径向受载轴承摩擦力矩的测量方法和设备

摘要

本发明涉及滚动轴承的测量方法和测量仪器，该测量仪器包括：用于对被测轴承进行径向加载的加载模块、用于对被测轴承进行温度控制的加热模块、用于测量摩擦力矩的测量模块以及用于驱动测量模块的驱动模块，根据本发明，所述加载模块与所述测量模块相连接，从而对所述测量模块施加作用力。通过所述测量方法和仪器实现了对轴承施加较大范围的径向载荷并且在很大径向载荷下保证微小摩擦力矩测量的系统误差在可接受范围内。

说明书

技术领域

本发明涉及轴承的测量方法和测量设备，具体说涉及在各种载荷、各种转速和各种温度下对径向受载的轴承进行摩擦力矩测量的方法、特别是位移法和测量设备。 

背景技术

从现在的技术来看，测量轴承摩擦力矩的方法可分为直接摩擦力矩测量法、平衡力矩测量法和间接摩擦力矩测量法。参见《滚动轴承摩擦力矩乏信息推断》(科学出版社、2010年7月第一版)。 

专利“轴承微负荷、不同转速摩擦力矩测量及测量仪”(专利号200610052086.8公开号CN1865878)，加载径向载荷主要是为了轴承内外圈间有一定的压力，便于产生摩擦力矩，测力计测得径向载荷与轴承摩擦周向力之和，径向力过大后轴承摩擦周向力就完全测不出来了，所以不能加载大径向载荷。 

专利“一种测量轴承摩擦力矩的测试装置”(专利号200710040612.3公开号CN101050986)，只针对无载荷轴承摩擦力矩的测量。 

专利“微型轴承摩擦力矩测量仪”(专利号200710041970.6公开号CN101067578)，只针对无载荷轴承摩擦力矩的测量。 

专利“一种非接触式轴承启动摩擦力矩测量方法及测量仪”(申请号200710054386.4公开号CN101303261)，只能测量轴承启动摩擦力矩，不能施加径向载荷。 

专利“一种微型轴承动态摩擦力矩测量仪”(专利号200810230784.1公开号CN101509814)，只针对轴向载荷的轴承摩擦力矩测量。专利“轴承在 不同轴向载荷、转速下摩擦力矩的测量仪器”(申请号200910096442.X)只针对轴向载荷的轴承摩擦力矩测量 

专利“低温下滚动轴承的摩擦力矩测试装置”(专利号200110043678.4公开号CN102175369A)，只能测量轴承启动摩擦力矩。 

国内外至今未有能够测定受到高径向载荷的轴承在不同转速、温度下的摩擦力矩的测量设备。 

发明内容

本发明的目的是，提供一种能对轴承摩擦力矩进行测量的测量方法和测量设备，所述方法和设备实现了对在不同径向载荷、不同转速以及温度条件下轴承摩擦力矩的高精度测量。 

根据本发明，该目的通过如下测量设备实现，一种径向受载轴承摩擦力矩的测量设备，包括： 

用于对被测轴承进行径向加载的加载模块； 

用于对被测轴承进行温度控制的加热模块； 

用于测量摩擦力矩的测量模块，该测量模块包括测量轴，径向载荷的施加对摩擦力矩的测量，此处具体指位移的测量无干扰作用； 

以及用于驱动测量模块的驱动模块，径向力的大小对提供准确的转速毫无影响； 

其中，所述加载模块与所述测量模块相连接，从而对所述测量模块施加作用力。 

在一种优选实施方式中，加载模块与测量模块间隔一定距离并且仅通过第一连接件彼此连接。优选地，所述第一连接件采用钢丝绳，特别是仅仅是一条钢丝绳。第一连接件长短可调，可以借此避开某些共振。当然，第一连接件也可以是其它类型的连接件，如皮带、链条等，质地柔软而剪切刚度趋紧于零的绳索最好，只要此连接件能承受足够大的拉伸力且具有很小的横向刚度。其优点在于，尽管加载模块与测量模块各自包含误差放 大环节，但是通过使加载模块与测量模块彼此独立而避免了加载模块对测量的干扰，从而避免了由于在很高的径向载荷下而使很小的待测摩擦力矩难以被准确测量的问题。由此，实现了在高径向载荷下对相对较小的摩擦力矩的精确测量。 

在一种优选实施方式中，所述加载模块与所述测量模块彼此连接，使得所述测量模块的所述测量轴的轴线与所述第一连接件在所述加载模块中的切出点位于一个水平面上。其优点是，由此保证了对被测轴承的准确加载，并且第一连接件本身在发生一端相对于另一端的微小偏转时，没有阻力矩。 

在一种优选实施方式中，径向载荷采用砝码的重力和杠杆放大系统。其优点在于，用简单的方法获得一个恒定的力，该恒力在被测轴承任何工况下运行都不会改变。且被测轴承不旋转时，径向力流始终自动指向轴承轴心。这种自对心功能使得径向加载不会产生虚假力矩。 

在一种优选实施方式中，所述测量轴的一端与所述驱动模块的输出装置相连接从而被所述驱动模块驱动，所述测量轴的另一端与被测轴承相连接以实现测量。优选地，所述驱动模块的输出装置是第一皮带轮，并且固定在所述测量轴上的第二皮带轮与该第一皮带轮通过皮带、特别是多楔带彼此连接。优选地，测量轴与被测轴承通过一适配器彼此连接。优选地，该适配器的头部是与被测轴承小间隙配合的圆柱体，尾部是一根螺柱。其优点在于，加载模块与驱动模块分离，避免了驱动模块因径向载荷的变更而调整传动皮带的张紧力。 

在一种优选实施方式中，所述第一连接件连接在被测轴承的轴承套上。优选地，被测轴承通过一外壳与所述轴承套连接，特别是所述轴承套压紧在所述外壳上。优选地，用于进行标定的标定质量设置在所述轴承套上。其优点在于，加载模块自动对心。 

在一种优选实施方式中，所述测量模块包括非接触位移传感器、用以测量被测轴承外圈的位移变化，从而得到摩擦力矩。特别是电涡流传感器，所述非接触位移传感器包括传感器测量片和传感器固定片。优选地，所述 传感器测量片设置在所述轴承套上，而所述传感器固定片设置在一用于支承所述测量轴的、固定的测量轴支架上，其优点在于，非接触测量避免了将额外的干扰带入测量中。 

在一种优选实施方式中，所述加载模块包括加载盘和加载轴。优选地，所述加载轴由一加载轴支架支承并且能自由转动。优选地，所述加载盘由一加载盘法兰来固定和定位。优选地，所述加载盘的直径大于所述加载轴的直径。优选地，在所述加载盘的周面中形成有凹槽，第二连接件在凹槽中绕大半圈，该第二连接件的一端从凹槽中切出，另一端固定在该凹槽中，在该第二连接件的切出的一端上加载砝码。 

在一种优选实施方式中，所述加热模块包括加热器特别是电热器、调压器和隔热罩，其中所述加热器设置在用于支承所述测量轴的、固定的测量轴支架上，所述隔热罩罩在所述测量模块外。可以实现测试温度调节时不影响其它参数的调节。 

本发明还提出一种轴承摩擦力矩的测量方法。根据本发明的方法基于所谓的“位移法”，其原理基于，通过测定位移得出摩擦力矩。由于该方法不是直接测出摩擦力矩，而是对由摩擦力矩引起的位移进行测量，所以避免了传感器本身对被测对象施加作用力，使大径向载荷加载成为可能。在该方法中，当被测轴承旋转时，由于径向载荷自动对心原理，轴承径向力流路径穿过轴承中心。当载荷受到轴承摩擦力矩的作用，其力流路径不再过轴承中心，而是相对于轴承中心发生了微小偏移，此偏移完全是由轴承摩擦力矩造成的。在测试参数不变的情况下，偏移量和摩擦力矩成正比，由此，摩擦力矩的测量被转化为位移的测量。 

在该方法中可以使用根据本发明的测量设备，在此情况下在连接件的一端发生微小偏移时，不存在不能预测或不可忽略的阻力。所以通过使加载模块和测量模块分离，而使加载力和测量力矩在数值上不相互干涉。该发明的技术关键是测量模块结构、操作、量程、精度等均不受径向载荷大小的影响。 

使用根据本发明的测量设备，该方法包括以下步骤： 

第一步，安装待测轴承； 

第二步，通过控制加载模块和加热模块调节好所需载荷和温度； 

第三步，寻找系统的共振转速，以便消除其影响； 

第三步，安装非接触式位移传感器、特别是电涡流位移传感器； 

第四步，选择需要的转速范围对系统进行动态标定，以得出位移与摩擦力矩的关系； 

第五步，取下所有标定质量，并进行测量。 

径向受载并以一定速度转动的轴承，不可留有晃动、振动、甚至共振以避免摩擦力矩动态变化。通过模数转换，采用数字采样和滤波、平均等数据处理方法得到摩擦力矩。 

在一种优选实施方式中，所述动态标定以如下方式进行：加载标定载荷，特别是挂上重量已知的砝码。对每个加载的标定载荷测量对应的位移量。对多次测量的结果进行平均得到力矩与位移的关系，作为标定结果。 

在一种优选实施方式中，在所述第五步中，控制驱动模块以达到所需的测量转速，使测量模块的测量轴以该测量转速正转或者说沿第一方向转动并测量出第一位移a，再使测量模块的测量轴以该测量转速反转或者说沿与第一方向相反的方向转动并测量出第二位移b，利用所述第一位移a和第二位移b之差作为在测量转速下的位移的两倍，将(a-b)/2与标定值对此得出被测轴承在该转速下的摩擦力矩。 

在一种优选实施方式中，在所述第五步中，控制驱动模块以达到一低于测量转速的低转速，使测量模块的测量轴以该测量转速正转或者说沿第一方向转动并测量出第三位移，再使测量模块的测量轴以该测量转速反转或者说沿与第一方向相反的方向转动并测量出第四位移，利用所述第三位移和第四位移之差并通过与标定结构相比较得出被测轴承在该低转速下的摩擦力矩，然后，控制驱动模块以达到所述测量转速，使测量模块的测量轴以该测量转速正转并测量出第一位移，将第一位移与第三位移之差作为增量来求出在测量转速下的位移，并通过与标定结构相比较得出被测轴承在该转速下的摩擦力矩。 

附图说明

图1是轴承摩擦力矩测量设备正视图。 

图2是轴承摩擦力矩测量设备俯视剖视图。 

图3是测量模块和驱动模块正视图。 

图4是加载模块的正视图。 

图5是加载模块沿图2中的A-A线的剖视图。 

图6是适配器和被测轴承的剖视图。 

图7是测量模块沿图2的B-B线的剖视图。 

具体实施方式

图1示出根据本发明的、用于测定径向受载的轴承在不同转速、温度等条件下的摩擦力矩的测量设备。该测量设备包括用于对被测轴承进行径向加载的加载模块1、用于对被测轴承进行温度控制的加热模块3和用于测量摩擦力矩的测量模块4、以及用于驱动测量模块的驱动模块2。所述加载模块1、驱动模块2、加热模块3和测量模块4皆安装在一固定面上，该固定面可以是地面也可以是一底座。 

加载模块1和测量模块4通过第一连接件23彼此连接。在一种优选实施方式中，该第一连接件是钢丝绳，在该钢丝绳的两端各形成一闭环，所述闭被分别套在加载模块和测量模块的螺钉上。 

所述加载模块1包括加载砝码32和力加载装置，该力加载装置经第一连接件23与测量模块4相连接。力加载装置包括加载盘29和加载轴38。利用一加载轴支架28支承加载轴38并使其能自由转动，利用一加载盘法兰39来固定和定位加载盘29。加载盘29直径尺寸大于加载轴38直径，根据力矩平衡得到放大的加载力。在加载盘29的周面中形成有凹槽42，第二连接件31在凹槽中绕大半圈。该第二连接件31的一端从凹槽中切出，另一端固定在该凹槽中。这样加载砝码32就可以吊在该第二连接件31的切出的一端上，并且沿加载盘29的切线方向对其施加力。 

所述加载模块1还包括用于将力加载装置固定在固定面上并固定和定位加载轴支架28的加载轴底板27。 

在一实施方式中，加载盘与加载轴之间是螺钉法兰连接，加载轴和加载轴支架通过轴承连接，轴承内孔和外圆都是过盈配合，加载轴支架和底板之间是螺栓连接。 

所述测量模块4包括测量底板6、测量轴支架7和测量轴22。测量模块4中测量轴22的轴线与加载模块1中第一连接件23的切出点必须在一个水平面上。测量底板6与地面和测量轴支架7固连、例如通过螺栓固连。测量轴支架7用于支承测量轴22、例如通过轴承支承。测量轴22的一端与一皮带轮35连接以实现轴与轮的同步转动，另一端与被测轴承16连接。该皮带轮通过皮带与驱动模块的主动轮相连接。该主动轮与驱动模块的电机轴键连接。该皮带是多楔带并被施加预紧力。 

测量轴22与被测轴承16的连接通过一适配器17实现，该适配器的头部是与被测轴承16小间隙配合的圆柱体，尾部是一根螺柱，螺柱的材料、尺寸要进行应力校核。适配器17本身尺寸可以对被测轴承16进行定位，当被测轴承16紧固在适配器17、上从而紧固在测量轴22上时，被测轴承16的垂直于轴线的中面正好对准加载模块1的加载轴38的凹槽42。在适配器17上留出一截加工成方形，可下扳手，用扳手将适配器17拧紧在测量轴22上时，需用管钳卡住测量轴22。适配器17轴向中心开螺孔，被测轴承16安装好后用挡片44挡住，螺钉43紧住，挡片外缘只能压住轴承内圈，不能将轴承全部压住。 

被测轴承16通过外壳15与轴承套14连接，轴承套14通过螺钉19压紧在外壳15上。轴承套14通过第一连接件23与加载模块1连接，从而实现大载荷的加载。外壳15内径与被测轴承16外径过盈配合，厚度与被测轴承16厚度相等，外壳15外径与轴承套14内径相等，厚度与轴承套14厚度相等。对不同的测量轴承需用不同的适配器和外壳。轴承套14压紧在外壳15上，实现轴承套14、外壳15和轴承外圈的同步运动。 

测量模块4包括电涡流位移传感器。电涡流位移传感器包括传感器测 量片12和传感器固定片11。 

在轴承套14上设有传感器测量片12，而在测量轴支架7上设有传感器固定片11。传感器测量片12与轴承套14同步运动，因此被测轴承16内圈旋转摩擦造成轴承外圈的微量转角最终会转化为传感器测量片12的周向位移。在进行标定时，在轴承套14上设有由细丝20系住的标定质量21，标定质量21会对旋转中心产生一力矩，该力矩会造成相应的传感器测量片12的位移，从而得到力矩与位移的关系。 

在一种优选实施方式中，测量轴和测量轴支架之间通过轴承连接，轴承内孔和外圆都是过盈配合，加载轴支架和底板之间是螺栓连接，适配器和测量轴是螺栓连接，适配器和被测轴承内孔是间隙配合或过盈配合，被测轴承外圆同外壳是过盈配合。 

加热模块3包括履带式加热器13，调压器34和隔热罩8。履带式加热器13放在测量轴支架7上，隔热罩8罩在测量模块4外。隔热罩8为铁片焊接而成的长方体支架，但为了标定质量21的加卸操作凹进去一块，隔热罩8上各面粘贴隔热纸起到隔热的作用，隔热罩8只将测量模块4大部分罩住以加热，因此测量模块4与外界连接之处都要在隔热纸上开相应的豁口。隔热支架是铁片焊接而成，陶瓷纤维纸通过胶水粘在隔热罩外围。 

在所示实施方式中，加载力通过砝码32施加给第二连接件31，再经加载盘29、加载轴38和第一连接件23传递给测量模块4。在该力传递路径中，在加载轴38与测量模块4之间有且仅有第一连接件23参与力传递。 

以下对轴承摩擦力矩的测量方法进行说明。 

在使用上述设备对被测轴承进行力矩的测量时，首先安装待测轴承，通过控制加载模块和加热模块调节出所需载荷和温度。起动驱动模块的电机，使电机转速在所需的测量转速范围内缓慢地线性变化、进而使测量轴的转速在所需的测量转速范围内缓慢地线性变化，以找到会发生共振的转速，简称为共振转速。在正式实验中，通过控制电机以使其转速在该共振转速处阶跃变化，从而跳过该共振转速。 

找到共振转速后，安装电涡流位移传感器。 

在一特定转速处对系统进行动态标定。其中，将转速加至所需的测量转速范围的均值处，此处不能共振。如果示波波形较好，振幅小噪声小，则在此转速下做标定实验，方法为在细丝上挂标定质量，每挂一次标定质量，采一次样，采样频率要根据转速进行调整，保证每个周期都能采50-60个点。根据标定质量的重力换算成对旋转中心的力矩，结合采样均值得到力矩与位移的关系，成为标定结果。之所以要让轴承转动进行动态标定，而不是在轴承静止时进行静态标定，是因为静止状态下轴承有静摩擦力，标定质量较小，由于静摩擦力的作用使同样标定质量下轴承在多个位置达到平衡，不能真实反映力矩和位移的关系。当轴承转动时，静摩擦力变为动摩擦力，解决了这一问题，标定结果是稳定可靠，线性良好的。 

取下所有标定质量，将电机转速调制所需测量转速，先正转，后反转，因为轴承是轴对称的，可以认为轴承在同条件下正转反转产生的摩擦力矩是大小相等，方向相反的，因此表现在传感器测量片的位移上也是大小相等，方向相反的，正反转各自采样，得到的位移均值相减(即约对值相加)，认为是2倍摩擦力矩造成的位移，再跟标定结果对比，得到一个摩擦力矩，即是被测轴承在该载荷、该温度、该转速下的摩擦力矩。 

在某些高转速实验中，因为正转反转总要跳过共振转速，控制起来非常不方便，因此可以采用如下方法： 

先在一个低转速下做正反转实验求差，在正转高转速相对于低转速的增量可认为等于高转速相对于低转速的增量，因此高转速可只做正转实验。比如在1000rpm下正转得位移均值x1，反转得位移均值x2，那1000rpm摩擦力矩引起的位移是(x1-x2)/2，在3000rpm下的正转位移均值为y1，那3000rpm摩擦力矩引起的位移是(x1-x2)/2+(y1-x1)。 

附图标记列表 

1 加载模块 

2 驱动模块 

3 加热模块 

4  测量模块 

加载模块

32 加载砝码 

29 加载盘 

38 加载轴 

31 第二连接件 

27 加载轴底板 

28 加载轴支架 

39 加载盘法兰 

42 加载轴的凹槽 

测量模块

6  测量底板 

7  测量轴支架 

22 测量轴 

35 皮带轮 

16 被测轴承 

17 适配器 

15 外壳 

14 轴承套 

23 第一连接件 

12 传感器测量片 

11 传感器固定片 

20 细丝 

21 标定质量 

35 多楔带轮 

19 螺钉 

加热模块

13 履带式加热器， 

34 调压器 

8  隔热罩 。