CN110031396A - 一种静摩擦系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了材料摩擦测量技术领域的一种静摩擦系数测量装置及方法，旨在解决现有技术中静摩擦系数测量需要单独提供样品，对于被测量物体有着尺寸、质量、位置上的限制，手持式摩擦系数测量装置只能用于水平方向被测表面测量的技术问题。所述装置包括推板、滑块、施压部、传感部；传感部包括第一传感器和第二传感器；推板包括顶面和侧面，顶面通过施压部和第一传感器与滑块接触，第一传感器设于施压部与滑块之间；侧面包括第一侧面，第一侧面通过第二传感器与滑块接触；第二传感器能够采集施加于滑块的横向外力，所述横向外力平行于被测表面；第一传感器能够采集施加于滑块的纵向外力，所述纵向外力垂直于被测表面。

Description

一种静摩擦系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种静摩擦系数测量装置及方法，属于材料摩擦测量技术领域。

背景技术

现有技术中进行静摩擦系数测量大多需要单独提供样品，或者对于被测量物体有着尺寸、质量、位置上的限制，无法满足实际需要。例如：在一些工程现场，无法及时进行测量；对正常使用的大型机床导轨做定期静摩擦系数检测以确保其精度时，则难以采样进行测量。手持式摩擦系数测量装置基本上只能用于水平方向被测表面的测量，限制了其适用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷或缺陷之一，提供了一种静摩擦系数测量装置，包括推板、滑块、施压部、传感部；

所述滑块底面与被测表面接触，所述传感部与外部模块电连接，传感部包括第一传感器和第二传感器；

所述推板包括顶面和侧面，顶面通过施压部和第一传感器与滑块接触，第一传感器设于施压部与滑块之间；

所述侧面包括第一侧面，第一侧面通过第二传感器与滑块接触；

所述第二传感器能够采集施加于滑块的横向外力，所述横向外力平行于被测表面；

所述第一传感器能够采集施加于滑块的纵向外力，所述纵向外力垂直于被测表面。

进一步地，所述侧面还包括第二侧面，所述传感部还包括第三传感器；

所述第二侧面设于第一侧面的对面，第二侧面通过第三传感器与滑块接触。

进一步地，所述推板连接有滚轮，推板通过滚轮与被测表面接触。

进一步地，所述施压部包括销钉和弹簧，所述推板顶面设有圆形通孔，所述销钉通过圆形通孔与推板螺纹连接，所述弹簧设于销钉与第一传感器之间。

进一步地，所述推板为三段弯折结构，每相邻两段之间弯折角为90度且弯折方向相同；

所述滑块为立方体，滑块设于三段弯折内侧。

为达到上述目的，本发明还提供了一种静摩擦系数测量方法，包括如下步骤：

通过施压部对滑块施加所述纵向外力；

通过推板对滑块施加所述横向外力，直至滑块由静止转为运动；

通过传感部采集纵向外力值和横向外力最大值；

通过外部模块根据传感部采集数据和被测表面与水平面夹角运算获取被测表面的静摩擦系数；

所述传感部采集数据包括纵向外力值和横向外力最大值。

进一步地，当所述夹角已知时，所述静摩擦系数包括如下计算公式：

式中，μ为静摩擦系数，F为横向外力最大值，N为纵向外力值，G为滑块所受重力，θ为测物体表面与水平面夹角，sin()为正弦函数，cos()为余弦函数。

进一步地，当所述夹角未知时，所述方法还包括如下步骤：

通过推板对滑块施加与所述横向外力方向相反的反向外力，直至滑块由静止转为运动；

通过传感部采集反向外力最大值；

所述传感部采集数据还包括反向外力最大值。

进一步地，所述静摩擦系数包括如下计算公式：

式中，μ为静摩擦系数，F为横向外力最大值，N为纵向外力值，H为反向外力最大值。

进一步地，所述纵向外力不小于滑块所受重力的100倍。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：既能够测量水平方向被测表面的静摩擦系数，又能够测量非水平方向被测表面的静摩擦系数，无需单独提供样品进行测量，对于被测量物体限制条件少，且结构简单，操作简便，成本低廉。

附图说明

图1是本发明装置外部结构示意图；

图2是本发明装置剖面结构示意图；

图3是本发明装置受力分析示意图。

图中：1、销钉；2、弹簧；3、推板；4、挡板；5、第一传感器；6、第二传感器；7、轴；8、滚轮；9、滑块；10、第三传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1、图2所示，是本发明装置外部结构和剖面结构示意图，一种静摩擦系数测量装置，包括销钉1、弹簧2、推板3、挡板4、第一传感器5、第二传感器6、轴7、滚轮8、滑块9、第三传感器10，第一传感器5、第二传感器6和第三传感器10与外部模块电连接。

所述推板3为三段弯折结构，每相邻两段之间的弯折角为90度，且中间段一侧设有凸台，所述凸台设有有圆形通孔，销钉1通过圆形通孔与推板3螺纹连接，所述弹簧2设于圆形通孔内。推板3弯折结构的边缘两段对称地开有圆形轴孔，轴7穿过圆形轴孔，通过螺母将轴7固定在推板3上；推板3弯折结构的边缘两段对称地开有方槽，所述滚轮8套接在轴7上并被限位于方槽中。

所述的滑块9为一立方体。所述挡板4为二段弯折结构，弯折角为90度，挡板4通过螺栓固连连接在推板3上并对滑块9限位。

所述第一传感器5为力传感器，设于弹簧2和滑块9之间；

所述第二传感器6为力传感器，设于推板3一侧弯折段与滑块9之间；

所述第三传感器10为力传感器，设于推板3另一侧弯折段与滑块9之间。

采用所述静摩擦系数测量装置进行测量，开始时，滑块9和滚轮8与被测表面接触且保持静止。

在被测表面与水平面夹角已知的情况下，沿着被测表面向上推动推板3直至推板3带动滑块9发生位移。此时，第一传感器5能够采集由弹簧2通过第一传感器5施加给滑块9的纵向外力，所述纵向外力垂直于被测表面；第二传感器6能够采集由推板3通过第二传感器6施加给滑块9的横向外力最大值，所述横向外力平行于被测表面。被测表面静摩擦系数理论精确值的计算公式如下：

式中，μ'为静摩擦系数理论精确值，F为横向外力最大值，N为纵向外力值，G为滑块所受重力，θ为测物体表面与水平面夹角，sin()为正弦函数，cos()为余弦函数。

在被测表面与水平面夹角未知的情况下，同样沿着被测表面向上推动推板3直至其发生位移，然后，再反向推动推板3直至其发生反向位移。此时，第三传感器10能够采集有推板3通过第三传感器10施加给滑块9的反向外力最大值，所述方向外力与所述横向外力方向相反。被测表面静摩擦系数理论估算值及理论相对误差的计算公式如下：

式中，μ”为静摩擦系数理论估算值，H为反向外力最大值，δ为理论相对误差。

根据公式(1)、(2)和(3)，经外部模块运算输出的静摩擦系数如下：

当被测表面与水平面夹角已知时，

当被测表面与水平面夹角未知时，

式中，μ为经外部模块运算输出的静摩擦系数。

如图3所示，是本发明装置受力分析示意图，公式(1)、(2)和(3)的具体推导过程如下：

在被测表面与水平面夹角已知的情况下，沿被测表面方向有平衡方程式：

F＝G sin(θ)+μ'[N+G cos(θ)]；

则有：

在被测表面与水平面夹角未知的情况下，沿被测表面方向分别有平衡方程式：

F＝G sin(θ)+μ'[N+G cos(θ)]，

H+G sin(θ)＝μ'[N+G cos(θ)]；

两式相加并化简得：

忽略G cos(θ)得：

故相对误差为：

可以看出，滑块9所受纵向外力N与滑块9所受重力G的比值越大，理论相对误差δ越小，

当N＝100G时，

此时，已经能够满足一般工程上的精度要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种静摩擦系数测量装置，其特征是，包括推板(3)、滑块(9)、施压部、传感部；

所述滑块(9)底面与被测表面接触，所述传感部与外部模块电连接，传感部包括第一传感器(5)和第二传感器；

所述推板(3)包括顶面和侧面，顶面通过施压部和第一传感器(5)与滑块(9)接触，第一传感器(5)设于施压部与滑块(9)之间；

所述侧面包括第一侧面，第一侧面通过第二传感器(6)与滑块(9)接触；

所述第二传感器(6)能够采集施加于滑块(9)的横向外力，所述横向外力平行于被测表面；

所述第一传感器(5)能够采集施加于滑块(9)的纵向外力，所述纵向外力垂直于被测表面。

2.根据权利要求1所述的静摩擦系数测量装置，其特征是，所述侧面还包括第二侧面，所述传感部还包括第三传感器(10)；

所述第二侧面设于第一侧面的对面，第二侧面通过第三传感器(10)与滑块(9)接触。

3.根据权利要求1所述的静摩擦系数测量装置，其特征是，所述推板(3)连接有滚轮(8)，推板(3)通过滚轮(8)与被测表面接触。

4.根据权利要求1所述的静摩擦系数测量装置，其特征是，所述施压部包括销钉(1)和弹簧(2)，所述推板(3)顶面设有圆形通孔，所述销钉(1)通过圆形通孔与推板(3)螺纹连接，所述弹簧(2)设于销钉(1)与第一传感器(5)之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的静摩擦系数测量装置，其特征是，所述推板(3)为三段弯折结构，每相邻两段之间弯折角为90度且弯折方向相同；

所述滑块(9)为立方体，滑块(9)设于三段弯折内侧。

6.一种静摩擦系数测量方法，其特征在于，采用权利要求1至5中任一项所述装置进行测量，所述方法包括如下步骤：

通过施压部对滑块(9)施加所述纵向外力；

通过推板(3)对滑块(9)施加所述横向外力，直至滑块(9)由静止转为运动；

通过传感部采集纵向外力值和横向外力最大值；

通过外部模块根据传感部采集数据和被测表面与水平面夹角运算获取被测表面的静摩擦系数；

所述传感部采集数据包括纵向外力值和横向外力最大值。

7.根据权利要求6所述的静摩擦系数测量方法，其特征在于，当所述夹角已知时，所述静摩擦系数包括如下计算公式：

式中，μ为静摩擦系数，F为横向外力最大值，N为纵向外力值，G为滑块所受重力，θ为测物体表面与水平面夹角，sin()为正弦函数，cos()为余弦函数。

8.根据权利要求6所述的静摩擦系数测量方法，其特征在于，当所述夹角未知时，所述方法还包括如下步骤：

通过推板(3)对滑块(9)施加与所述横向外力方向相反的反向外力，直至滑块(9)由静止转为运动；

通过传感部采集反向外力最大值；

所述传感部采集数据还包括反向外力最大值。

9.根据权利要求8所述的静摩擦系数测量方法，其特征在于，所述静摩擦系数包括如下计算公式：

式中，μ为静摩擦系数，F为横向外力最大值，N为纵向外力值，H为反向外力最大值。

10.根据权利要求8或9所述的静摩擦系数测量方法，其特征在于，所述纵向外力不小于滑块所受重力的100倍。