CN110095218A - 测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置及其测量方法。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。本发明包括固定底板、固定底座、卡盘、光电检测装置、环形电磁铁、轴承内轴、套筒和光栅盘。本发明通过电磁铁提供持续稳定的外加磁场，使得轴承外部套筒边缘的带电金属导线受力带动外部轴承转动，同时通过计数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，然后根据能量守恒间接计算出准确的轴承摩擦力矩。

Description

测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置及其测量方法

技术领域

本发明属于滚动轴承检测领域，具体涉及一种测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置及其测量方法。

背景技术

目前，滚动轴承以结构简单，摩擦小，易维修的有优点被广泛应用于各个领域，随着工业技术的飞速发展，对于滚动轴承的性能要求不断提高，如何在保持原有优势的同时进一步提高滚动轴承的性能成为了机械行业的共同难题。轴承的摩擦力矩是轴承稳定性与润滑性的综合体现，过大的摩擦力矩，不但会产生振动和噪音，降低系统稳定性，而且还会导致运行过程温度急剧升高，加快零件及润滑油的损耗，进而大大减少轴承的使用寿命。因此，摩擦力矩是衡量轴承性能的重要指标之一，如何准确、快捷地测量滚动轴承摩擦力矩成了备受关注的话题。

申请号201310747699.2的专利公开了一种测量滚动轴承实际静摩擦力矩的方法及装置，将滚动轴承安装在被测滚动轴承的内孔圈中，同时将被测滚动轴承固定在支架的轴承孔中，然后在传动轴的两端分别固定有配重盘和外圆半径为R的转盘，在转盘上绕有吊线，在掉线的一段悬挂有托盘；由于托盘通过吊线对转盘的作用力矩小于被测滚动轴承实际静摩擦力矩M，转盘静止不动，向托盘中加入细铁砂直至转盘刚开始转动，托盘与细铁砂质量之和为W，即可得到被测滚动轴承静摩擦力距M为：M＝W×R。但此发明未考虑由于细铁砂质量变化而引起的轴承内轴对外轴产生力矩，从而导致系统稳定性降低，加剧轴承内部磨损，进而加大摩擦力矩的测量值，而且人工添加铁砂的方式也使得实验增加了不确定因素。申请号201210080297.8的专利公开了一种滚动轴承摩擦力矩测量装置，包括交流伺服电机和传动转轴，交流伺服电机的下端设有交流伺服电机传动齿轮，传动转轴下端设有传动转轴传动齿轮，传送带连接交流伺服电机传动齿轮和传动转轴传动齿轮；传动转轴与支持座，滚动轴承，升温器同轴安装，滚动轴承安装在支撑座与升温器之间，升温器内径与滚动轴承外径紧密连接，升温器上设有加砝码的凹槽，还设有与温控装置，滚动轴承的内外圈之间还设有与力传感器相连接的柔性线。但该专利机构较为复杂，对零件精度要求较高，不适合批量化检测轴承性能，而且使用力传感器作为数据收集装置，极大地限制了测量精度。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

本发明针对滚动轴承摩擦力矩测量精度低，测量不准确，难以准确评定滚动轴承性能的问题，提出了一种测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置及其测量方法，摒弃了以转矩传感器作为主要测量方式的传统方法，创新性地提出了一种电磁驱动方式，通过电磁铁提供持续稳定的外加磁场，使得轴承外部套筒边缘的带电金属导线受力带动外部轴承转动，同时通过计数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，然后根据能量守恒间接计算出准确的轴承摩擦力矩。

本发明测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置，包括固定底板、固定底座、卡盘、光电检测装置、环形电磁铁、轴承内轴、套筒和光栅盘。所述的固定底板固定在试验台上，固定底座与固定底板固定，卡盘的座体固定在固定底座上；固定底座上设有一体成型的两个导轨；两个导轨同轴设置，且分设在卡盘两侧；所述套筒的外侧壁开设有上环形槽、下环形槽、竖直直线槽一、竖直直线槽二和电源安置槽；上环形槽和下环形槽均水平设置；竖直直线槽一的两端分别连通上环形槽和下环形槽，两个竖直直线槽二的一端分别连通上环形槽和下环形槽，两个竖直直线槽二的另一端均连通电源安置槽；竖直直线槽一和竖直直线槽二所夹的圆心角呈180°；上环形槽内固定设置有上环形金属导线，下环形槽内固定设置有下环形金属导线；直导线一固定设置在竖直直线槽一内，且直导线一的两端分别连接上环形金属导线和下环形金属导线；两个竖直直线槽二内各固定设置一根直导线二，两根直导线二的一端分别连接上环形金属导线和下环形金属导线，另一端分别连接电源两极；所述的电源固定设置在电源安置槽内。轴承内轴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；所述卡盘的侧部设有光电检测装置和两块环形电磁铁；光电检测装置的信号输出端连接计数器；两块环形电磁铁关于卡盘对称设置；两块环形电磁铁底部与两个导轨分别构成滑动副，且均与固定底板通过螺钉固定连接；每块环形电磁铁上缠绕有两个励磁线圈；两块环形电磁铁上的四个励磁线圈沿周向均布；两块环形电磁铁尺寸相同，且均有多种尺寸规格；环形电磁铁的尺寸选取规则如下：两块环形电磁铁内壁所在圆周与套筒同轴设置时，环形磁铁与该套筒上光栅盘的径向间距小于5mm。

所述的光电检测装置采用光电编码器。

该测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置的测量方法，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承内轴轴径尺寸，然后将待测轴承的外圈与套筒内壁过盈配合，将待测轴承的内圈与轴承内轴过盈配合；接着，通过卡盘锁紧轴承内轴。

步骤二、根据环形电磁铁的尺寸选取规则选取尺寸相同的两块环形电磁铁，在卡盘两侧各放置一块环形电磁铁；然后，调整两块环形电磁铁位置，使两块环形电磁铁关于卡盘对称且两块环形电磁铁的内壁所在圆周与套筒同轴设置后，固定两块环形电磁铁。

步骤三、测量直导线一与轴承内轴的中心距r，然后给两块环形电磁铁上的四个励磁线圈同时通电；四个励磁线圈的励磁电流相等，通电时间均为t，t取值为1～2s；四个励磁线圈产生的磁场，对垂直于磁感线方向的直导线一和两根直导线二产生力的作用，带动待测轴承的外圈和套筒同步转动。套筒转动时光栅盘随之转动，光栅盘转动时产生电信号，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；两块环形电磁铁上的四个励磁线圈同时断电时，磁场消失，计数器记录脉冲信号个数n₁，从而计算得到待测轴承转过的Φ＝n₁α；套筒停止转动时，计数器记录脉冲信号个数n₂，从而计算得到待测轴承转过的θ＝n₂α。

步骤四、计算直导线一以及两根直导线二中的电流I＝U/R，以及两块环形电磁铁产生的磁场强度B＝NI₀/Le，从而得到两块环形电磁铁的磁场对直导线一以及两根直导线二做的功W＝BILΦr；其中，U为电源的电压；R为电源与上环形金属导线、下环形金属导线、直导线一和两根直导线二形成的电路的总电阻；N为两块环形电磁铁上四个励磁线圈的匝数之和；I₀为励磁线圈中的励磁电流；Le为有效磁路长度，Le的取值为单个励磁线圈的长度除以单个励磁线圈的匝数所得值；L为直导线一和两根直导线二的总长。由于W全部转化成被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＝W/θ。

本发明与现有技术相比有以下有益结果：

1.本发明采用非接触式驱动与非接触式测量方式，有效隔离了驱动端与测量端对摩擦力矩测量结果的影响，也大大减少了零件间的摩擦损耗，既增强了的整个装置的稳定性，又延长了其使用寿命。

2.本发明通过电磁铁提供持续稳定的外加磁场，使轴承外部套筒转动，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，只要通过计数器记录光电检测装置的脉冲信号个数，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。

3.本发明针对不同型号的轴承，可以设计不同规格的测量装置，足以满足现今市场绝大多数企业的需求，有着极大的市场发展潜力。

4.由于是电磁驱动，对数据的细微变化较为敏感，有利于设备定时检修工作。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图。

图2为图1中A部分的局部放大图。

图3为本发明中套筒的一个侧视图。

图4为本发明中套筒的另一个侧视图。

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、2、3和4所示，测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置，包括固定底板7、固定底座8、卡盘9、光电检测装置1、环形电磁铁2、轴承内轴3-1、套筒4和光栅盘5。固定底板7固定在试验台上，固定底座8与固定底板7固定，卡盘9的座体固定在固定底座上；固定底座8上设有一体成型的两个导轨；两个导轨同轴设置，且分设在卡盘9两侧；套筒4外侧壁开设有上环形槽4-1、下环形槽4-2、竖直直线槽一4-3、竖直直线槽二4-4和电源安置槽4-5；上环形槽4-1和下环形槽4-2均水平设置；竖直直线槽一4-3的两端分别连通上环形槽4-1和下环形槽4-2，两个竖直直线槽二4-4的一端分别连通上环形槽4-1和下环形槽4-2，两个竖直直线槽二4-4的另一端均连通电源安置槽4-5；竖直直线槽一4-3和竖直直线槽二4-4所夹的圆心角呈180°；上环形槽4-1内固定设置有上环形金属导线6-1，下环形槽4-2内固定设置有下环形金属导线6-2；直导线一6-3固定设置在竖直直线槽一4-3内，且直导线一6-3的两端分别连接上环形金属导线6-1和下环形金属导线6-2；两个竖直直线槽二4-4内各固定设置一根直导线二6-4，两根直导线二6-4的一端分别连接上环形金属导线6-1和下环形金属导线6-2，另一端分别连接电源两极；电源固定设置在电源安置槽4-5内。轴承内轴3-1轴径以及套筒4内径均有多种尺寸规格，测量时，轴承内轴3-1固定在卡盘9上；不同内径尺寸规格的套筒4的外径也各不相同，每个尺寸规格的套筒4外固定一个内径等于该套筒4外径的光栅盘5；卡盘9侧部设有光电检测装置1和两块环形电磁铁2；两块环形电磁铁2关于卡盘9对称设置；光电检测装置的信号输出端连接计数器，本实施例的光电检测装置1采用光电编码器；两块环形电磁铁2底部与两个导轨分别构成滑动副，且均与固定底板7通过螺钉固定连接；每块环形电磁铁2上缠绕有两个励磁线圈；两块环形电磁铁2上的四个励磁线圈沿周向均布；两块环形电磁铁2尺寸相同，且均有多种尺寸规格，测量时，环形电磁铁2的尺寸选取规则如下：两块环形电磁铁2内壁所在圆周与套筒同轴设置时，环形磁铁2与该套筒上光栅盘5的径向间距小于5mm。

该测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置的测量方法，具体如下：

步骤一、根据待测轴承的外圈3-2选取套筒4内径尺寸，根据待测轴承的内圈选取轴承内轴3-1轴径尺寸，然后将待测轴承的外圈3-2与套筒4内壁过盈配合，将待测轴承的内圈与轴承内轴3-1过盈配合；接着，通过卡盘9锁紧轴承内轴3-1。

步骤二、根据环形电磁铁2的尺寸选取规则选取尺寸相同的两块环形电磁铁2，在卡盘9两侧各放置一块环形电磁铁2；然后，调整两块环形电磁铁2位置，使两块环形电磁铁2关于卡盘9对称且两块环形电磁铁2的内壁所在圆周与套筒同轴设置后，固定两块环形电磁铁2。

步骤三、测量直导线一6-3与轴承内轴3-1的中心距r，然后给两块环形电磁铁2上的四个励磁线圈同时通电；四个励磁线圈的励磁电流相等，通电时间均为t，t取值为1～2s；四个励磁线圈产生持续稳定的磁场，对垂直于磁感线方向的直导线一6-3和两根直导线二6-4产生力的作用，带动待测轴承的外圈3-2和套筒4同步转动。套筒4转动时光栅盘5随之转动，光栅盘5转动时产生电信号，光栅盘5每转过一个值为栅距角α(光栅盘5相邻的窄缝之间的夹角)的角位移，则光电检测装置1产生一个脉冲信号；两块环形电磁铁2上的四个励磁线圈同时断电时，磁场消失，计数器记录脉冲信号个数n₁，从而计算得到待测轴承转过的Φ＝n₁α；套筒4停止转动时，计数器记录脉冲信号个数n₂，从而计算得到待测轴承转过的θ＝n₂α。

步骤四、计算直导线一6-3以及两根直导线二6-4中的电流I＝U/R，以及两块环形电磁铁产生的磁场强度B＝NI₀/Le，从而得到两块环形电磁铁2的磁场对直导线一6-3以及两根直导线二6-4做的功W＝BILΦr；其中，U为电源的电压；R为电源与上环形金属导线6-1、下环形金属导线6-2、直导线一6-3和两根直导线二6-4形成的电路的总电阻；N为两块环形电磁铁2上四个励磁线圈的匝数之和；I₀为励磁线圈中的励磁电流；Le为有效磁路长度，Le的取值为单个励磁线圈的长度除以单个励磁线圈的匝数所得值；L为直导线一6-3和两根直导线二6-4的总长。由于W全部转化成被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＝W/θ。

Claims (3)

1.测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置，包括固定底板、固定底座、卡盘、轴承内轴和套筒，其特征在于：还包括光电检测装置、环形电磁铁和光栅盘；所述的固定底板固定在试验台上，固定底座与固定底板固定，卡盘的座体固定在固定底座上；固定底座上设有一体成型的两个导轨；两个导轨同轴设置，且分设在卡盘两侧；所述套筒的外侧壁开设有上环形槽、下环形槽、竖直直线槽一、竖直直线槽二和电源安置槽；上环形槽和下环形槽均水平设置；竖直直线槽一的两端分别连通上环形槽和下环形槽，两个竖直直线槽二的一端分别连通上环形槽和下环形槽，两个竖直直线槽二的另一端均连通电源安置槽；竖直直线槽一和竖直直线槽二所夹的圆心角呈180°；上环形槽内固定设置有上环形金属导线，下环形槽内固定设置有下环形金属导线；直导线一固定设置在竖直直线槽一内，且直导线一的两端分别连接上环形金属导线和下环形金属导线；两个竖直直线槽二内各固定设置一根直导线二，两根直导线二的一端分别连接上环形金属导线和下环形金属导线，另一端分别连接电源两极；所述的电源固定设置在电源安置槽内；轴承内轴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；所述卡盘的侧部设有光电检测装置和两块环形电磁铁；光电检测装置的信号输出端连接计数器；两块环形电磁铁关于卡盘对称设置；两块环形电磁铁底部与两个导轨分别构成滑动副，且均与固定底板通过螺钉固定连接；每块环形电磁铁上缠绕有两个励磁线圈；两块环形电磁铁上的四个励磁线圈沿周向均布；两块环形电磁铁尺寸相同，且均有多种尺寸规格；环形电磁铁的尺寸选取规则如下：两块环形电磁铁内壁所在圆周与套筒同轴设置时，环形磁铁与该套筒上光栅盘的径向间距小于5mm。

2.根据权利要求1所述的测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置，其特征在于：所述的光电检测装置采用光电编码器。

3.根据权利要求1或2所述测量滚动轴承摩擦力矩的电磁驱动装置的测量方法，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承内轴轴径尺寸，然后将待测轴承的外圈与套筒内壁过盈配合，将待测轴承的内圈与轴承内轴过盈配合；接着，通过卡盘锁紧轴承内轴；

步骤二、根据环形电磁铁的尺寸选取规则选取尺寸相同的两块环形电磁铁，在卡盘两侧各放置一块环形电磁铁；然后，调整两块环形电磁铁位置，使两块环形电磁铁关于卡盘对称且两块环形电磁铁的内壁所在圆周与套筒同轴设置后，固定两块环形电磁铁；

步骤三、测量直导线一与轴承内轴的中心距r，然后给两块环形电磁铁上的四个励磁线圈同时通电；四个励磁线圈的励磁电流相等，通电时间均为t，t取值为1～2s；四个励磁线圈产生的磁场，对垂直于磁感线方向的直导线一和两根直导线二产生力的作用，带动待测轴承的外圈和套筒同步转动；套筒转动时光栅盘随之转动，光栅盘转动时产生电信号，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；两块环形电磁铁上的四个励磁线圈同时断电时，磁场消失，计数器记录脉冲信号个数n₁，从而计算得到待测轴承转过的Φ＝n₁α；套筒停止转动时，计数器记录脉冲信号个数n₂，从而计算得到待测轴承转过的θ＝n₂α；

步骤四、计算直导线一以及两根直导线二中的电流I＝U/R，以及两块环形电磁铁产生的磁场强度B＝NI₀/Le，从而得到两块环形电磁铁的磁场对直导线一以及两根直导线二做的功W＝BILΦr；其中，U为电源的电压；R为电源与上环形金属导线、下环形金属导线、直导线一和两根直导线二形成的电路的总电阻；N为两块环形电磁铁上四个励磁线圈的匝数之和；I₀为励磁线圈中的励磁电流；Le为有效磁路长度，Le的取值为单个励磁线圈的长度除以单个励磁线圈的匝数所得值；L为直导线一和两根直导线二的总长；由于W全部转化成被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＝W/θ。