CN111947925B - 一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法。本发明的目的是解决现有技术存在对于摩擦力矩极其微小的滚动测试误差极大，同一点的测试稳定性较差，且难以实现滚动轴承上均匀分布多点的摩擦力矩测试的技术问题，提供一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法。该装置的动力组件的电机安装于机架上；主动轮安装于电机上；测试组件的从动轮直径大于主动轮的直径；从动轮安装于机架上且与主动轮啮合；刻度罗盘直径大于固定环直径；刻度罗盘平行设置于从动轮前方且固定于机架上；刻度罗盘上设有多条刻度线和多个固定环定位孔；固定环上也设有刻度线；固定环上开设有径向通孔和轴向通孔。该方法利用该装置进行。

Description

一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦力矩测试装置及方法，具体涉及一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法。

背景技术

滚动轴承被广泛应用于各类机械传动机构，特别是航空、航天等领域中。其中，滚动轴承摩擦力矩测试一直是精密仪器测量的关键技术之一，特别是微小型特种轴承，要求准确测量滚动轴承圆周方向上均布的8个点的摩擦力矩值，对摩擦力矩测试装置的分辨率和稳定性要求很高。

现有滚动轴承摩擦力矩测试系统对于摩擦力矩极其微小的滚动测试，存在极大的测试误差，有时甚至难以测试，这主要是由于测试系统本身的阻尼较大，会给测试带来额外的误差，同时系统不稳定，使得同一点的测试稳定性较差，并且大部分测试系统难以实现滚动轴承上均匀分布多点的摩擦力矩测试，最终导致测试效果与预期的测试要求相去甚远。

发明内容

本发明的目的是解决现有滚动轴承摩擦力矩测试系统存在对于摩擦力矩极其微小的滚动测试误差极大，甚至难以测试，系统不稳定，同一点的测试稳定性较差，且难以实现滚动轴承上均匀分布多点的摩擦力矩测试，最终导致测试效果与预期测试要求相去甚远的技术问题，提供一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

本发明提供一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特殊之处在于：包括机架、操作显示面板、动力组件和测试组件；

所述操作显示面板设置于机架上；

所述操作显示面板上设有相互电连接的总开关和显示屏；

所述动力组件包括电机和主动轮；

所述电机安装于机架上，且与总开关和显示屏分别电连接；

所述主动轮安装于电机的输出轴上；

所述测试组件包括从动轮、刻度罗盘、固定环和N个定位螺钉；

所述从动轮的直径大于主动轮的直径；

所述从动轮通过定位轴安装于机架上，且与主动轮相啮合；

所述刻度罗盘的直径大于固定环的直径；

所述刻度罗盘的中心套设于所述定位轴上，且平行设置于从动轮前方，固定于机架上；

所述刻度罗盘上均匀设置有多条第一径向刻度线，每条第一径向刻度线上设有一个固定环定位孔；

所述固定环上设有第二径向刻度线；

所述固定环上开设有N个径向通孔，N个径向通孔沿固定环周向均布；

所述N个定位螺钉与N个径向通孔相匹配，定位螺钉安装在径向通孔内；

所述定位螺钉的前端设有压电陶瓷段，压电陶瓷段与显示屏电连接；

所述固定环上还开设有轴向通孔，轴向通孔与刻度罗盘上的固定环定位孔的径向位置对应；

所述N≥3。

进一步地，所述定位螺钉可以仅仅是一根带螺纹的顶杆，螺纹顶杆与径向通孔螺纹连接；也可以包含螺纹顶杆和基座，基座通过紧配合或者螺纹连接固定安装在所述径向通孔内，螺纹顶杆与基座螺纹连接；为了提高滚动轴承在测试之前的机械定位精度，所述定位螺钉还可以包括调整螺帽、基座、顶杆和弹簧；

所述调整螺帽与基座螺纹连接；

所述基座固定安装在所述径向通孔内；

所述顶杆包括依次固连的顶杆本体、所述压电陶瓷段和球头；

所述顶杆的球头从基座底部的通孔穿出，顶杆本体末端的凸缘位于基座的腔体内；

所述压电陶瓷段与所述显示屏电连接；

所述弹簧设置于基座的腔体内，且其两端分别接触调整螺帽和顶杆本体。

进一步地，所述弹簧的弹簧系数为5-20mm/N。

进一步地，为了达到更好的压力可调效果，所述弹簧的弹簧系数为10mm/N。

进一步地，为了实现滚动轴承上8个点(即测试位置)的摩擦力矩值测试，所述第一径向刻度线有8条。

进一步地，所述第二径向刻度线有4条。

进一步地，为了实现滚动轴承在径向平面内的精确定位，所述N等于4。

进一步地，为了保证从动轮与刻度罗盘平面相平行，所述固定环上的轴向通孔有两个。

本发明还提供一种利用上述高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置进行滚动轴承摩擦力矩测试的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)打开总开关，从显示屏处查看此时的电机转矩；

2)将滚动轴承的内圈预固定在定位轴上；

3)将固定环套设在滚动轴承上；

4)将N个定位螺钉分别安装于固定环上的N个径向通孔内；

5)用N个定位螺钉的头部将滚动轴承的外圈顶紧，直到从显示屏处看到N个定位螺钉的头部对轴承外圈施加的挤压力大小均相等，然后将滚动轴承的内圈在定位轴上进行紧固；

6)待电机转速稳定后，从显示屏处查看此时电机的转矩，然后根据以下公式计算得到滚动轴承的摩擦力矩

T₃＝r·(T₂-T₁)/R

其中，

T₁为未安装滚动轴承时的电机转矩，单位为mN·m；

T₂为安装滚动轴承后的电机转矩，单位为mN·m；

R为从动轮半径，单位为m；

r为主动轮半径，单位为m；

7)转动固定环，使固定环的刻度线与刻度罗盘上的一条刻度线对齐，用销钉先后穿过固定环上的轴向通孔和刻度罗盘上的固定环定位孔，计算滚动轴承在该测试位置处的摩擦力矩；

8)重复步骤7)的操作，遍历滚动轴承上的全部测试位置，最终得到滚动轴承全部测试位置处的摩擦力矩。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法，利用小尺寸的主动轮带动大尺寸的从动轮，进而带动滚动轴承的轴承内圈转动，实现了轴承内圈与电机输出轴同步转动，即通过小尺寸的主动轮带动大尺寸的从动轮转动的齿轮变速方式，将滚动轴承的摩擦力矩放大，并利用多个定位螺钉将固定环固定安装于滚动轴承的轴承外圈上，使得固定环随轴承外圈同步转动，结合尺寸大于固定环的刻度罗盘，实现了刻度位置的放大，进而实现了滚动轴承多个测试位置的均匀分布，避免了因轴承外圈尺寸过小和刻度线过短带来的误差。在定位螺钉上还增设了压电陶瓷段，将定位螺钉对轴承外圈的挤压力可视化，进一步方便了滚动轴承的定位，提高了定位精度。即本发明通过分级放大的原理将微小的摩擦放大，从而提高了滚动轴承摩擦力矩测试的分辨率与精度。

2、本发明提供的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置及方法，通过设置带有球头和弹簧的定位螺钉，优化了轴承外圈的固定方式，球头的应用，使得定位螺钉头部与轴承外圈实现了球面接触，减少了顶杆与轴承外圈的摩擦，弹簧的设置，增加了定位螺钉的柔性，即通过压力可调的方式，提高了滚动轴承在测试之前的机械定位精度。

3、本发明提供的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试方法，通过空载与负载的摩擦力矩差，间接测试出了滚动轴承的摩擦力矩，消除了装置摩擦力矩带来的误差，测试方法简单，易于操作，同时提高了滚动轴承摩擦力矩的测试精度。

附图说明

图1为本发明高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置安装滚动轴承后的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置安装滚动轴承后的齿轮传动部分结构示意图；

图4为本发明高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置的刻度罗盘结构示意图；

图5为本发明高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置的固定环结构示意图；

图6为本发明高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置的定位螺钉结构示意图；

图7为本发明高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置的定位螺钉和固定环与滚动轴承装配后的结构示意图；

附图标记说明：

1-机架；

2-操作显示面板、21-总开关、22-显示屏；

3-动力组件、31-电机、32-主动轮；

4-测试组件、41-从动轮、42-刻度罗盘、421-第一径向刻度线、422-固定环定位孔、43-固定环、431-第二径向刻度线、432-径向通孔、433-轴向通孔、44-定位螺钉、441-调整螺帽、442-基座、4421-通孔、443-顶杆、4431-顶杆本体、44311-凸缘、4432-球头、4433-压电陶瓷段、444-弹簧、45-定位轴、46-接触点；

5-滚动轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

本发明提供的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，将主动轮32、从动轮41、刻度罗盘42的尺寸依次增大，通过分级放大的原理将微小的摩擦放大，以便提高测试的分辨率与精度，并且刻度罗盘42的应用还可以实现多个测试位置的均匀分布。如图1至图7所示，该测试装置包括机架1、操作显示面板2、动力组件3和测试组件4；所述操作显示面板2设置于机架1上；所述操作显示面板2上设有相互电连接的总开关21和显示屏22；所述动力组件3包括电机31和主动轮32；所述电机31安装于机架1上，且与总开关21和显示屏22分别电连接；所述主动轮32安装于电机31的输出轴上；所述测试组件4包括从动轮41、刻度罗盘42、固定环43和4个定位螺钉44；所述从动轮41的直径大于主动轮32的直径；所述从动轮41通过定位轴45安装于机架1上，且与主动轮32相啮合，通过齿轮变速的方式将摩擦力矩放大，以提高摩擦力矩测试的精度；所述刻度罗盘42的直径大于固定环43的直径；所述刻度罗盘42的中心套设于所述定位轴45上，刻度罗盘42边缘径向位置相对的两个位置上设置有连接耳，通过连接耳可以将刻度罗盘4固定于机架1上，刻度罗盘42平行设置于从动轮41前方；所述刻度罗盘42上均匀设置有8条第一径向刻度线421，通过罗盘实现固定环43刻度位置的放大；每条第一径向刻度线421上设有一个固定环定位孔422；所述固定环43上设有4条第二径向刻度线431，同时还开设有4个径向通孔432，4个径向通孔432沿固定环43周向均布；所述4个定位螺钉44与4个径向通孔432相匹配，定位螺钉44安装在径向通孔432内，所述定位螺钉44的前端设有压电陶瓷段4433，压电陶瓷段4433与显示屏22电连接；所述固定环43上还开设有两个轴向通孔433，轴向通孔433与刻度罗盘42上的固定环定位孔422径向位置对应；所述N＝4，当然也可以是大于等于3的某一数字。

所述定位螺钉44包括调整螺帽441、基座442、顶杆443和弹簧444；所述调整螺帽441与基座442螺纹连接；所述基座442固定安装在所述径向通孔432内，可以是紧配合，也可以采用螺纹连接；所述顶杆443包括依次固连的顶杆本体4431、所述压电陶瓷段4433和球头4432，通过球面接触减少顶杆443与轴承外圈的摩擦，接触点46处为球面接触方式；所述顶杆443的球头4432从基座442底部的通孔4421穿出，顶杆本体4431末端的凸缘44311位于基座442的腔体内；所述压电陶瓷段4433与所述显示屏22电连接；所述弹簧444设置于基座442的腔体内，且其两端分别接触调整螺帽441和顶杆本体4431，弹簧444的弹簧系数为10mm/N，当然也可以在5-20mm/N范围内进行选择，刚度合适，可增大调节范围，提高压力调整时的灵敏度。即通过优化滚动轴承5外圈的固定方式，包含球面接触以及柔性的压力可调等方式，提升滚动轴承5测试之前，滚动轴承5与从动轮41以及刻度罗盘42的机械定位精度；所述顶杆443的顶杆本体4431和球头4432之间还设有压电陶瓷段4433；所述压电陶瓷段4433与显示屏22电连接。

本发明还提供一种利用上述高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置进行滚动轴承摩擦力矩测试的方法，通过电机31在空载与负载下的摩擦力矩测试差，得到了滚动轴承5的摩擦力矩，从而消除系统摩擦力矩带来的误差。具体包括以下步骤：

1)打开总开关21，从显示屏22处查看未安装滚动轴承5(空载)时的电机31转矩；

2)将滚动轴承5的内圈预固定在定位轴45上；

3)将固定环43套设在滚动轴承5上；

4)将4个定位螺钉44分别安装于固定环43上的4个所述径向通孔432内；

5)用4个定位螺钉44的头部将滚动轴承5的外圈顶紧，直到从显示屏22处看到4个定位螺钉44的头部对轴承外圈施加的挤压力大小均相等，使得轴承外圈可与固定环43同步转动，然后将定位轴45上滚动轴承5的内圈紧固，这样可以减少偏心带来的转动测试误差；

6)待电机31转速稳定后，从显示屏22处查看此时电机31转矩，然后根据以下公式计算得到滚动轴承5的摩擦力矩

T₃＝r·(T₂-T₁)/R

其中，

T₁为未安装滚动轴承5时的电机31转矩，单位为mN·m；

T₂为安装滚动轴承5后的电机31转矩，单位为mN·m；

R为从动轮41半径，单位为m；

r为主动轮32半径，单位为m；

7)转动固定环43，使固定环43的刻度线与刻度罗盘42上8条刻度线中的一条对齐，用销钉先后穿过固定环43上的轴向通孔433和刻度罗盘42上的固定环定位孔422，计算滚动轴承5在该测试位置处的摩擦力矩；

8)重复步骤7)的操作，遍历滚动轴承5上的8测试位置，最终得到滚动轴承5上8个测试位置处的摩擦力矩。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：包括机架(1)、操作显示面板(2)、动力组件(3)和测试组件(4)；

所述操作显示面板(2)设置于机架(1)上；

所述操作显示面板(2)上设有相互电连接的总开关(21)和显示屏(22)；

所述动力组件(3)包括电机(31)和主动轮(32)；

所述电机(31)安装于机架(1)上，且与总开关(21)和显示屏(22)分别电连接；

所述主动轮(32)安装于电机(31)的输出轴上；

所述测试组件(4)包括从动轮(41)、刻度罗盘(42)、固定环(43)和N个定位螺钉(44)；

所述从动轮(41)的直径大于主动轮(32)的直径；

所述从动轮(41)通过定位轴(45)安装于机架(1)上，且与主动轮(32)相啮合；

所述刻度罗盘(42)的直径大于固定环(43)的直径；

所述刻度罗盘(42)的中心套设于所述定位轴(45)上，且平行设置于从动轮(41)前方，固定于机架(1)上；

所述刻度罗盘(42)上均匀设置有多条第一径向刻度线(421)，每条第一径向刻度线(421)上设有一个固定环定位孔(422)；

所述固定环(43)上设有第二径向刻度线(431)；

所述固定环(43)上开设有N个径向通孔(432)，N个径向通孔(432)沿固定环(43)周向均布；

所述N个定位螺钉(44)与N个径向通孔(432)相匹配，定位螺钉(44)安装在径向通孔(432)内；

所述定位螺钉(44)的前端设有压电陶瓷段(4433)，压电陶瓷段(4433)与显示屏(22)电连接；

所述固定环(43)上还开设有轴向通孔(433)，轴向通孔(433)与刻度罗盘(42)上的固定环定位孔(422)的径向位置对应；

所述N≥3。

2.根据权利要求1所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述定位螺钉(44)包括调整螺帽(441)、基座(442)、顶杆(443)和弹簧(444)；

所述调整螺帽(441)与基座(442)螺纹连接；

所述基座(442)固定安装在所述径向通孔(432)内；

所述顶杆(443)包括依次固连的顶杆本体(4431)、所述压电陶瓷段(4433)和球头(4432)；

所述顶杆(443)的球头(4432)从基座(442)底部的通孔(4421)穿出，顶杆本体(4431)末端的凸缘(44311)位于基座(442)的腔体内；

所述压电陶瓷段(4433)与所述显示屏(22)电连接；

所述弹簧(444)设置于基座(442)的腔体内，且其两端分别接触调整螺帽(441)和顶杆本体(4431)。

3.根据权利要求2所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述弹簧(444)的弹簧系数为5-20mm/N。

4.根据权利要求3所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述弹簧(444)的弹簧系数为10mm/N。

5.根据权利要求1所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述第一径向刻度线(421)有8条。

6.根据权利要求5所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述第二径向刻度线(431)有4条。

7.根据权利要求6所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述N等于4。

8.根据权利要求1所述的高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于：所述固定环(43)上的轴向通孔(433)有两个。

9.一种利用权利要求1至8任一所述高精度的滚动轴承摩擦力矩测试装置进行滚动轴承摩擦力矩测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)打开总开关(21)，从显示屏(22)处查看此时的电机(31)转矩；

2)将滚动轴承(5)的内圈预固定在定位轴(45)上；

3)将固定环(43)套设在滚动轴承(5)上；

4)将N个定位螺钉(44)分别安装于固定环(43)上的径向通孔(432)内；

5)用N个定位螺钉(44)的头部将滚动轴承(5)的外圈顶紧，直到从显示屏(22)处看到N个定位螺钉(44)的头部对轴承外圈施加的挤压力大小均相等，然后将滚动轴承(5)的内圈在定位轴(45)上进行紧固；

6)待电机(31)转速稳定后，从显示屏(22)处查看此时电机(31)的转矩，然后根据以下公式计算得到滚动轴承(5)的摩擦力矩

T₃＝r·(T₂-T₁)/R

其中，

T₁为未安装滚动轴承(5)时的电机(31)转矩，单位为mN·m；

T₂为安装滚动轴承(5)后的电机(31)转矩，单位为mN·m；

R为从动轮(41)半径，单位为m；

r为主动轮(32)半径，单位为m；

7)转动固定环(43)，使固定环(43)的刻度线与刻度罗盘(42)上的一条刻度线对齐，用销钉先后穿过固定环(43)上的轴向通孔(433)和刻度罗盘(42)上的固定环定位孔(422)，计算滚动轴承(5)在该测试位置处的摩擦力矩；

8)重复步骤7)的操作，遍历滚动轴承(5)上的全部测试位置，最终得到滚动轴承(5)全部测试位置处的摩擦力矩。

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