CN109708888B - 一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置及加载测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置及加载测量方法，涉及轴承径向载荷、轴向载荷、力矩载荷以及联合载荷加载和摩擦力矩的测量。本发明装置由基座、驱动系统、径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统和摩擦力矩测量系统构成。针对现有角接触球轴承摩擦测量装置载荷加载过程中存在其他零部件对加载载荷产生干扰的问题，本发明采用六维力传感器和径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统以及力矩载荷加载系统构成的闭环反馈控制系统来消除干扰。本发明解决了角接触球轴承联合载荷连续高精度加载下的摩擦力矩测量问题，使得测量摩擦力矩更为准确。

Description

一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置及加载测量方法

技术领域

本发明涉及精密轴承摩擦力矩测量领域，尤其涉及到一种角接触球轴承摩擦力矩测量装置及加载测量方法，可实现径向载荷、轴向载荷、力矩载荷单一和联合载荷的高精度连续加载。

背景技术

轴承是当代机械设备中一种重要零部件，其精度和寿命对精密设备的性能起着重要作用，轴承所受摩擦力矩和轴承的寿命及精度又息息相关。角接触球轴承作为轴承重要的一种，实际工况受力复杂，多为联合载荷，即径向载荷、轴向载荷、力矩载荷中的两者或三者联合作用。因此，模拟轴承实际工况受载下轴承摩擦力矩特性研究具有重要意义。

目前角接触球轴承摩擦力矩测量装中并没有实现径向载荷、轴向载荷、力矩载荷联合载荷高精度连续加载下的摩擦力矩测量，而且没有考虑轴和其他零部件的重力载荷对被测轴承所受载荷的影响。

发明内容

为了实现低速角接触球轴承实际工况所受载荷加载下摩擦力矩的测量，本发明的目的在于提供了一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置及加载测量方法，可实现低速角接触球轴承径向载荷、轴向载荷、力矩载荷的单一载荷和联合载荷高精度连续加载下摩擦力矩测量。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：包括基座、驱动系统、径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统和摩擦力矩测量系统；

其中，所述径向载荷加载系统的第一电动缸安装板与所述基座的第二滑动轴承支座相连接；所述径向载荷加载系统的第一轴承和第二轴承与所述驱动系统的输出轴相配合；

所述轴向载荷加载系统的轴向加载传递件与所述力矩加载系统的第五轴承端盖配合，所述轴向载荷加载系统的第二电动缸与所述基座的第二电动缸安装板相连接；

所述力矩载荷加载系统的第三电动缸安装板和滑动轴承连接板分别与所述基座的第一滑动轴承支座和第三滑动轴承支座相连接；所述力矩载荷加载系统的第三轴承支座与所述驱动系统的电机支架连接板连接；所述力矩载荷加载系统的第五轴承与所述驱动系统的输出轴相配合，并通过所述驱动系统的电机支架与所述驱动系统相连接；

所述摩擦力矩测量系统的六维力传感器与基座的六维力传感器支架连接；所述力矩测量系统的测试轴承与所述驱动系统的输出轴相配合。

上述技术方案中，所述基座还包括直线导轨支座、直角筋板、安装板、支座；所述直线导轨支座与所述安装板、连接，所述支座通过所述直角筋板与安装板连接，所述第二电动缸安装板固定于支座上，所述六维力传感器支架通过螺栓固定于所述安装板上。

上述技术方案中，所述驱动系统还包括驱动电机、减速器、联轴器、电机支架；所述驱动电机固定于所述电机支架上，所述驱动电机连接所述减速器获得转速，所述减速器通过所述联轴器使所述驱动系统的输出轴得到稳定输出。

上述技术方案中，所述径向载荷加载系统还包括第一轴承支座、第二轴承支座、第一轴承支座连接件、T形连接件、第一轴、第一力传感器、第一电动缸、第一力传感器连接件、第七轴承；

所述第一电动缸底端固定于所述第一电动缸安装板上，第一电动缸末端依次连接第一力传感器、末端呈凹圆形的第一力传感器连接件、第一轴，第一轴与第七轴承配合，第七轴承安装于T形连接件中，T形连接件依次连接第一轴承支座连接件、第二轴承支座、第一轴承支座。

上述技术方案中，径向载荷加载系统的第一轴承和第二轴承对称分布于测试轴承两侧。

上述技术方案中，所述轴向载荷加载系统还包括第六轴承、第二电动缸、第二电动缸连接件、第二力传感器、连接块、第二轴；所述第二电动缸依次与所述第二电动缸连接件、第二力传感器、连接块、第二轴连接，第二轴与第六轴承配合，第六轴承安装于轴向加载传递件中。

上述技术方案中，所述力矩载荷加载系统还包括第三电动缸、第三电动缸连接件、第三力传感器、第三力传感器连接件、第三轴、第三轴承、第四电动缸、第四电动缸安装板、第一立柱连接件、第四电动缸连接件、第四轴承、第四力传感器、第四轴、第四轴承支座、连接板、第二立柱连接件、轴承支座支撑板、第四轴承支座；

所述第三电动缸依次与所述第三电动缸连接件、第三力传感器、第三力传感器连接件连接，所述力传感器连接件与第三轴固连，所述第三轴与第三轴承配合，第三轴承安装于第三轴承支座中；

所述第四电动缸底端依次与所述第四电动缸安装板、第一立柱连接件、滑动轴承连接板连接，所述第四电动缸末端依次与所述第四电动缸连接件、第四力传感器、第四轴连接，第四轴与第四轴承配合，第四轴承安装于第四轴承支座中，第四轴承支座依次与连接板、第二立柱连接件、轴承支座支撑板连接、第五轴承支座连接，第五轴承安装于第五轴承支座中。

上述技术方案中，力矩载荷加载系统的第三轴和第四轴的轴线到测试轴承两端面的中间对称平面距离相等。

上述技术方案中，所述摩擦力矩测量系统还包括测试轴承支座连接件、测试轴承支座；所述测试轴承支座连接件的一端与所述六维力传感器末端连接，另一端与所述测试轴承支座连接，所述测试轴承与所述测试轴承支座配合。

上述技术方案中，所述六维力传感器力信号作为第一电动缸、第二电动缸、第三电动缸和第四电动缸的反馈控制信号，实现测试轴承载荷的高精度加载。

此外，本发明提出了一种低速角接触球轴承加载测量方法，基于上述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加载初始时刻，由于零部件自身重力作用，测试轴承所受载荷不为零，此时，通过第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)、第四电动缸(11-15)，第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)、第四力传感器(11-13)和六维力传感器(5-5)构成的闭环反馈控制系统，当六维力传感器Z方向力为测试轴承端盖(5-1)、测试轴承(5-2)、测试轴承支座(5-3)和测试轴承支座连接件(5-4)的重力之和，其他力和力矩均为零时，即实现测试轴承的零载荷校正；

(2)启动驱动电机(4-2)，经过减速器(4-3)使测试轴承获得设定转速；

(3)对于径向载荷加载系统，控制第一电动缸(3-13)，使其末端产生的设定的径向载荷依次通过第一力传感器(3-11)、第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)、T形连接件(3-8)、第一轴承支座连接件(3-7)、第一轴承支座(3-2)、第二轴承支座(3-6)、位列于测试轴承两侧对称位置的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承所受载荷为设定的径向载荷；

(4)对于轴向载荷加载系统，控制第二电动缸(2-3)，使其末端产生的设定的轴向载荷依次通过第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)、轴向加载传递件(2-7)、第五轴承端盖(11-1)、第五轴承支座(11-16)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上，其中连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，使得施加轴向载荷时不对测试轴承产生附加力矩载荷。测试轴承(5-2)通过测试轴承支座(5-3)、测试轴承支座连接件(5-4)、六维力传感器(5-5)、六维力传感器支架(0-3)与基座的安装板(0-8)连接，因此轴向加载过程中测试轴承不会产生轴向位移；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上，不会对轴向载荷加载系统产生轴向约束，轴向加载系统施加的轴向力传递到测试轴承(5-2)，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的轴向载荷；

(5)对于力矩载荷加载系统，第三电动缸(10-8)末端产生的载荷将依次通过第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)、第三轴承(10-3)、第三轴承支座(10-1)、电机支架连接板(4-6)、电机支架(4-5)，施加到系统输出轴(4-1)上，第四电动缸(11-15)末端产生的载荷将依次通过第四电动缸连接件(11-14)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)、第四轴承支座(11-12)、连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)、第五轴承(11-2)施加到系统输出轴上；由于力矩载荷加载系统的第三轴(10-2)和第四轴(11-8)的轴线到测试轴承(5-2)两端面的中间对称平面距离相等，第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)对系统输出轴(4-1)施加的大小相等、方向相反的力，使测试轴承(5-2)获得设定的力矩载荷；由于第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)和第三轴承(10-3)构成一个转动副，第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)和第四轴承(11-9)也构成一个转动副，使力矩载荷加载系统只对测试轴承(5-2)产生力矩载荷；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上；第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)和第七轴承(3-16)构成一个转动副；连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，力矩载荷加载系统不受径向载荷加载系统和轴向载荷加载系统的干扰，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的力矩载荷；

(6)对于联合载荷加载，径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统三者之间相互独立，互不干扰；六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的联合载荷；

(7)六维力传感器(5-5)的Y轴方向力矩即为测试轴承(5-2)摩擦力矩，对六维力传感器(5-5)、第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)和第四力传感器(11-13)的信号进行实时采集与存储。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用电动缸搭配力传感器的加载方式，通过力传感器以及六维力传感器的实时信号与电动缸驱动构成闭环反馈控制系统，从而可以准确地实现载荷的连续加载；

2、本发明通过径向载荷加载系统中的对称结构，可以对测试轴承施加纯径向载荷；

3、本发明通过力矩载荷加载系统中的对称结构，可以对测试轴承施加纯力矩载荷；

4、本发明的径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统相互独立，互不干扰，可以对测试轴承施加任意单一载荷和联合载荷；

5、本发明通过第一电动缸、第二电动缸、第三电动缸、第四电动缸，第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器、第四力传感器和六维力传感器构成的闭环反馈控制系统，可以实现对测试轴承的零载荷校正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明装置整机结构示意图；

图2是本发明装置的正视图；

图3是本发明截面A-A的剖视图；

图4是本发明截面B-B的剖视图；

图5是本发明截面C-C的剖视图；

在附图中：0-1第一滑动轴承支座；0-2第二滑动轴承支座；0-5第三滑动轴承支座；0-3六维力传感器支架；0-4直线导轨；0-6直线导轨支座；0-7直角筋板；0-8安装板；0-9支座；0-10第二电动缸安装板；10-1第三轴承支座；10-2第三轴；10-3第三轴承；10-4第三轴承端盖；10-5第三力传感器连接件；10-6第三力传感器；10-7第三电动缸连接件；10-8第三电动缸；10-9第三电动缸安装板；11-1第五轴承端盖；11-2第五轴承；11-3连接板；11-4第一立柱连接件；11-5轴承支座支撑板；11-6第四电动缸安装板；11-7第二立柱连接件；11-8第四轴；11-9第四轴承；11-10滑动轴承连接板；11-11第四轴承端盖；11-12第四轴承支座；11-13第四力传感器；11-14第四电动缸连接件；11-15第四电动缸；11-16第五轴承支座；2-1第六轴承；2-2第二力传感器；2-3第二电动缸；2-4第二电动缸连接件；2-5连接块；2-6第二轴；2-7轴向加载传递件；3-1第一轴承端盖；3-2第一轴承支座；3-3第一轴承；3-4第二轴承；3-5第二轴承端盖；3-6第二轴承支座；3-7第一轴承支座连接件；3-8T形连接件；3-9第一轴；3-10第七轴承端盖；3-11第一力传感器；3-12第一电动缸连接件；3-13第一电动缸；3-14第一电动缸安装板；3-15第一力传感器连接件；3-16第七轴承；4-1系统输出轴；4-2驱动电机；4-3减速器；4-4联轴器；4-5电机支架；4-6电机支架连接板；5-1测试轴承端盖；5-2测试轴承；5-3测试轴承支座；5-4测试轴承支座连接件；5-5六维力传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明对测试轴承涉及径向载荷加载、轴向载荷加载、力矩载荷加载以及联合载荷加载方式，如图1、图2、图3、图4、图5的本发明示意图所示。

一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，包括基座、驱动系统、径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统和摩擦力矩测量系统；

其中，所述径向载荷加载系统的第一电动缸安装板(3-14)与所述基座的第二滑动轴承支座(0-2)相连接；所述径向载荷加载系统的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)与所述驱动系统的输出轴(4-1)相配合；

所述轴向载荷加载系统的轴向加载传递件(2-7)与所述力矩加载系统的第五轴承端盖(11-1)配合，所述轴向载荷加载系统的第二电动缸(2-3)与所述基座的第二电动缸安装板(0-10)相连接；

所述力矩载荷加载系统的第三电动缸安装板(10-9)和滑动轴承连接板(11-10)分别与所述基座的第一滑动轴承支座(0-1)和第三滑动轴承支座(0-5)相连接；所述力矩载荷加载系统的第三轴承支座(10-1)与所述驱动系统的电机支架连接板(4-6)连接；所述力矩载荷加载系统的第五轴承(11-2)与所述驱动系统的输出轴相配合，并通过所述驱动系统的电机支架(4-5)与所述驱动系统相连接；

所述摩擦力矩测量系统的六维力传感器(5-5)与基座的六维力传感器支架(0-3)连接；所述力矩测量系统的测试轴承(5-2)与所述驱动系统的输出轴相配合。

基座还包括直线导轨支座(0-6)、直角筋板(0-7)、安装板(0-8)、支座(0-9)；所述直线导轨支座(0-6)与所述安装板(0-8)、连接，所述支座(0-9)通过所述直角筋板(0-7)与安装板(0-8)连接，所述第二电动缸安装板(0-10)固定于支座(0-9)上，所述六维力传感器支架(0-3)通过螺栓固定于所述安装板(0-8)上。

驱动系统还包括驱动电机(4-2)、减速器(4-3)、联轴器(4-4)、电机支架(4-5)；所述驱动电(4-2)机固定于所述电机支架(4-5)上，所述驱动电机(4-2)连接所述减速器(4-3)获得转速，所述减速器(4-3)通过所述联轴器(4-4)使所述驱动系统的输出轴得到稳定输出。

加载初始时刻，由于零部件自身重力作用，测试轴承所受载荷并不为零，此时，通过第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)、第四电动缸(11-15)，第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)、第四力传感器(11-13)和六维力传感器(5-5)构成的闭环反馈控制系统，当六维力传感器Z方向力为测试轴承端盖(5-1)、测试轴承(5-2)、测试轴承支座(5-3)和测试轴承支座连接件(5-4)的重力之和，其他力和力矩均为零时，即实现测试轴承的零载荷校正。

启动驱动电机(4-2)，经过减速器(4-3)使测试轴承获得设定转速。

径向载荷加载系统还包括支撑第一轴承支座(3-2)、第二轴承支座(3-6)、第一轴承支座连接件(3-7)、T形连接件(3-8)、第一轴(3-9)、第一力传感器(3-11)、第一电动缸(3-13)、第一力传感器连接件(3-15)、第七轴承(3-16)；

第一电动缸(3-13)底端固定于所述第一电动缸安装板(3-14)上，第一电动缸(3-13)末端依次连接第一力传感器(3-11)、第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)，第一轴(3-9)与第七轴承(3-16)配合，第七轴承(3-16)安装于T形连接件(3-8)中，T形连接件(3-8)依次连接第一轴承支座连接件(3-7)、第二轴承支座(3-6)、第一轴承支座(3-2)。

径向载荷加载系统的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)对称分布于测试轴承两侧。

对于径向载荷加载，控制第一电动缸(3-13)，使其末端产生的设定的径向载荷依次通过第一力传感器(3-11)、第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)、T形连接件(3-8)、第一轴承支座连接件(3-7)、第一轴承支座(3-2)、第二轴承支座(3-6)、位列于测试轴承两侧对称位置的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上。六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承所受载荷为设定的径向载荷。

轴向载荷加载系统还包括第六轴承(2-1)、第二电动缸(2-3)、第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)；所述第二电动缸(2-3)依次与所述第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)连接，第二轴(2-6)与第六轴承(2-1)配合，第六轴承(2-1)安装于轴向加载传递件(2-7)中。

对于轴向载荷加载，控制第二电动缸(2-3)，使其末端产生的设定的轴向载荷依次通过第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)、轴向加载传递件(2-7)、第五轴承端盖(11-1)、第五轴承支座(11-16)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上。其中连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，使得施加轴向载荷时不对测试轴承产生附加力矩载荷。测试轴承(5-2)通过测试轴承支座(5-3)、测试轴承支座连接件(5-4)、六维力传感器(5-5)、六维力传感器支架(0-3)与基座的安装板(0-8)连接，因此轴向加载过程中测试轴承不会产生轴向位移；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上，不会对轴向载荷加载系统产生轴向约束。因此，轴向加载系统施加的轴向力可以传递到测试轴承(5-2)。六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的轴向载荷。

力矩载荷加载系统还包括第三电动缸(10-8)、第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)、第三轴承(10-3)、第四电动缸(11-15)、第四电动缸安装板(11-6)、第一立柱连接件(11-4)、第四电动缸连接件(11-14)、第四轴承(11-9)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)、第四轴承支座(11-12)、连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)；

所述第三电动缸(10-8)依次与所述第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)，所述第三力传感器连接件(10-5)与第三轴(10-2)固连，所述第三轴(10-2)与第三轴承(10-3)配合，第三轴承(10-3)安装于第三轴承支座(10-1)中；

所述第四电动缸(11-15)底端依次与所述第四电动缸安装板(11-6)、第一立柱连接件(11-4)、滑动轴承连接板(11-10)连接，所述第四电动缸(11-15)末端依次与所述第四电动缸连接件(11-14)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)连接，第四轴(11-8)与第四轴承(11-9)配合，第四轴承(11-9)安装于第四轴承支座(11-12)中，第四轴承支座(11-12)依次与连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)连接，第五轴承(11-2)安装于第五轴承支座(11-16)中。

力矩载荷加载系统的第三轴(10-2)和第四轴(11-8)的轴线到测试轴承(5-2)两端面的中间对称平面距离相等。

对于力矩载荷加载，第三电动缸(10-8)末端产生的载荷将依次通过第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)、第三轴承(10-3)、第三轴承支座(10-1)、电机支架连接板(4-6)、电机支架(4-5)，施加到系统输出轴(4-1)上。第四电动缸(11-15)末端产生的载荷将依次通过第四电动缸连接件(11-14)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)、第四轴承支座(11-12)、连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)、第五轴承(11-2)施加到系统输出轴上。由于力矩载荷加载系统的第三轴(10-2)和第四轴(11-8)的轴线到测试轴承(5-2)两端面的中间对称平面距离相等，第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)对系统输出轴(4-1)施加的大小相等、方向相反的力，使测试轴承(5-2)获得设定的力矩载荷。由于第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)和第三轴承(10-3)构成一个转动副，第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)和第四轴承(11-9)也构成一个转动副，使力矩载荷加载系统只对测试轴承(5-2)产生力矩载荷；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上；第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)和第七轴承(3-16)构成一个转动副；连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，力矩载荷加载系统不受径向载荷加载系统和轴向载荷加载系统的干扰。六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的力矩载荷。

摩擦力矩测量系统还包括测试轴承支座连接件(5-4)、测试轴承支座(5-3)；所述测试轴承支座连接件(5-4)的一端与所述六维力传感器(5-5)末端连接，另一端与所述测试轴承支座(5-3)连接，所述测试轴承(5-2)与所述测试轴承支座(5-3)配合。

对于联合载荷加载，如上所述，径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统三者之间相互独立，互不干扰。六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的联合载荷。

六维力传感器(5-5)力信号作为第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)的反馈控制信号，实现测试轴承(5-2)载荷的高精度加载。

六维力传感器(5-5)的Y轴方向力矩即为测试轴承(5-2)摩擦力矩。对六维力传感器(5-5)、第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)和第四力传感器(11-13)的信号进行实时采集与存储。

本发明提出了一种低速角接触球轴承加载测量方法，基于上述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，包括以下步骤：

(1)加载初始时刻，由于零部件自身重力作用，测试轴承所受载荷不为零，此时，通过第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)、第四电动缸(11-15)，第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)、第四力传感器(11-13)和六维力传感器(5-5)构成的闭环反馈控制系统，当六维力传感器Z方向力为测试轴承端盖(5-1)、测试轴承(5-2)、测试轴承支座(5-3)和测试轴承支座连接件(5-4)的重力之和，其他力和力矩均为零时，即实现测试轴承的零载荷校正；

(2)启动驱动电机(4-2)，经过减速器(4-3)使测试轴承获得设定转速；

(3)对于径向载荷加载系统，控制第一电动缸(3-13)，使其末端产生的设定的径向载荷依次通过第一力传感器(3-11)、第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)、T形连接件(3-8)、第一轴承支座连接件(3-7)、第一轴承支座(3-2)、第二轴承支座(3-6)、位列于测试轴承两侧对称位置的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承所受载荷为设定的径向载荷；

(4)对于轴向载荷加载系统，控制第二电动缸(2-3)，使其末端产生的设定的轴向载荷依次通过第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)、轴向加载传递件(2-7)、第五轴承端盖(11-1)、第五轴承支座(11-16)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上，其中连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，使得施加轴向载荷时不对测试轴承产生附加力矩载荷。测试轴承(5-2)通过测试轴承支座(5-3)、测试轴承支座连接件(5-4)、六维力传感器(5-5)、六维力传感器支架(0-3)与基座的安装板(0-8)连接，因此轴向加载过程中测试轴承不会产生轴向位移；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上，不会对轴向载荷加载系统产生轴向约束，轴向加载系统施加的轴向力传递到测试轴承(5-2)，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的轴向载荷；

(5)对于力矩载荷加载系统，第三电动缸(10-8)末端产生的载荷将依次通过第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)、第三轴承(10-3)、第三轴承支座(10-1)、电机支架连接板(4-6)、电机支架(4-5)，施加到系统输出轴(4-1)上，第四电动缸(11-15)末端产生的载荷将依次通过第四电动缸连接件(11-14)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)、第四轴承支座(11-12)、连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)、第五轴承(11-2)施加到系统输出轴上；由于力矩载荷加载系统的第三轴(10-2)和第四轴(11-8)的轴线到测试轴承(5-2)两端面的中间对称平面距离相等，第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)对系统输出轴(4-1)施加的大小相等、方向相反的力，使测试轴承(5-2)获得设定的力矩载荷；由于第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)和第三轴承(10-3)构成一个转动副，第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)和第四轴承(11-9)也构成一个转动副，使力矩载荷加载系统只对测试轴承(5-2)产生力矩载荷；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上；第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)和第七轴承(3-16)构成一个转动副；连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，力矩载荷加载系统不受径向载荷加载系统和轴向载荷加载系统的干扰，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的力矩载荷；

(6)对于联合载荷加载，径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统三者之间相互独立，互不干扰；六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的联合载荷；

(7)六维力传感器(5-5)的Y轴方向力矩即为测试轴承(5-2)摩擦力矩，对六维力传感器(5-5)、第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)和第四力传感器(11-13)的信号进行实时采集与存储。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：包括基座、驱动系统、径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统和摩擦力矩测量系统；

其中，所述径向载荷加载系统的第一电动缸安装板(3-14)与所述基座的第二滑动轴承支座(0-2)相连接；所述径向载荷加载系统的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)与所述驱动系统的输出轴(4-1)相配合；

所述轴向载荷加载系统的轴向加载传递件(2-7)与所述力矩加载系统的第五轴承端盖(11-1)配合，所述轴向载荷加载系统的第二电动缸(2-3)与所述基座的第二电动缸安装板(0-10)相连接；

所述力矩载荷加载系统的第三电动缸安装板(10-9)和滑动轴承连接板(11-10)分别与所述基座的第一滑动轴承支座(0-1)和第三滑动轴承支座(0-5)相连接；所述力矩载荷加载系统的第三轴承支座(10-1)与所述驱动系统的电机支架连接板(4-6)连接；所述力矩载荷加载系统的第五轴承(11-2)与所述驱动系统的输出轴相配合，并通过所述驱动系统的电机支架(4-5)与所述驱动系统相连接；

所述摩擦力矩测量系统的六维力传感器(5-5)与基座的六维力传感器支架(0-3)连接；所述力矩测量系统的测试轴承(5-2)与所述驱动系统的输出轴相配合。

2.根据权利要求1所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：所述基座还包括直线导轨支座(0-6)、直角筋板(0-7)、安装板(0-8)、支座(0-9)；所述直线导轨支座(0-6)与所述安装板(0-8)连接，所述支座(0-9)通过所述直角筋板(0-7)与安装板(0-8)连接，所述第二电动缸安装板(0-10)固定于支座(0-9)上，所述六维力传感器支架(0-3)通过螺栓固定于所述安装板(0-8)上。

3.根据权利要求1所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：所述驱动系统还包括驱动电机(4-2)、减速器(4-3)、联轴器(4-4)、电机支架(4-5)；所述驱动电机(4-2) 固定于所述电机支架(4-5)上，所述驱动电机(4-2)连接所述减速器(4-3)获得转速，所述减速器(4-3)通过所述联轴器(4-4)使所述驱动系统的输出轴得到稳定输出。

4.根据权利要求1所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：所述径向载荷加载系统还包括第一轴承支座(3-2)、第二轴承支座(3-6)、第一轴承支座连接件(3-7)、T形连接件(3-8)、第一轴(3-9)、第一力传感器(3-11)、第一电动缸(3-13)、第一力传感器连接件(3-15)、第七轴承(3-16)；

所述第一电动缸(3-13)底端固定于所述第一电动缸安装板(3-14)上，第一电动缸(3-13)末端依次连接第一力传感器(3-11)、末端呈凹圆形的第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)，第一轴(3-9)与第七轴承(3-16)配合，第七轴承(3-16)安装于T形连接件(3-8)中，T形连接件(3-8)依次连接第一轴承支座连接件(3-7)、第二轴承支座(3-6)、第一轴承支座(3-2)。

5.根据权利要求4所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：径向载荷加载系统的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)对称分布于测试轴承两侧。

6.根据权利要求1所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：所述轴向载荷加载系统还包括第六轴承(2-1)、第二电动缸(2-3)、第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)；所述第二电动缸(2-3)依次与所述第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)连接，第二轴(2-6)与第六轴承(2-1)配合，第六轴承(2-1)安装于轴向加载传递件中。

7.根据权利要求1所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：所述力矩载荷加载系统还包括第三电动缸(10-8)、第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)、第三轴承(10-3)、第四电动缸(11-15)、第四电动缸安装板(11-6)、第一立柱连接件(11-4)、第四电动缸连接件(11-14)、第四轴承(11-9)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)、第四轴承支座(11-12)、连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)；

所述第三电动缸(10-8)依次与所述第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)连接，所述力传感器连接件(10-5)与第三轴(10-2)固连，所述第三轴(10-2)与第三轴承(10-3)配合，第三轴承(10-3)安装于第三轴承支座(10-1)中；

所述第四电动缸(11-15)底端依次与所述第四电动缸安装板(11-6)、第一立柱连接件(11-4)、滑动轴承连接板(11-10)连接，所述第四电动缸(11-15)末端依次与所述第四电动缸连接件(11-14)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)连接，第四轴(11-8)与第四轴承(11-9)配合，第四轴承(11-9)安装于第四轴承支座(11-12)中，第四轴承支座(11-12)依次与连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)连接，第五轴承(11-2)安装于第五轴承支座(11-16)中。

8.根据权利要求7所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：力矩载荷加载系统的第三轴(10-2)和第四轴(11-8)的轴线到测试轴承两端面的中间对称平面距离相等。

9.根据权利要求1所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于：所述摩擦力矩测量系统还包括测试轴承支座连接件(5-4)、测试轴承支座(5-3)；所述测试轴承支座连接件(5-4)的一端与所述六维力传感器(5-5)末端连接，另一端与所述测试轴承支座(5-3)连接，所述测试轴承与所述测试轴承支座(5-3)配合。

10.一种低速角接触球轴承加载测量方法，基于如权利要求1-9任一项所述的一种低速角接触球轴承摩擦力矩测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加载初始时刻，由于零部件自身重力作用，测试轴承所受载荷不为零，此时，通过第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)、第四电动缸(11-15)，第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)、第四力传感器(11-13)和六维力传感器(5-5)构成的闭环反馈控制系统，当六维力传感器Z方向力为测试轴承端盖(5-1)、测试轴承(5-2)、测试轴承支座(5-3)和测试轴承支座连接件(5-4)的重力之和，其他力和力矩均为零时，即实现测试轴承的零载荷校正；

(2)启动驱动电机(4-2)，经过减速器(4-3)使测试轴承获得设定转速；

(3)对于径向载荷加载系统，控制第一电动缸(3-13)，使其末端产生的设定的径向载荷依次通过第一力传感器(3-11)、第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)、T形连接件(3-8)、第一轴承支座连接件(3-7)、第一轴承支座(3-2)、第二轴承支座(3-6)、位列于测试轴承两侧对称位置的第一轴承(3-3)和第二轴承(3-4)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承所受载荷为设定的径向载荷；

(4)对于轴向载荷加载系统，控制第二电动缸(2-3)，使其末端产生的设定的轴向载荷依次通过第二电动缸连接件(2-4)、第二力传感器(2-2)、连接块(2-5)、第二轴(2-6)、轴向加载传递件(2-7)、第五轴承端盖(11-1)、第五轴承支座(11-16)、系统输出轴(4-1)，施加到测试轴承(5-2)上，其中连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，使得施加轴向载荷时不对测试轴承产生附加力矩载荷；测试轴承(5-2)通过测试轴承支座(5-3)、测试轴承支座连接件(5-4)、六维力传感器(5-5)、六维力传感器支架(0-3)与基座的安装板(0-8)连接，因此轴向加载过程中测试轴承不会产生轴向位移；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上，不会对轴向载荷加载系统产生轴向约束，轴向加载系统施加的轴向力传递到测试轴承(5-2)，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的轴向载荷；

(5)对于力矩载荷加载系统，第三电动缸(10-8)末端产生的载荷将依次通过第三电动缸连接件(10-7)、第三力传感器(10-6)、第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)、第三轴承(10-3)、第三轴承支座(10-1)、电机支架连接板(4-6)、电机支架(4-5)，施加到系统输出轴(4-1)上，第四电动缸(11-15)末端产生的载荷将依次通过第四电动缸连接件(11-14)、第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)、第四轴承支座(11-12)、连接板(11-3)、第二立柱连接件(11-7)、轴承支座支撑板(11-5)、第五轴承支座(11-16)、第五轴承(11-2)施加到系统输出轴上；由于力矩载荷加载系统的第三轴(10-2)和第四轴(11-8)的轴线到测试轴承(5-2)两端面的中间对称平面距离相等，第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)对系统输出轴(4-1)施加的大小相等、方向相反的力，使测试轴承(5-2)获得设定的力矩载荷；由于第三力传感器连接件(10-5)、第三轴(10-2)和第三轴承(10-3)构成一个转动副，第四力传感器(11-13)、第四轴(11-8)和第四轴承(11-9)也构成一个转动副，使力矩载荷加载系统只对测试轴承(5-2)产生力矩载荷；力矩载荷加载系统和径向载荷加载系统下方会连接到第一滑动轴承支座(0-1)、第二滑动轴承支座(0-2)、第三滑动轴承支座(0-5)上；第一力传感器连接件(3-15)、第一轴(3-9)和第七轴承(3-16)构成一个转动副；连接块(2-5)、第六轴承(2-1)和第二轴(2-6)构成一个转动副，力矩载荷加载系统不受径向载荷加载系统和轴向载荷加载系统的干扰，六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的力矩载荷；

(6)对于联合载荷加载，径向载荷加载系统、轴向载荷加载系统、力矩载荷加载系统三者之间相互独立，互不干扰；六维力传感器(5-5)的信号作为反馈控制信号，控制第一电动缸(3-13)、第二电动缸(2-3)、第三电动缸(10-8)和第四电动缸(11-15)，使测试轴承(5-2)所受载荷为设定的联合载荷；

(7)六维力传感器(5-5)的Y轴方向力矩即为测试轴承(5-2)摩擦力矩，对六维力传感器(5-5)、第一力传感器(3-11)、第二力传感器(2-2)、第三力传感器(10-6)和第四力传感器(11-13)的信号进行实时采集与存储。

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