[发明专利]正面冲击摩擦测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：包括气压泵(01)、气动冲击装置(02)、入射杆(03)、支座(04)、加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)、皮带轮(12)、减震器(13)、皮带(14)、变频电机(15)、计算机(16)以及信号采集装置(17)；气动冲击装置(02)、入射杆(03)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)同轴设置；通过调节气动冲击装置(02)的冲击强度，给入射杆(03)不同强度的加载；入射杆(03)上从左到右依次附有带磁性的加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)；加速度传感器(05)、速度传感器(06)分别用来测量第一试样(09)正面冲击的加速度、速度；第一应变计(07)用来测量试样正面冲击摩擦过程的正向应变，第二应变计(08)用来测量试样正面冲击摩擦过程中的切应变；第一应变计(07)靠近入射杆(03)的左侧，第二应变计(08)靠近入射杆(03)的右侧，用来提高测量结果的准确度；入射杆(03)和透射杆(11)的末端通过型面连接分别连接需要测试的摩擦试样，两个试样接头组成正面冲击摩擦副；透射杆(11)由变频电机(15)驱动，通过传送带传递给透射杆(11)角速度；入射杆(03)和支座(04)通过滑动轴承连接使得其有轴向和圆周方向两个自由度，透射杆(11)和支座(04)通过滚动轴承连接使得其只有圆周方向一个自由度；透射杆(11)转动的角速度可以通过调节变频电机(15)的转速来调节。 

2.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：入射杆(03)和透射杆(11)的末端可以通过型面连接来连接包括圆形、圆环形在内的多种形状的试样组成不同形式的正面冲击摩擦副。 

3.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：入射杆(03)和透射杆(11)相邻的末端圆柱面上拧有四个螺钉阻止第一试样(09)、第二试样(10)的轴向松动。 

4.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：第一试样(09)与第 二试样(10)之间存在间隙，以便模拟正面冲击过程。 

5.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：第一试样(09)、第二试样(10)表面还可以涂抹一些润滑材料来模拟湿摩擦的工况。 

6.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：入射杆(03)上面吸附有带磁性的加速度传感器(05)、速度传感器(06)可以测量第一试样(09)正面冲击的加速度、速度。 

7.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：透射杆(11)右端和减震器(13)之间的设有1mm到3mm间隙。 

8.一种应用权利要求1-7任一所述正面冲击摩擦测试装置的正面冲击摩擦测试方法，包括以下步骤：以圆环形冲击表面为例说明，r₁、r₂分别表示圆环形的小径、大径； 

1)实验前要对试样摩擦副表面做一定的抛光预处理，使其表面粗糙度达到Ra＝0.07μm，以便判定正面冲击过程中是否产生相对滑动，是否存在动摩擦； 

2)安装第一试样(09)和第二试样(10)，启动变频电机(15)，气动冲击装置(02)冲击入射杆(03)，信号采集装置记录实验过程中加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)和第二应变计(08)的变化；第一应变计(07)测得正应变ε，第二应变计(08)测得切应变γ； 

3)冲击速度、加速度由速度传感器、加速度传感器直接测得；冲击力、冲击扭矩和摩擦因数通过正应变ε、切应变γ公式推导得到；计算机(16)采集正面冲击过程中所得数据，根据理论推导拟合出正面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、加速度和摩擦因数的变化曲线； 

入射杆正应力：σ＝Eε，其中E表示入射杆弹性模量； 

入射杆表面切应力：τ＝Gγ，其中G表示入射杆的切变模量； 

冲击力：F＝σA，其中A＝πR²，R表示入射杆半径； 

冲击扭矩：其中I_R表示入射杆横截面对圆心的极惯性矩； 

摩擦因数通过正应变ε、切应变γ由以下理论公式推导得到： 

试样冲击截面正应力：其中S_a表示试样冲击截面面积； 

试样冲击截面平均切应力：其中τ_r表示冲击截面上距圆心为r的任意点的切应力，I_a表示试样冲击横截面对圆心的极惯性矩； 

试样所受平均切应力等于摩擦力，摩擦因数：