CN110095217B - 一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法。现有滚动轴承摩擦力矩测量方式精度低，难以准确评定滚动轴承性能。本发明包括电机、滚珠丝杠滑台、S型力传感器、摩擦块安装角铝、摩擦块、卡盘、轴、套筒、直线导轨、光栅盘、光电检测装置和底板。本发明通过电机驱动滚珠丝杠滑台带动摩擦块运动，将轴承内的摩擦能量等效为摩擦块与套筒之间的摩擦做功，通过应变式力传感测量摩擦力的变化，使摩擦做功测量更为准确，同时通过处理器记录套筒外部边缘光电编码器的脉冲信号个数，得到待测轴承转过的角度，将传统直接测量摩擦力矩的方式改为由能量守恒方式间接计算得出，使结果更为可靠，提高了准确率。

Description

一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法

技术领域

本发明属于轴承测试技术领域，具体涉及一种结构简单、精度高的测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法。

背景技术

随着我国工业水平的提升，轴承被广泛应用于航空航天、精密机床、高速电主轴、轨道交通、超精密级医疗机械等领域。而轴承的摩擦力矩是轴承润滑状态和运转性能的综合表现，过大的摩擦力矩会导致轴承在运行过程中温升过高，从而降低润滑性能，加剧摩擦损耗，最终加速轴承疲劳损坏。与此同时，摩擦力矩也是引起轴承振动和噪音的一大原因，严重影响轴承的动态性能。因此如何精确地测量出轴承转动摩擦力矩，通过摩擦力矩来科学客观的判定转台轴承摩擦阻力大小，对轴承的润滑状态和运转性能做出有效的评估，是轴承行业研究的重点。

目前，申请号201811135185.1的专利公开了一种轴承摩擦力矩测试工装，包括底座、支撑架、转动环、悬臂轴、轴承安装组件和第一力矩传感器，所述悬臂轴通过支撑架水平设置在底座的上方，轴承安装组件设置在悬臂轴上，第一力矩传感器设置在轴承安装组件上，轴承安装组件上套设有轴承，所述轴承安装组件与轴承的内圈相对固定设置，且转动环与轴承的外圈相对固定设置。该发明在实际工程中被发现由于轴承组件间的摩擦力矩较小，而用常规力矩传感器测量微小的摩擦力时数值波动很大，同一轴承多次测量值前后不一致，难于准确测量。申请号201811283092.3的专利公开了滚动轴承当量摩擦系数测量装置与方法，动力装置通过离合装置驱动气浮主轴回转、气浮主轴、芯轴和被测滚动轴承的内圈保持同步回转；逐渐提高气浮主轴和芯轴的回转速度至给定值并稳定运行，离合装置分离动力装置的输出轴与气浮主轴，气浮主轴和芯轴的回转速度在被测滚动轴承的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至气浮主轴和芯轴停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得“芯轴角速度-时间”数值关系，最后通过“芯轴角速度-时间”关系推算出摩擦力矩。但该发明未考虑保持架的动能、滚动体自转和公转的动能以及润滑油脂的涡动能量，使得计算时结果失真较大。

发明内容

本发明针对现有滚动轴承摩擦力矩测量方式精度低，测量不准确，很难做到精准测量的问题，提出一种精度高、结构简单的测量滚动轴承摩擦力矩的装置及方法，规避了传统直接用力矩传感器测量的不足，通过电机驱动滚珠丝杠滑台带动摩擦块运动，将轴承内的摩擦能量等效为摩擦块与套筒之间的摩擦做功，通过应变式力传感测量摩擦力的变化，使摩擦做功测量更为准确，同时通过处理器记录套筒外部边缘光电编码器的脉冲信号个数，得到待测轴承转过的角度，将传统直接测量摩擦力矩的方式改为由能量守恒方式间接计算得出，使结果更为可靠，提高了准确率。

本发明一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置，包括电机、滚珠丝杠滑台、S型力传感器、摩擦块安装角铝、摩擦块、卡盘、轴、套筒、直线导轨、光栅盘、光电检测装置和底板。所述电机的底座固定在底板上，电机驱动滚珠丝杠滑台；所述S型力传感器的一端固定在滚珠丝杠滑台的滑块上，另一端固定有摩擦块安装角铝；S型力传感器的信号输出端连接处理器；所述的摩擦块与摩擦块安装角铝靠近直线导轨的一侧固定；直线导轨的滑轨固定在底板上，卡盘的底座固定在直线导轨的滑动块上；直线导轨的滑动块与直线导轨的滑轨构成滑动副，且直线导轨的滑动块与直线导轨的滑轨通过螺栓固定连接；所述的光电检测装置固定在底板上，并设置在直线导轨一侧；光电检测装置的信号输出端连接处理器；所述轴的轴径以及套筒内径均有多种尺寸规格；不同内径尺寸规格的套筒的外径也各不相同，每个尺寸规格的套筒外固定一个内径等于该套筒外径的光栅盘。

所述的滚珠丝杠滑台包括丝杠、滑块和导杆；电机的输出轴与丝杠通过联轴器连接，滚珠丝杠滑台的底座固定在底板上；导杆固定在滚珠丝杠滑台的底座上，丝杠与滚珠丝杠滑台的底座构成转动副；滑块与丝杠构成螺旋副，并与导杆构成滑动副。

该测量滚动轴承摩擦力矩的装置的测量方法，具体如下：

步骤一、根据待测轴承的外圈选取套筒内径尺寸，根据待测轴承的内圈选取轴轴径尺寸，然后将待测轴承外圈与套筒内壁过盈配合，将待测轴承内圈与轴过盈配合；再用卡盘将轴锁紧固定；调节直线导轨的滑动块位置，使套筒外壁与摩擦块接触，然后拧紧螺栓实现滑动块定位；最后，测量摩擦块长度L。

步骤二、电机反转，驱动滚珠丝杠滑台的滑块运动，带动S型力传感器和磨擦块后退至套筒外壁与摩擦块不接触时，电机停转；然后，手动使待测轴承停转，电机正转，驱动滚珠丝杠滑台的滑块运动，滑块运动时推动S型力传感器和磨擦块同步移动；磨擦块与套筒接触后通过摩擦力带动套筒转动，在摩擦块运动过程中，摩擦块与套筒之间的摩擦力F通过S型力传感器测量；处理器计算摩擦块推动套筒转动整个过程中S型力传感器测量的摩擦力F的平均值F₁。

步骤三、套筒转动时光栅盘随之转动，光栅盘转动产生电信号，光栅盘每转过一个值为栅距角α的角位移，则光电检测装置产生一个脉冲信号输出；套筒停止转动时，处理器根据记录的脉冲信号个数n，计算得到待测轴承转过的角度θ＝nα。

步骤四、由于平均值F₁对套筒做的功全部转化成待测轴承转动过程中的内能，根据能量守恒定律，得到摩擦力矩M＝F₁L/θ。

本发明与现有技术相比有以下有益结果：

1.本发明通过电机驱动滚珠丝杠滑台，推动传感器继而带动摩擦块，摩擦块与轴承套筒产生较大摩擦，与传统直接测量轴承摩擦力矩相比，由于应变式力传感器的测量精度远高于力矩传感器，且该摩擦力也远大于轴承摩擦力矩，所以测量精度得到显著提高，进而可通过处理器记录套筒外部边缘光电编码器的脉冲信号个数，得到待测轴承转过的角度。本发明通过给轴承外圈施加一个力，使轴承外圈转动，由于该力对轴承外圈产生的动能全部被轴承摩擦力矩消耗掉，因此本发明不需要考虑保持架的动能、滚动体自转和公转的动能以及润滑油脂的涡动能量等，只要通过处理器记录套筒外部边缘光电编码器的脉冲信号个数，得到轴承转动角度的准确值，就能根据能量守恒间接计算出准确的轴承摩擦力矩。

2.本发明整体结构简单，试验条件及操作简易，试验可重复性好，数据稳定，可信度高。

3.本发明针对不同型号的轴承，可以选用不同型号的套筒与轴，测量出不同型号轴承的转动摩擦力矩，具有广泛性和普适性。

附图说明

图1为本发明测量滚动轴承摩擦力矩的装置的整体结构立体图；

图2为本发明光电检测装置和光栅盘的装配位置示意图。

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。

如图1和2所示，一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置，包括电机1、滚珠丝杠滑台7、S型力传感器4、摩擦块安装角铝5、摩擦块6、卡盘10、轴15、套筒9、直线导轨11、光栅盘14、光电检测装置8和底板12。电机1的底座固定在底板12上；电机1驱动滚珠丝杠滑台7，具体为：滚珠丝杠滑台7包括丝杠、滑块3和导杆；电机1的输出轴与丝杠通过联轴器2连接，滚珠丝杠滑台7的底座固定在底板12上；导杆固定在滚珠丝杠滑台7的底座上，丝杠与滚珠丝杠滑台7的底座构成转动副；滑块3与丝杠构成螺旋副，并与导杆构成滑动副。S型力传感器4一端固定在滚珠丝杠滑台7的滑块3上，另一端固定有摩擦块安装角铝5；S型力传感器4的信号输出端连接处理器；摩擦块6与摩擦块安装角铝5靠近直线导轨11的一侧固定；直线导轨11的滑轨固定在底板12上，卡盘10的底座固定在直线导轨11的滑动块上；直线导轨11的滑动块与直线导轨11的滑轨构成滑动副，且直线导轨11的滑动块与直线导轨11的滑轨通过螺栓固定连接，调整好滑动块位置后，拧紧螺栓即可实现滑动块定位；光电检测装置8固定在底板12上，并设置在直线导轨11一侧；光电检测装置的信号输出端连接处理器；轴15轴径以及套筒9内径均有多种尺寸规格；不同内径尺寸规格的套筒的外径也各不相同，每个尺寸规格的套筒外固定一个内径等于该套筒外径的光栅盘14。

该测量滚动轴承摩擦力矩的装置的测量方法，具体如下：

步骤一、根据待测轴承的外圈选取套筒内径尺寸，根据待测轴承的内圈选取轴轴径尺寸，然后将待测轴承13外圈与套筒9内壁过盈配合，将待测轴承13内圈与轴15过盈配合；再用卡盘10将轴15锁紧固定；调节直线导轨11的滑动块位置，使套筒9外壁与摩擦块6接触，然后拧紧螺栓实现滑动块定位；测量摩擦块长度L。

步骤二、电机1反转，驱动滚珠丝杠滑台7的滑块运动，带动S型力传感器4和磨擦块6后退至套筒外壁与摩擦块不接触时，电机停转；然后，手动使待测轴承停转，电机正转，驱动滚珠丝杠滑台的滑块运动，滑块运动时推动S型力传感器和磨擦块同步移动，磨擦块6与套筒9接触后通过摩擦力带动套筒9转动，在摩擦块6运动过程中，摩擦块6与套筒9之间的摩擦力F通过S型力传感器测量；处理器计算摩擦块6推动套筒9转动整个过程中S型力传感器测量的摩擦力F的平均值F₁；其中，摩擦块6推动套筒9转动的整个过程为摩擦力F两次突变之间的过程。

步骤三、套筒9转动时光栅盘14随之转动，光栅盘14转动产生电信号，光栅盘14每转过一个值为栅距角α(光栅盘14相邻的窄缝之间的夹角)的角位移，则光电检测装置8产生一个脉冲信号输出；套筒9停止转动时，处理器根据记录的脉冲信号个数n，计算得到待测轴承转过的角度θ＝nα。

步骤四、由于平均值F₁对套筒9做的功全部转化成待测轴承转动过程中的内能，根据能量守恒定律，得到摩擦力矩M＝F₁L/θ。

Claims (3)

1.一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置，包括电机、滚珠丝杠滑台、卡盘、轴、套筒、直线导轨和底板，其特征在于：还包括S型力传感器、摩擦块安装角铝、摩擦块、光栅盘和光电检测装置；所述电机的底座固定在底板上，电机驱动滚珠丝杠滑台；所述S型力传感器的一端固定在滚珠丝杠滑台的滑块上，另一端固定有摩擦块安装角铝；S型力传感器的信号输出端连接处理器；所述的摩擦块与摩擦块安装角铝靠近直线导轨的一侧固定；直线导轨的滑轨固定在底板上，卡盘的底座固定在直线导轨的滑动块上；直线导轨的滑动块与直线导轨的滑轨构成滑动副，且直线导轨的滑动块与直线导轨的滑轨通过螺栓固定连接；所述的光电检测装置固定在底板上，并设置在直线导轨一侧；光电检测装置的信号输出端连接处理器；所述轴的轴径以及套筒内径均有多种尺寸规格；不同内径尺寸规格的套筒的外径也各不相同，每个尺寸规格的套筒外固定一个内径等于该套筒外径的光栅盘。

2.根据权利要求1所述的一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置，其特征在于：所述的滚珠丝杠滑台包括丝杠、滑块和导杆；电机的输出轴与丝杠通过联轴器连接，滚珠丝杠滑台的底座固定在底板上；导杆固定在滚珠丝杠滑台的底座上，丝杠与滚珠丝杠滑台的底座构成转动副；滑块与丝杠构成螺旋副，并与导杆构成滑动副。

3.根据权利要求1或2所述一种测量滚动轴承摩擦力矩的装置的测量方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、根据待测轴承的外圈选取套筒内径尺寸，根据待测轴承的内圈选取轴轴径尺寸，然后将待测轴承外圈与套筒内壁过盈配合，将待测轴承内圈与轴过盈配合；再用卡盘将轴锁紧固定；调节直线导轨的滑动块位置，使套筒外壁与摩擦块接触，然后拧紧螺栓实现滑动块定位；最后，测量摩擦块长度L；

步骤二、电机反转，驱动滚珠丝杠滑台的滑块运动，带动S型力传感器和磨擦块后退至套筒外壁与摩擦块不接触时，电机停转；然后，手动使待测轴承停转，电机正转，驱动滚珠丝杠滑台的滑块运动，滑块运动时推动S型力传感器和磨擦块同步移动；磨擦块与套筒接触后通过摩擦力带动套筒转动，在摩擦块运动过程中，摩擦块与套筒之间的摩擦力F通过S型力传感器测量；处理器计算摩擦块与套筒接触过程中S型力传感器测量的摩擦力F的平均值F₁；

步骤三、套筒转动时光栅盘随之转动，光栅盘转动产生电信号，光栅盘每转过一个值为栅距角α的角位移，则光电检测装置产生一个脉冲信号输出；套筒停止转动时，处理器根据记录的脉冲信号个数n，计算得到待测轴承转过的角度θ＝nα；

步骤四、由于平均值F₁对套筒做的功全部转化成待测轴承转动过程中的内能，根据能量守恒定律，得到摩擦力矩M＝F₁L/θ。

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