滾針軸承摩擦力矩測量儀

胡波，高奮武，李國斌，廖家祥，劉金秀

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

滾針軸承徑向結構緊湊，僅能承受徑向載荷,特別適用于徑向安裝尺寸受限的支承結構。根據使用場合，可選用無內圈的軸承或滾針和保持架組件。承受徑向載荷時，滾針軸承的摩擦力矩是一個變量，影響因素相當復雜，重復測量時可能相差較大。為獲得較穩定的摩擦性能，應根據產品的測量結果和摩擦力矩變化曲線進行科學分析。傳統的摩擦力矩測量方法(吊砝碼測量法)可以實現較高的檢測精度，但測量效率低，而且不能反映摩擦力矩的變化曲線，無法滿足摩擦力矩的測量需要[1]。因此，開發了滾針軸承摩擦力矩測量儀。

1 測量原理

儀器的測量原理[2]為平衡法，即向被測軸承施加大小相等、方向相反的平衡力矩，通過其變化反映被測軸承實際摩擦力矩的變化。

測量原理如圖1所示。被測軸承安裝在驅動軸上，當內圈(滾針)低速旋轉時，由于軸承內部存在摩擦力，摩擦力矩驅動軸承外圈旋轉；被測軸承外圈通過測量環與力矩傳感器連接，力矩傳感器測桿阻礙外圈的旋轉，并與軸承內部摩擦力矩相平衡；由力矩傳感器將軸承摩擦力矩轉換為電信號，經放大及模數轉換后傳輸至計算機,進行數據處理后得出正、反向的最大力矩值、平均力矩值和力矩差值等6項測量結果，以及正、反向摩擦力矩變化曲線。

圖1 測量原理示意圖

2 機械結構

儀器的機械結構如圖2所示，主要分為驅動部分，測量部分和轉動部分。

驅動部分由驅動電動機和驅動軸系組成，驅動電動機(直流同步電動機)通過同步帶輪與驅動軸系連接，帶動驅動軸系旋轉。

測量部分由滾針軸承、測量環、測量心軸和力矩傳感器組成，滾針軸承通過測量心軸安裝在驅動軸系上，測量環套在軸承外圈上并與力矩傳感器的測桿連接。

轉動部分由轉動電動機和撥桿組成，轉動電動機(步進電動機)通過撥桿撥動測量環，帶動軸承外圈旋轉一定角度，實現多點測量。

測量時，力矩傳感器固定在導軌A上并與測量環連接；導軌B定位后推動轉動電動機到工作位置，使撥桿到達能撥動測量環的位置；驅動電動機驅動軸系轉動，使心軸帶動滾針轉動，進而帶動外圈轉動；力矩傳感器阻礙外圈旋轉并與滾針軸承摩擦力矩保持動態平衡，其輸出即為滾針軸承的摩擦力矩，至此完成一個測量過程。測量完成后，退出轉動電動機，取下測量環并拆卸滾針軸承。

1—驅動電動機；2—驅動軸系；3—力矩傳感器；4—導軌A；5—測量環；6—滾針軸承；7—撥桿；8—轉動電動機；9—導軌B

3 測量關鍵點

3.1 滾針軸承的定位

為保證滾針與測量心軸能夠很好地接觸并定位，將測量心軸設計成類似彈簧卡具的形式。如圖3所示，測量心軸軸頭上加工有錐孔，使用卡頭與錐孔配合，使軸頭膨脹微變形，從而使測量心軸與滾針緊密配合并定位。

需要注意的是，此時測量心軸表面直接作為軸承滾針滾動表面，為保證承載和運轉性能與有套圈的軸承相同，測量心軸滾道表面的硬度，加工精度和表面質量應與軸承套圈的滾道相仿。

1—軸承外圈；2—測量環；3—滾針；4—測量心軸；5—卡頭；6—力矩傳感器測桿；7—力矩傳感器

3.2 徑向加載

測量時需要向被測軸承施加一定的徑向載荷，徑向載荷根據軸承型號具體確定，其大小即測量環的自重。

3.3 多點測量過程

徑向載荷靠測量環的自重施加，易造成被測軸承受力不均，只進行單點測量并不能真實反映軸承的力矩變化情況，因此在外圈上每隔90°選擇1個點進行測量。

如圖4所示，測量環上開有8個槽，任取其中1個作為測量點。當測量完成后，將力矩傳感器撤出，使傳感器測桿脫離測量槽，然后電氣系統控制轉動電動機帶動撥桿旋轉，撥動測量環(軸承外圈)旋轉90°后與槽脫離，以免帶入附加力矩。傳感器測桿通過導軌A伸入測量槽，進入下一個點的測量。

圖4 測量環示意圖

4 儀器測量程序流程圖

儀器單點測量程序的流程圖如圖5所示。

圖5 儀器的單點測量程序流程圖

5 儀器校準

儀器的校準采用輸入標準力矩值與儀器實際輸出測量值相比較的方法。設計的專用定標鑒定裝置如圖6所示，校準心軸安裝于軸系上并用螺釘緊固，校準軸承(型號618/3)和校準輪安裝于校準心軸上，傳感器測桿推至測量位置與校準輪相連，由絲線將標準砝碼力施加到校準輪上，將標準砝碼和校準輪半徑作為輸入標準力矩，傳感器輸出力矩即實際測量值。

測量精度即為力臂L和砝碼質量F乘積所算出的標準力矩M(M=0.009 8FL)與儀器測量值M0之間的差值。其中力臂L精度±0.01，砝碼質量精度級別M3，可滿足精度要求。 根據砝碼質量和砝碼輪半徑，分別計算出砝碼所對應的標準力矩值。

1—校準輪；2—校準軸承；3—校準心軸；4—傳感器測桿； 5—砝碼

6 結束語

滾針軸承摩擦力矩測量儀的設計合理，自動化程度較高，可以進行多點測量并顯示摩擦力矩的變化曲線，便于用戶對摩擦力矩變化情況進行直觀、綜合的分析。