CN115452638B - 一种机械式线接触摩擦试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式线接触摩擦试验机，属于摩擦磨损试验领域。其包括：动力传递装置、载荷调节装置、摩擦扭矩测量装置。其中载荷调节装置可通过拧紧调整压力调整螺母来调节压力弹簧的受力，进而调整对试样施加的压力；动力传递装置在启动后，受到圆柱配重块的影响，行星架绕固定轴转动一定角度后处于平衡状态，此时摩擦扭矩测量装置上的移动滑块会沿滑块导轨移动一定距离，移动滑块上有标记线，通过对照标记线和标尺上的刻度即可读出摩擦扭矩数值。本发明的技术方案可适用于金属和非金属材料的线接触摩擦试验，机械式结构可产生高载荷以及模拟真实机械使用工况，具有操作简单，可靠性高的优点。

Description

一种机械式线接触摩擦试验机

技术领域

本发明涉及摩擦磨损试验领域，更具体的说，涉及一种机械式线接触摩擦试验机。

背景技术

在机械零部件运行过程中磨损是普遍存在的。在紧密连接的部件之间，由于机械的不断工作，零部件几何尺寸会逐渐变小，这就是零部件表面产生了磨损。随着现代高科技领域对于精度寿命可靠性的要求越来越高，同时工况条件愈发苛刻，零部件的磨损问题已经越来越不可忽视。

齿轮作为机械传动系统中应用最广泛的关键零部件之一，在传递扭矩、变速变向的动力承载中发挥着不可替代的作用，并广泛应用于机械装备、航空航天等工程领域；现代机械设备需要更高的安全系数和使用寿命，这对齿轮的摩擦学性能提出了更高的要求；研究齿轮的摩擦学性能有利于改善齿轮的传动性能，降低磨损功耗，减少维护成本；在研究齿轮摩擦学性能时现有研究大多从齿轮表面微观结构以及齿轮自身材料出发提高摩擦学性能，考虑到齿轮啮合时齿面接触应力较大，且齿轮啮合过程为线接触过程，需要设计一种可提供高载荷的摩擦试验机来模拟线接触摩擦磨损过程，以进行损伤机理及防护评价研究，考察材料的力学性能和失效规律。

专利CN107101902B公开了一种微动摩擦试验机，其由工作台、施力机构、上夹具机构、下夹具机构、振动机构、显示屏和三维传感器组成；该试验机结构简单，故障率低，易于制造，实现了压力的稳定施加和自动调节，实现了双向的常规振动与微振动的叠加复合振动模式，并能将微动摩擦实验的输入控制和输出结果的实时显示；但该试验机只能对微动磨损进行模拟试验，难以对齿轮等高载荷线接触磨损零部件进行试验。

专利CN103822837B公开了一种摩擦试验机，该摩擦试验机将盘状的定试件或定基准件安装在固定座上，将动试件或动基准件安装在活动座上，并通过驱动装置来驱动活动座沿直线或曲线轨迹移动，在摩擦磨损过程中，定试件或定基准件固定不动，而动试件或动基准件可在定试件或定基准件上移动，而动试件或动基准件本身并不做回转运动，无需导电滑环传送电信号，就能在动试件或动基准件和定试件或定基准件直接安装传感器，以达到测量相应物理量的目的，解决了现有技术中因摩擦盘一直转动所造成的摩擦磨损试验测量结果不准确的问题，但该摩擦试验机所提供的载荷有限，难以对齿轮等高载荷线接触磨损零部件进行试验。

专利CN111157442B公开了一种多模式摩擦磨损试验装置及方法，该装置将球试样/滚动试样夹持在夹具上，用平面试样夹具夹持平面试样；通过升降台控制平面试样上下移动，使球试样/滚动试样与平面试样接触；电机带动球试样/滚动试样以设定的参数进行上下往复运动，并对平面试样进行往复冲击/滑动/滚动试验、两模式复合试验、三模式复合试验。三维力传感器测出平面试样夹具所承受的力，分析得出摩擦系数-循环次数曲线。本发明能进行刚度可调节的冲击、滑动、滚动多模式摩擦磨损试验，操作单，节约试验成本，适用于复合摩擦的研究；但该装置所提供的载荷有限，也难以对齿轮等高载荷线接触磨损零部件进行试验。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械式线接触摩擦试验机，旨在解决现有技术中无法针对有大载荷需求的试样进行摩擦试验的问题，同时该试验机通过齿轮传动来真实模拟机械使用工况，这使得摩擦试验结果更真实有效。

本发明技术方案如下：

一种机械式线接触摩擦试验机的特点在于该试验台包括动力传递装置、载荷调节装置、摩擦扭矩测量装置；所述的动力传递装置由电机、主动力轴、主动齿轮、左双联齿轮、齿轮轴、右双联齿轮、内齿圈、内齿圈输出轴组成，电机的输出轴与主动力轴通过联轴器连接，主动力轴与主动齿轮通过键连接，主动齿轮与左双联齿轮外啮合，左双联齿轮和右双联齿轮通过键安装在齿轮轴两端，右双联齿轮与内齿圈内啮合，内齿圈和内齿圈输出轴固联。

进一步地，所述的载荷调节装置由上试样、下试样、压力调整螺母、压力弹簧、弹簧中心轴、上试样锁紧螺钉、上试样夹具、连接杆、上试样压杆、压力标尺组成，下试样中间设有轴孔，内齿圈输出轴的输出端设有两个轴肩，其直径较大的轴肩表面光滑并与下试样中间的轴孔配合，其最外端直径较小的轴肩表面设有螺纹并与下试样锁紧螺母配合，通过拧紧下试样锁紧螺母可将下试样锁紧固定在内齿圈输出轴上，上试样安装在上试样夹具中间的试样槽内，并通过上试样锁紧螺钉固定在上试样夹具上，上试样与下试样相切，上试样夹具与上试样压杆固联，连接杆与上试样压杆和弹簧中心轴固联，压力弹簧中间安装有弹簧中心轴，弹簧中心轴下端设有螺纹并与压力调整螺母连接，压力弹簧上端是机架，压力调整螺母旁边安装有压力标尺，压力调整螺母上设有标记线，通过对照压力调整螺母上的标记线和压力标尺上的刻度来调整压力调整螺母的位置，压力弹簧在受压缩后产生向下的弹力，并通过压力调整螺母、弹簧中心轴传递至连接杆，由于连接杆处于平衡状态，此时上试样压杆给连接杆一个向上的支持力，同时上试样压杆也通过上试样夹具给上试样一个向下的压力F_l，压力F_l的计算公式如下：

式中：F_l为上试样压杆通过上试样夹具给上试样的压力(上试样所受压力)，单位为N；k为压力弹簧的弹簧系数，单位为kg/mm；x为压力弹簧的压缩长度，单位为mm；l₁为点K到弹簧弹力kx作用线的垂直距离，mm；l₂为点K到上试样所受压力F_l作用线的垂直距离，mm。

式中l₁与l₂的比值设定为10，此时试样所受压力F_l为弹簧产生弹力kx的10倍，F_l＝10kx。

进一步地，所述的摩擦扭矩测量装置由齿轮轴、移动滑块、摩擦力矩标尺、滑块导轨、滑块轴、行星架、圆柱配重块、固定轴组成，移动滑块上端设有导轨轴孔并且下端设有滑槽，滑块导轨与移动滑块上端的导轨轴孔配合，滑块轴与移动滑块下端的滑槽配合，摩擦力矩标尺安装在移动滑块上方，移动滑块中间设有标记线，当移动滑块沿滑块导轨滑动时，通过对照标记线和摩擦力矩标尺上的刻度即可读出摩擦扭矩数值。行星架上端与滑块轴固联，行星架下端与圆柱配重块固联，行星架中间设置两个轴孔，自上而下分别与齿轮轴、固定轴配合，固定轴与试验台机架固联，调整压力调整螺母的位置使上试样所受压力达到设定值，然后开启动力传递装置，此时齿轮轴受齿轮啮合力的作用驱动行星架绕着固定轴转动，同时行星架受到圆柱配重块的平衡作用绕着固定轴转动一定角度后会处于平衡状态。

进一步地，所述的固定轴的轴心B与滑块轴9的轴心D的距离与固定轴的轴心B与圆柱配重块的轴心C的距离相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是该试验台采用机械式测力方法，可以在保证摩擦稳定性的同时产生高载荷，可适用于金属和非金属材料的线接触摩擦试验，对于研究不同材料在高载荷下的摩擦学性能具有重要意义，此外该试验机可以模拟真实机械使用环境，摩擦试验结果更真实有效，具有操作简单，可靠性高的优点。

附图说明

图1是本发明提供的较佳实施例的总体结构示意图。

图2是本发明提供的载荷调节装置结构示意图。

图3是本发明提供的摩擦扭矩测量装置示意图。

图4是本发明提供的摩擦扭矩测量原理图。

图中标号：1-电机、2-主动力轴、3-主动齿轮、4-左双联齿轮、5-齿轮轴、6-移动滑块、7-摩擦力矩标尺、8-滑块导轨、9-滑块轴、10-行星架、11-内齿圈、12-右双联齿轮、13-内齿圈输出轴、14-上试样、15-下试样、16-圆柱配重块、17-固定轴、18-压力调整螺母、19-压力弹簧、20-弹簧中心轴、21-上试样锁紧螺钉、22-上试样夹具、23-连接杆、24-上试样压杆、25-压力标尺。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例为本发明的一优选实施例，其提供的一种机械式线接触摩擦试验机，其包括动力传递装置、载荷调节装置、摩擦扭矩测量装置；所述的动力传递装置由电机1、主动力轴2、主动齿轮3、左双联齿轮4、齿轮轴5、右双联齿轮12、内齿圈11、内齿圈输出轴13组成，电机1的输出轴与主动力轴2通过联轴器连接，主动力轴2与主动齿轮3通过键连接，主动齿轮3与左双联齿轮4外啮合，左双联齿轮4和右双联齿轮12通过键安装在齿轮轴5两端，右双联齿轮12与内齿圈11内啮合，内齿圈11和内齿圈输出轴13固联。

如图2所示，所述的载荷调节装置由上试样14、下试样15、压力调整螺母18、压力弹簧19、弹簧中心轴20、上试样锁紧螺钉21、上试样夹具22、连接杆23、上试样压杆24、压力标尺25组成，下试样15中间设有轴孔，内齿圈输出轴13的输出端设有两个轴肩，其直径较大的轴肩表面光滑并与下试样15中间的轴孔配合，其最外端直径较小的轴肩表面设有螺纹并与下试样锁紧螺母配合，通过拧紧下试样锁紧螺母可将下试样15锁紧固定在内齿圈输出轴13上，上试样14安装在上试样夹具22中间的试样槽内，并通过上试样锁紧螺钉21固定在上试样夹具22上，上试样14与下试样15相切，上试样夹具22与上试样压杆24固联，连接杆23与上试样压杆24和弹簧中心轴20固联，压力弹簧19中间安装有弹簧中心轴20，弹簧中心轴20下端设有螺纹并与压力调整螺母18连接，压力弹簧19上端是机架，压力调整螺母18旁边安装有压力标尺25，压力调整螺母18上设有标记线，通过对照螺母18上标记线和压力标尺25上的刻度来调整压力调整螺母18的位置，压力弹簧19受压缩后产生向下的弹力，并通过压力调整螺母18、弹簧中心轴20传递至连接杆23，此时连接杆23处于平衡状态，上试样压杆24给连接杆23一个向上的支持力，同时上试样压杆24也通过上试样夹具22给上试样14一个向下的压力F_l，压力F_l的计算公式如下：

式中：F_l为上试样压杆24通过上试样夹具22给上试样14的压力(上试样14所受压力)，单位为N；k为压力弹簧19的弹簧系数，单位为kg/mm；x为压力弹簧19的压缩长度，单位为mm；l₁为点K到弹簧弹力kx作用线的垂直距离，mm；l₂为点K到试样所受压力F_l作用线的垂直距离，mm。

式中l₁与l₂的比值设定为10，此时上试样14所受压力F_l为弹簧产生弹力kx的10倍，F_l＝10kx。

如图3和图4所示，摩擦扭矩测量装置由齿轮轴5、移动滑块6、摩擦力矩标尺7、滑块导轨8、滑块轴9、行星架10、圆柱配重块16、固定轴17组成，移动滑块6上端设有导轨轴孔并且下端设有滑槽，滑块导轨8与移动滑块6上端的导轨轴孔配合，滑块轴9与移动滑块6下端的滑槽配合，摩擦力矩标尺7安装在移动滑块6上方，移动滑块6中间设有标记线，当移动滑块6沿滑块导轨8滑动时，通过对照标记线和摩擦力矩标尺7上的刻度即可读出摩擦扭矩数值。行星架10上端与滑块轴9固联，行星架10下端与圆柱配重块16固联，行星架10中间设置两个轴孔，自上而下分别与齿轮轴5、固定轴17配合，固定轴17与试验台机架固联。

工作时，首先调整压力调整螺母18的位置使上试样14所受压力达到设定值，此时下试样所受摩擦力矩M_x为：

M_x＝μF_lr₁₅

式中M_x为下试样所受摩擦力矩，单位为N·m；μ为下试样表面摩擦系数；r₁₅为下试样15的半径，单位为m。

由于内齿圈11和右双联齿轮12内啮合，此时右双联齿轮12的输出扭矩和内齿圈11的输入扭矩相等，而内齿圈11的输入扭矩又和下试样所受摩擦力矩相等，因而可得到内齿圈11给右双联齿轮12的啮合力F₁的计算公式：

式中F₁为内齿圈11给右双联齿轮12的啮合力，单位为N；r₁₁为内齿圈11的分度圆半径，单位为m。

随后开启动力传递装置，由于主动齿轮3和左双联齿轮4外啮合，内齿圈11和右双联齿轮12内啮合，此时主动齿轮3给左双联齿轮4一个啮合力F₂，内齿圈11给右双联齿轮12一个啮合力F₁，此时将啮合力F₁和啮合力F₂平移至齿轮轴5的轴心A点处，由于左双联齿轮4和右双联齿轮12为一对双联齿轮，此时左双联齿轮4的输入扭矩与右双联齿轮12的输出扭矩相等，此时A点处可得到如下方程：

式中F_∑为啮合力F₁和啮合力F₂平移至齿轮轴5的轴心A点处时的合力，单位为N；M_∑为啮合力F₁和啮合力F₂平移至齿轮轴5的轴心A点处时的合力矩，单位为N·m；F₁内齿圈11给右双联齿轮12的啮合力，单位为N；F₂为主动齿轮3给左双联齿轮4的啮合力，单位为N；r₄为左双联齿轮4的分度圆半径，单位为m；r₁₂为右双联齿轮12的分度圆半径，单位为m。

联立上述公式可得：

随后啮合力F₁和F₂在A点形成的合力F_∑驱动行星架10绕着固定轴17转动，但受到圆柱配重块16的平衡作用，行星架10绕着固定轴17转动一定角度后会处于平衡状态，此时啮合力F₁和F₂的合力F_∑对点B(点B为固定轴17的轴心)形成的力矩M_A与圆柱配重块16的重力mg对点B形成的力矩M_C相等，此时B点处可得到如下平衡方程：

式中M_A为啮合力F₁和F₂的合力F_∑对点B形成的力矩，单位为N·m；d_AB为齿轮轴5的轴心A与固定轴17的轴心B的距离，单位为m；M_C为圆柱配重块16的重力mg对点B形成的力矩，单位为N·m；d_BC为固定轴17的轴心B与圆柱配重块16的轴心C的距离，单位为m；θ为行星架10绕着固定轴17偏转的角度，单位为rad。

行星架10绕着固定轴17转动一定角度后，行星架10上端的滑块轴9会推动移动滑块6沿着滑块导轨8移动一定距离d_h，这段距离可通过摩擦力矩标尺读出，此时有如下关系：

式中θ为行星架10绕着固定轴17偏转的角度，单位为rad；d_h为移动滑块6沿着滑块导轨8移动的距离，单位为m；d_BD为固定轴17的轴心B与滑块轴9的轴心D的距离，单位为m。

联立上述公式可得下试样所受摩擦力矩M_x的计算公式：

式中d_BC与d_BD的比值设定为1(d_BC与d_BD大小相等)，此时上述公式可简化为：

从上述公式可以看出，当通过摩擦力矩标尺7读出移动滑块6沿着滑块导轨8移动的距离d_h时，可直接计算得到摩擦力矩M_x。

由于M_x＝μF_lr₁₅且F_l＝10kx，则可得到摩擦系数μ的计算公式如下：

以上公开的本发明优选实施例，只用于帮助阐述本发明，这不是彻底详尽的，也不是想把本发明限制于任何所述的具体形式或方式，本领域技术人员将会理解，在不背离本发明范围的前提下，通过本发明的启示可以完成各种修改，也可由多种等同来替换，本发明保护范围受权利要求书及其全部和等同替代物的限制。

Claims (2)

1.一种机械式线接触摩擦试验机，其特征在于，该试验机包括：动力传递装置、载荷调节装置、摩擦扭矩测量装置；所述的动力传递装置由电机（1）、主动力轴（2）、主动齿轮（3）、左双联齿轮（4）、齿轮轴（5）、右双联齿轮（12）、内齿圈（11）、内齿圈输出轴（13）组成，电机（1）的输出轴与主动力轴（2）通过联轴器连接，主动力轴（2）与主动齿轮（3）通过键连接，主动齿轮（3）与左双联齿轮（4）外啮合，左双联齿轮（4）和右双联齿轮（12）通过键安装在齿轮轴（5）两端，右双联齿轮（12）与内齿圈（11）内啮合，内齿圈（11）和内齿圈输出轴（13）固联；所述的摩擦扭矩测量装置由齿轮轴（5）、移动滑块（6）、摩擦力矩标尺（7）、滑块导轨（8）、滑块轴（9）、行星架（10）、圆柱配重块（16）、固定轴（17）组成，移动滑块（6）上端设有导轨轴孔并且下端设有滑槽，滑块导轨（8）与移动滑块（6）上端的导轨轴孔配合，滑块轴（9）与移动滑块（6）下端的滑槽配合，摩擦力矩标尺（7）安装在移动滑块（6）上方，移动滑块（6）中间设有标记线，当移动滑块（6）沿滑块导轨（8）滑动时，通过对照标记线和摩擦力矩标尺（7）上的刻度即可读出摩擦扭矩数值，行星架（10）上端与滑块轴（9）固联，行星架（10）下端与圆柱配重块（16）固联，行星架（10）中间设置两个轴孔，自上而下分别与齿轮轴（5）、固定轴（17）配合，固定轴（17）与试验台机架固联，调整压力调整螺母（18）的位置使上试样（14）所受压力达到设定值，然后开启动力传递装置，此时齿轮轴（5）受齿轮啮合力的作用驱动行星架（10）绕着固定轴（17）转动，同时行星架（10）受到圆柱配重块（16）的平衡作用绕着固定轴（17）转动一定角度后会处于平衡状态。

2.根据权利要求1所述的一种机械式线接触摩擦试验机，其特征在于，所述的固定轴（17）的轴心B与滑块轴（9）的轴心D的距离与固定轴（17）的轴心B与圆柱配重块（16）的轴心C的距离相等。