移动，由传递杆5向试验轴承15提供使动力矩。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.微型轴承摩擦力矩测试装置，包括用于安装试验轴承（15）的安装机构、用于向试验轴承（15）施加轴向载荷的加载机构和用于检测试验轴承（15）摩擦力矩的检测机构；其特征在于：

所述安装机构包括垂直设置的主轴（16），主轴（16）的下端固定连接有用于驱动主轴（16）转动的电机（2），试验轴承（15）过盈安装在主轴（16）的上端，试验轴承（15）的外圈固定套设有轴承套（9），轴承套（9）的外侧壁上固定连接有水平延伸的传递杆（5），传递杆（5）远离轴承套（9）的一端固定连接有细铁针（6），轴承套（9）的上端固定连接有加载端盖（10），加载端盖（10）的上表面固定设置有镜面玻璃（11）；

所述加载机构包括用于向所述加载端盖（10）施加载荷的加载芯轴（12），加载芯轴（12）垂直设置，加载芯轴（12）上可拆卸地套设若干个加载砝码（13），加载芯轴（12）的下端开设有锥形盲孔，加载芯轴（12）与所述镜面玻璃（11）之间设置有高精度钢球（14），并且高精度钢球（14）的上半部分活动设置在锥形盲孔内；

所述检测机构包括力传感器（4）和永磁体（7），力传感器（4）的探针（8）位于永磁体（7）和所述细铁针（6）之间；

所述微型轴承摩擦力矩测试装置的测试方法包括如下步骤：

S1、安装试验轴承（15）；

S2、调整永磁体（7），利用永磁体（7）吸引细铁针（6）贴附在探针（8）上，记录此时力传感器（4）的检测结果为M _初=M ₀-M _p -F _f ×l，其中M ₀为永磁体（7）吸引细铁针（6）的使动力矩，M _p为阻滞摩擦力矩，F _f 为所述传递杆（5）和力传感器（4）接触产生的反弹力，l为传递杆（5）的长度；

S3、调整加载砝码（13）的数量，使加载砝码（13）依次通过加载芯轴（12）、高精度钢球（14）、镜面玻璃（11）、加载端盖（10）和轴承套（9）向试验轴承（15）的外圈施加轴向载荷，并且利用电机（2）驱动主轴（16）转动，进而由主轴（16）带动试验轴承（15）的内圈转动；

S4、记录力传感器（4）的检测结果为M _测；

S5、计算M _真=M _测-M _初，M _真为试验轴承（15）产生的真实摩擦力矩。

2.如权利要求1所述的微型轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述轴承套（9）的中心处开设有阶梯孔，阶梯孔包括相互连通的上段和下段，上段贯通轴承套（9）的上表面，所述加载端盖（10）包括一体连接的盖体和连接部，连接部与上段螺纹连接，下段贯通轴承套（9）的下表面，所述试验轴承（15）的外圈与下段过盈配合。

3.如权利要求1所述的微型轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述加载芯轴（12）包括上下设置并且同轴固连的小半径段和大半径段，所述加载砝码（13）套设在小半径段上并且放置在大半径段上，所述高精度钢球（14）的球心位于加载芯轴（12）的轴线上。

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