[发明专利]轴承钢球与内外套圈的摩擦力及滑滚比测量装置及方法

权利要求书

1.一种轴承钢球与内外套圈摩擦力及滑滚比测量装置，其特征在于，包括：基座调节单元(1)、水平移动单元(2)、驱动单元(3)、加载测量单元(4)；其中，所述水平移动单元(2)安装在所述基座调节单元(1)上，所述驱动单元(3)安装在所述水平移动单元(2)上，所述加载测量单元(4)与所述驱动单元(3)和所述基座调节单元(2)相连；所述基座调节单元(1)包括底座(1-1)、四个平衡调节器(1-2)、第一平台(1-3)和夹紧固定板(1-4)，所述平衡调节器(1-2)对称安装在底座(1-1)上，每个所述平衡调节器(1-2)同时或者单独调节，通过观察U型液柱来调节平衡；所述第一平台(1-3)与平衡调节器(1-2)通过双头螺栓相连，所述夹紧固定板(1-4)与底座(1-1)通过螺栓相连，与第一平台(1-3)通过接触面压紧连接；所述水平移动单元(2)包括第一安装架(2-1)、第一伺服电机(2-2)、滚珠丝杠(2-3)、滑轨(2-4)和第二平台(2-5)，所述第一伺服电机(2-2)与所述第一安装架(2-1)通过螺栓相连，所述第一安装架(2-1)与所述第一平台(1-3)通过螺栓相连，所述第一伺服电机(2-2)与所述滚珠丝杠(2-3)通过平键和止推环相连，所述滚珠丝杠(2-3)与所述第二平台(2-5)相连，所述第二平台(2-5)下方对称安装有一对滑轨(2-4)；所述驱动单元(3)包括第二安装架(3-1)、第二伺服电机(3-2)、减速器(3-3)、联轴器(3-4)、轴承座(3-5)、轴承端盖(3-6)和传动轴(3-7)，所述第二伺服电机(3-2)与所述减速器(3-3)相连，所述减速器(3-3)与第二安装架(3-1)通过螺栓相连，所述第二安装架(3-1)与所述第二平台(2-5)通过螺栓相连，所述减速器(3-3)与所述联轴器(3-4)通过螺钉相连，所述联轴器(3-4)与所述传动轴(3-7)通过螺钉相连，所述轴承座(3-5)安装在传动轴(3-7)上并与所述轴承端盖(3-6)通过螺栓相连；所述加载测量单元(4)包括垫块(4-1)、多维力传感器(4-2)、连接件(4-3)、第二轴承座(4-4)、滑环(4-10)、激光传感器(4-11)、编码器(4-12)，所述轴承端盖(3-6)与编码器(4-12)相连，所述滑环(4-10)安装在传动轴(3-7)上靠近第二压电陶瓷(4-9)一端，所述激光传感器(4-11)通过连接板与第二平台(2-5)相连，所述传动轴(3-7)与所述第二轴承座(4-4)相连，所述第二轴承座(4-4)与连接件(4-3)通过螺钉相连，所述连接件(4-3)与所述多维力传感器(4-2)通过螺栓相连，所述多维力传感器(4-2)与所述垫块(4-1)通过螺栓相连，所述垫块(4-1)与所述底座(1-1)通过螺栓相连。

2.根据权利要求1所述一种轴承钢球与内外套圈摩擦力及滑滚比测量装置，其特征在于，所述传动轴(3-7)平行于传动轴直径横切一个平面，所述传动轴(3-7)平面上从右到左依次安装有第一压电陶瓷(4-5)和第二压电陶瓷(4-9)与传动轴(3-7)通过螺纹连接，所述第一压电陶瓷(4-5)的输出端与第一施力块(4-6)通过螺钉相连，所述第二压电陶瓷(4-9)的输出端与第二施力块(4-7)相连，所述第一施力块(4-6)与第二施力块(4-7)通过螺钉(4-8)相连。

3.根据权利要求2所述一种轴承钢球与内外套圈摩擦力及滑滚比测量装置，其特征在于，所述第二轴承座(4-4)上依次安装有摩擦外套圈(4-13)、钢球(4-14)、摩擦内套圈(4-15)，所述摩擦内套圈(4-15)内径加工有扇形传力孔，所述摩擦内套圈(4-15)内径加工有扇形传力孔，所述第二施力块(4-7)与摩擦内套圈(4-15)通过加工的扇形传力孔配合连接。

4.一种轴承钢球与内外套圈摩擦力及滑滚比测量方法，是根据权利要求3所述的测量装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：调节水平调节器(1-2)，观察U形玻璃液柱，使第一平台(1-3)处于水平位置，并用夹紧固定板(1-4)固定调好的第一平台(1-3)；

步骤S2：将靠近传动轴(3-7)外端的第一压电陶瓷(4-5)从传动轴上卸掉，卸掉第一施力块(4-6)与第二施力块(4-7)之间的螺钉(4-8)，卸下第一施力块(4-6)；

步骤S3：启动第一伺服电机(2-2)，将第一平台(1-3)远离第二轴承座(4-4)到适当距离，安装好用于实验的钢球(4-14)半径为R、摩擦内套圈(4-15)半径为R₁和摩擦外套圈(4-13)；再启动第一伺服电机(2-2)，将第一平台(1-3)反向移动到第二轴承座(4-4)的适当位置；将卸掉的第一压电陶瓷(4-5)安装在传动轴(3-7)上，将第一施力块(4-6)安装在第一压电陶瓷(4-5)上，安装上第一施力块(4-6)与第二施力块(4-7)之间的螺钉(4-8)；

步骤S4：打开多维力传感器(4-2)，记录下初始值F_X0、F_y0、F_z0；

步骤S5：打开编码器(4-12)，记录下初值n₀；打开激光传感器(4-11)，当激光传感器(4-11)第一次扫描到钢球(4-14)时开始记录时间t₀和次数n₂；

步骤S6：给第一压电陶瓷(4-5)和第二压电陶瓷(4-9)通电，使其变形施加力，启动第二伺服电机(3-2)转动，多维力传感器(4-2)测得三个方向的力F_X、F_y、F_z并记录，实验结束时，激光传感器(4-11)的时间为t₁，编码器(4-12)转数为n₁；

步骤S7：分析多维力传感器(4-2)记录的数据，计算得到钢球与内外套圈的摩擦力F为：

将所述编码器(4-12)的数据与激光传感器(4-11)的所记录数据通过公式(2)、(3)计算，摩擦内套圈(4-15)与钢球(4-14)接触处的速度分别为V₁和V₂：

得到钢球的滑滚比：

步骤S8：改变实验台所述摩擦内套圈(4-15)、摩擦外套圈(4-13)以及钢球(4-14)的直径，重复步骤S2至步骤S7，分析计算实验数据得到不同直径钢球的摩擦力和滑滚比；改变第一压电陶瓷(4-5)和第二压电陶瓷(4-9)的输入电压，得到不同载荷下的钢球与内外套圈的摩擦力和滑滚比；改变第二伺服电机(3-2)的转速，得到不同转速下的钢球与内外套圈的摩擦力和滑滚比。