CN111595580A - 一种向心关节轴承摩擦性能测试系统 - Google Patents

Abstract

一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，该系统包括驱动系统、加载装置和信息采集与数据处理系统。本发明通过在驱动系统中设计特殊结构的转动臂，无需引入复杂的传动机构和零部件，即可满足传动轴的转动和摆动自由度，对摆动机构形式进行简化；同时通过设计专门的加载台，能够实现对传动轴直接施加径向载荷，可实现径向载荷的准确加载。采用可拆卸的连接套筒连接试验机用的轴件，可以根据试验需要进行更换。简化了轴承的摆动机构，扩大了试验机的测试范围。本发明的技术方案贴近真实工况，具有测试精度高，很强的可维护性和使用灵活性等特点。

Description

一种向心关节轴承摩擦性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，属于摩擦性能测试技术领域。

背景技术

向心关节轴承具有承载能力大、抗冲击、抗腐蚀、耐磨损、自调心、润滑好等特点，有助于提高运动构件的灵活性，广泛地应用在工程机械中。向心关节轴承内外圈摩擦副的摩擦性能对运动构件的传动效率有十分重要的影响。测量向心关节轴承在服役工况下的摩擦性能，是提高运动构件传动效率、改进机构形式的重要依据。

向心关节轴承在服役时一般会同时做旋转和摆动运动，为了实现这一复合运动，往往需要引入较为复杂或特殊的摆动机构，从而对与轴承相连的传动轴的摆动角度进行调节，这就为轴承摩擦测试机构的设计带来不便。

专利文献CN109752184A公开了一种高速摆动轴承疲劳寿命试验装置。其采用飞轮与驱动电机直连，通过飞轮转动产生的离心力带动试验轴承做往复旋转摆动。该装置在转速较快时会带来一定的危险性，限制了试验装置的使用范围。专利文献CN201397277公开了一种关节轴承摩擦磨损试验的摆动装置。其采用曲柄-滑块-导杆机构作为摆动装置，通过调整偏心销与圆盘旋转中心的距离控制摆动装置的摆角范围，结构复杂，且需要一个圆盘来固定滑块位置，摆角范围受到圆盘尺寸的限制。

另一方面，向心关节轴承在工作时还需要承受来自传动轴的径向载荷。因此，为了使试验符合真实情况，传动轴在起到传动作用的同时，还需要能够传递径向载荷。现有的关节轴承摩擦性能测试装置一般都是通过轴承外圈夹具对轴承施加载荷，与关节轴承的真实服役情况不符。

专利CN203231893U公开了一种复合摆动式关节轴承寿命试验机。其采用液压加载机构通过专门的加载夹具和轴承夹具对待测关节轴承施加载荷，传动轴不具有传递径向载荷的功能，与实际工况存在差异。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种向心关节轴承摩擦性能测试系统及，一方面对摆动装置机构形式进行简化，从而扩大试验机的测试范围；另一方面，通过传动轴向关节轴承传递载荷，使径向载荷的施加更贴近真实工况。在此基础上，连续测量不同主轴摆角、不同径向载荷、不同摆动频率下关节轴承内外圈间的摩擦扭矩和摩擦系数，并自动记录摩擦扭矩、摩擦系数等试验结果。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，该系统包括驱动系统、加载装置和信息采集与数据处理系统，其特征在于：所述的驱动装置包括两相调速电机、减速箱、转动臂、主轴和传动轴；所述转动臂包括连杆、螺杆螺母调节机构和平衡砝码；螺杆螺母调节机构和平衡砝码分别安装在连杆的两端，连杆的中部与减速箱的输出轴相连；所述螺杆螺母调节机构通过转动副与主轴相连；所述的加载装置包括加载台、蜗杆、传动箱、待测轴承和加载手轮；加载手轮通过传动箱、蜗杆和加载台与传动轴连接，该传动轴分别与所述的主轴和待测轴承的内圈同轴相连。

所述信息采集与数据处理系统包括拉力传感器、准静态电阻应变仪、转速传感器和含有控制和计算软件的计算机；所述的拉力传感器、准静态电阻应变仪和转速传感器分别通过导线与计算机相连。

本发明的另一技术特征在于：所述加载台含有第一转动环和第二转动环；第一转动环两侧通过转动轴和第一滚动轴承安装在第二转动环上；所述的第二转动环通过第二滚动轴承安装在蜗杆的顶部；所述的传动轴穿过第一转动环两侧并通过第三滚动轴承与第一转动环连接；第一、第二和第三滚动轴承的中心轴线均通过待测轴承的球心。

本发明的又一技术特征在于：在所述的转动臂与所述的主轴之间安装有可拆卸的第一连接套筒；在主轴与传动轴之间安装有可拆卸的第二连接套筒。

上述技术方案中，所述的转速传感器安装在减速箱的输出轴上；所述的拉力传感器安装在蜗杆上，所述的准静态电阻应变仪固定在转动臂上的连杆外周。

优选地，所述主轴上粘贴有应变片，应变片通过导线与准静态电阻应变仪相连。

本发明与现有关节轴承摩擦性能测试装置相比，具有以下优点及突出性效果：①由于采用了螺杆螺母调节机构，无需引入复杂的传动机构和零部件，从而大大简化了轴承的摆动机构，扩大了试验机的测试范围；②实现了传动轴传递径向载荷的功能，贴近真实工况：通过设计专门的加载台，一方面利用多个滚动轴承连接传动轴和加载台的两个转动环，满足了传动轴的转动和摆动自由度，另一方面能够对传动轴直接施加径向载荷，进而将径向载荷传递到轴承内圈，实现了径向载荷的准确加载，从而更加贴近真实运行工况；③测试精度高，具有很强的可维护性和使用灵活性：采用可拆卸的连接套筒连接试验机用的轴件，可以根据试验需要进行更换。

附图说明

图1是本发明提供的向心关节轴承摩擦性能测试系统原理结构示意图。

图2是本发明的向心关节轴承摩擦性能测试系统整体结构示意图。

图3是转动臂的立体结构示意图。

图4是转动臂的结构原理剖视图。

图5是本发明的加载台及加载装置的立体结构示意图。

图6是加载台的结构原理示意图。

图7是摆动角度调节原理示意图。

图中：1-两相调速电机；2-减速箱；3-转动臂；4-第一连接套筒；5-主轴；6-第二连接套筒；7-传动轴；8-待测轴承；9-轴承座；10-机架；11-加载台；12-蜗杆；13-传动箱；14-加载手轮；15-拉力传感器；16-准静态电阻应变仪；17-转速传感器；18-计算；19-连杆；20-螺杆螺母调节机构；21-平衡砝码；22-转动副；23-滚珠花键轴；24-第一转动环；25-第二转动环；26-转动轴；27–第一滚动轴承；28-第二滚动轴承；29-第三滚动轴承。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的具体结构、工作原理和工作过程做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，该系统包括驱动系统、加载装置和信息采集与数据理系统；所述的驱动装置包括两相调速电机1、减速箱2、转动臂3、主轴5和传动轴7。两相调速电机1的输出轴与减速箱2连接，减速箱2的输出轴上安装有转动臂3，转动臂3经由第一连接套筒4与主轴5相连，主轴5再经由第二连接套筒6与传动轴7相连，传动轴7与待测轴承8的内圈同轴相连。

所述的加载装置包括加载台11、蜗杆12、传动箱13、待测轴承8和加载手轮14；待测轴承8的外圈与轴承座9固连，轴承座9固定在机架10的上部横梁上。加载台11与蜗杆12相连；传动箱13的侧面与加载手轮14相连，传动箱与蜗杆12连接，传动箱13的底部放置在机架10的底座上；蜗杆12上安装有拉力传感器15；加载手轮14通过传动箱13、蜗杆12和加载台11与传动轴7连接，该传动轴7分别与所述的主轴5和待测轴承8的内圈同轴相连。

所述信息采集与数据处理系统包括拉力传感器15、准静态电阻应变仪16、转速传感器17和含有控制和计算软件的计算机18；所述的减速箱2、拉力传感器15、准静态电阻应变仪16和转速传感器17分别通过导线与计算机18相连；所述的转速传感器17安装在减速箱2的输出轴上；所述的拉力传感器15安装在蜗杆12上，所述准静态电阻应变仪16固定在转动臂3上的连杆19外周。在主轴5上粘贴有应变片，应变片通过导线与准静态电阻应变仪16相连。

参见图3和图4，本发明所述的转动臂3包括连杆19、螺杆螺母调节机构20和平衡砝码21；连杆9的一端安装有螺杆螺母调节机构20，另一端安装有平衡砝码21，以平衡摆动过程产生的离心力，连杆19的中部开有轴孔，与减速箱2的输出轴相连。所述螺杆螺母调节机构20通过转动副22与主轴5相连。

为了便于更换和维护方便，在所述的转动臂3与所述的主轴5之间安装有可拆卸的第一连接套筒4；在主轴5与传动轴7之间安装有可拆卸的第二连接套筒6。所述螺杆螺母调节机构20通过转动副22与主轴5相连。螺杆螺母调节机构20通过转动副22和滚珠花键轴23与第一连接套筒4相连，可以避免主轴5由于制造或安装误差而产生的运动干涉，同时实现扭矩传递。通过调节螺杆螺母调节机构20的旋进量，可以改变第一连接套筒4和主轴5的摆角，进而改变传动轴7和与传动轴7同轴相连的待测轴承8内圈的摆角。

如图5、图6所示，所述加载台11含有第一转动环24和第二转动环25；第一转动环24两侧通过转动轴26和第一滚动轴承27安装在第二转动环25上；第二转动环25通过第二滚动轴承28安装在蜗杆12的顶部；所述的传动轴7穿过第一转动环24两侧并通过第三滚动轴承29与第一转动环24连接；第一、第二和第三滚动轴承的中心轴线均通过待测轴承8的球心。该结构可以满足传动轴7的所有转动自由度，并可通过加载台11对传动轴7加载，进而对待测轴承8进行加载。

所述蜗杆12与拉力传感器15之间可安装柔性拉力轴，防止因制造误差引起载荷扰动。所述加载手轮14通过手动转动至设定位置并保持，控制加载载荷，加载位置和载荷方向在测试过程中不发生变化，降低载荷扰动。

本发明的工作原理和工作过程如下：

1)安装试验件：预先将待测轴承8与传动轴7装配好，然后将待测轴承8固定到轴承座9内，将传动轴7通过第三滚动轴承29安装在加载台11上，通过第二连接套筒6连接传动轴7与主轴5；

2)设定主轴摆角：如图7所示，根据所需的主轴5的摆角α和主轴5的长度L，计算螺杆螺母调节机构20的旋进量，调节螺杆螺母调节机构20至相应位置，使主轴5与转动臂3相连的一端到待测轴承8中心轴线的距离d＝Lsinα，通过第一连接套筒4连接转动臂3与主轴5，在主轴5上粘贴应变片，并完成应变片与准静态电阻应变仪16之间的接线；

3)设定径向载荷：转动加载手轮14，使计算机18上拉力传感器15的读数达到设定的载荷值；

4)设定摆动频率：根据所需的摆动频率计算减速箱2的输出转速，通过计算机18的控制软件，设定减速箱2的输出转速；

5)测量并记录数据：启动两相调速电机1，开始测量，通过计算机18连续记录准静态电阻应变仪16和转速传感器17在测量过程中的读数，达到测试时长后，停止测量，关闭两相调速电机1；

6)实验数据处理和分析：根据步骤5)中测得的数据，按照下述公式，计算待测轴承8在给定主轴摆角、径向载荷和摆动频率下的摩擦扭矩T：

式中D是主轴5的直径，E和μ分别是主轴5的弹性模量和泊松比，

是准静态电阻应变仪16测得的电压相对变化，K是应变片灵敏系数。

按下式计算摩擦系数μ：

其中R是待测轴承8内圈半径，F_z是拉力传感器15测得的待测轴承8所受径向载荷。

Claims (5)

1.一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，该系统包括驱动系统、加载装置和信息采集与数据处理系统，其特征在于：所述的驱动装置包括两相调速电机(1)、减速箱(2)、转动臂(3)、主轴(5)和传动轴(7)；所述转动臂(3)包括连杆(19)、螺杆螺母调节机构(20)和平衡砝码(21)；螺杆螺母调节机构(20)和平衡砝码(21)分别安装在连杆(19)的两端，连杆的中部与减速箱(2)的输出轴相连；所述螺杆螺母调节机构(20)通过转动副(22)与主轴(5)相连；

所述的加载装置包括加载台(11)、蜗杆(12)、传动箱(13)、待测轴承(8)和加载手轮(14)；加载手轮(14)通过传动箱(13)、蜗杆(12)和加载台(11)与传动轴(7)连接，该传动轴(7)分别与所述的主轴(5)和待测轴承(8)的内圈同轴相连；

所述信息采集与数据处理系统包括拉力传感器(15)、准静态电阻应变仪(16)、转速传感器(17)和含有控制和计算软件的计算机(18)；所述的拉力传感器(15)、准静态电阻应变仪(16)和转速传感器(17)分别通过导线与计算机(18)相连。

2.如权利要求1所述的一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，其特征在于：所述加载台(11)含有第一转动环(24)和第二转动环(25)；第一转动环(24)两侧通过转动轴(26)和第一滚动轴承(27)安装在第二转动环(25)上；所述的第二转动环(25)通过第二滚动轴承(28)安装在蜗杆(12)的顶部；所述的传动轴(7)穿过第一转动环(24)两侧并通过第三滚动轴承(29)与第一转动环(24)连接；第一、第二和第三滚动轴承的中心轴线均通过待测轴承(8)的球心。

3.如权利要求1所述的一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，其特征在于：在所述的转动臂(3)与所述的主轴(5)之间安装有可拆卸的第一连接套筒(4)；在主轴(5)与传动轴(7)之间安装有可拆卸的第二套筒(6)。

4.如权利要求1所述的一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，其特征在于：所述的转速传感器(17)安装在减速箱(2)的输出轴上；所述的拉力传感器(15)安装在蜗杆(12)上，所述准静态电阻应变仪(16)固定在转动臂(3)的连杆(19)外周。

5.如权利要求4所述的一种向心关节轴承摩擦性能测试系统，其特征在于：所述主轴(5)上粘贴有应变片，应变片通过导线与准静态电阻应变仪(16)相连。

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