CN104132886A - 精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置。它包括气浮直线导轨支承的加载机构和气浮轴承支承的扭矩测量机构，加载机构是钢球与电机轴刚性连接，电机固定在气浮直线导轨的一端，另一端安装力传感器，固定在支架上的微分头通过螺旋传动顶压力传感器，压力经气浮直线导轨传递到电机轴上进而传递到钢球与保持架球兜的接触面上，所述加载机构固定在三维移动平台上；扭矩测量机构是气浮轴承转轴的一端与保持架的半个球兜连接，另一端与扭矩传感器连接。本发明能准确、有效地测试精密轴承球与保持架兜孔不同接触部位，不同润滑状态，不同材料配副和不同工况条件下的微小摩擦系数。

Description

精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置

技术领域

本发明涉及精密滚动轴承摩擦领域，具体为一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置。 

背景技术

滚动轴承是一种支承旋转轴的组件，广泛应用在机械行业的各个领域。滚动轴承具有低摩擦的特点，但其内部仍存在着复杂的摩擦现象，其中钢球与滚道接触的滑动摩擦以及钢球与保持架之间的滑动摩擦不仅损耗能量，更重要的是产生大的磨损使轴承丧失精度。 

载人飞船、卫星、飞机、导弹及航海舰船的惯性仪表都使用陀螺仪来检测飞行姿态、船只方位和角速度，在这些运载体的惯性导航系统中，陀螺仪是极其重要的敏感器。陀螺仪中的关键部件是支承陀螺电动机转子的陀螺转子轴承和支承陀螺框架的陀螺框架轴承，高灵敏、低摩擦力矩的陀螺框架轴承和高精度、长寿命陀螺转子轴承是影响上述运载体及武器装备定向及定位系统的重要因素，轴承零件间的滑动摩擦是导致上述精密仪表轴承精度失效的根本原因。因此，滑动摩擦系数是轴承理论分析和试验研究的重要参数。目前，模拟轴承球与滚道之间点接触的滑动摩擦已有大量试验研究，如典型的球-盘试验机。但对精密仪表轴承球与保持架之间滑动摩擦的试验研究还未见报道，主要原因是球与保持架的滑动摩擦较小不容易测量，在非精密轴承中通常被忽略，而在灵敏球轴承中，球与保持架的滑动摩擦对轴承总摩擦力矩的影响不容忽视。对此提出一种测试精密轴承球与保持架兜孔摩擦系数的装置，实现轴承球与保持架兜孔在不同接触部位，不同润滑状态，不同材料配副和不同工况条件下的摩擦系数测试。 

发明内容

本发明的目的是为了克服精密轴承球与保持架摩擦系数小，不易测量的技术缺陷，提出一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，实现在不同工况条件下轴承球与球兜摩擦系数方便、准确地测试。 

为达到上述目的，本发明的构思是：轴承球与保持架球兜的滑动摩擦，根据所加的力、接触处的偏心距和测得扭矩便可计算接触面的摩擦系数。为了使加载和扭矩的测量更加准确，采用可认为零摩擦的气浮直线导轨和气浮轴承作为支撑系统。轴承球与电机连接，电机直接固定在气浮直线导轨的导杆上，方便加载，而且采用微分头螺旋传动顶压力传感器，可实现定值加载。气浮直线导轨固定在三维移动平台上，可实现加载系统三个方向上的移动，从而可使轴承球与保持架球兜在不同部位（球兜内部或边缘）接触。扭矩传感器与气浮轴承定子固定在同轴心线的座孔支座中。气浮轴承承受球与保持架接触产生的径向力，而扭矩传感器只承受扭矩，可避免扭矩传感器承受额外载荷而损坏。球和保持架球兜分别与连接轴粘结，更换上述轴承零件的材料并与新的连接轴粘结，可测试不同材料配副之间的摩擦系数。 

根据上述发明构思，通过如下技术方案达到发明目的： 

一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，包括加载机构和扭矩测量机构，其特征是：所述加载机构和扭矩测量机构分别由气浮直线导轨和气浮轴承支承；加载机构是被测钢球与一个连接轴粘结，该连接轴与一个电机的转轴连接，该电机固定在气浮直线导轨的一端，而气浮直线导轨的另一端安装一个力传感器，固定在一个支架上的一个微分头通过螺旋传动顶压力传感器；微分头经压力传感器的压力经气浮直线导轨传到电机的转轴上，进而传递到钢球与保持架球兜的接触面上；所述扭矩测量机构是一个保持架球兜与另一根连接轴粘结，然后与气浮轴承的转轴一端连接，该转轴另一端通过一个联轴器与一个扭矩传感器连接，该扭矩传感器与气浮轴承的定子固定在一个同轴心线座孔的支座中；所述气浮直线导轨的移动方向垂直于电机轴线；电机驱动钢球转动，钢球与保持架球兜滑动摩擦产生的扭矩通过气浮轴承传递给扭矩传感器，根据所加的压力、接触处的偏心距和测得扭矩便可计算接触面的摩擦系数。

所述支架与气浮直线导轨一起固定在一个三维移动平台上，通过三个方向微调可实现钢球与保持架球兜不同部位的接触。 

所述钢球与连接轴粘结，该连接轴端面加工呈锥形孔，以保证球心与轴心线对中，并从锥形孔的一端钻直孔至轴的另一端，该孔与电机轴配合，轴和孔的加工在一次装夹下完成。 

所述连接轴与电机转轴配合的孔周向均匀布置三个紧定螺钉，以调节连接轴与电机转轴的对中。 

所述球兜与连接轴粘结，连接轴的端面同样加工锥形孔以保证保持架球兜中心与连接轴轴心线对中，所述连接轴的另一端与气浮轴承的转轴紧配合连接以传递扭矩。 

所述扭矩传感器与气浮轴承固定在同轴心线座孔的支座中，这样气浮轴承承受作用在保持架球兜上的径向力并传递扭矩，扭矩传感器只承受扭矩。由于气浮支承，扭矩在传递过程中的摩擦可忽略不计。 

所述三维移动平台和支座安装在基座上面；装配时，以基座的上表面和长边为基准，保证所述支座中座孔的轴线与基准边平行，保证所述气浮直线导轨与基准边垂直并与基准面平行，从而保证电机轴与气浮轴承转轴平行。 

本发明与现有技术比较，具有如下突出实质性特点和显著的优点： 

本发明由于采用了气浮直线导轨和气浮轴承支承，力和扭矩传递过程中的摩擦可忽略不计。能准确、有效地测试精密轴承球与保持架兜孔不同接触部位，不同润滑状态，不同材料配副和不同工况条件下的微小摩擦系数。

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是本发明中球与连接轴的结构示意图； 

图3是本发明中保持架球兜与连接轴的结构示意图；

图4是本发明中微分头支架的结构示意图； 

图5是本发明中扭矩传感器与气浮轴承转轴联轴器的结构示意图。

图6是本发明中气浮轴承与扭矩传感器支座的结构示意图。 

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下： 

实施例一：

参见图1，一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，包括加载机构(Ⅰ)和扭矩测量机构(Ⅱ)，其特征是：所述加载机构(Ⅰ)和扭矩测量机构(Ⅱ)分别由气浮直线导轨(12)和气浮轴承(5)支承；加载机构(Ⅰ)是被测钢球(8)与一个连接轴(9)粘结，该连接轴(9)与一个电机(10)的转轴连接，该电机(10)固定在气浮直线导轨(12)的一端，而气浮直线导轨(12)的另一端安装一个力传感器(14)，固定在一个支架(15)上的一个微分头(16)通过螺旋传动顶压力传感器(14)；微分头(16)经压力传感器(14)的压力经气浮直线导轨(12)传到电机(10)的转轴上，进而传递到钢球(8)与保持架球兜(7)的接触面上；所述扭矩测量机构(Ⅱ)是一个保持架球兜(7)与另一根连接轴(6)粘结，然后与气浮轴承(5)的转轴一端连接，该转轴另一端通过一个联轴器(4)与一个扭矩传感器(3)连接，该扭矩传感器(3)与气浮轴承(5)的定子固定在一个同轴心线座孔的支座(2)中；所述气浮直线导轨(12)的移动方向垂直于电机(10)轴线；电机(10)驱动钢球(8)转动，钢球(8)与保持架球兜(7)滑动摩擦产生的扭矩通过气浮轴承(5)传递给扭矩传感器(3)，根据所加的压力、接触处的偏心距和测得扭矩便可计算接触面的摩擦系数。

实施例二： 

参见图1～图6，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述支架(15)与气浮直线导轨(12)一起固定在一个三维移动平台(17)上；通过三维移动平台(17)的三个方向微调可实现钢球(8)与保持架球兜(7)不同部位的接触。所述钢球(8)与连接轴(9)粘结，该连接轴(9)端面加工呈锥形孔，以保证球心与轴心线对中，并从锥形孔的一端钻直孔至轴的另一端，该孔与电机轴配合，轴和孔的加工在一次装夹下完成。所述连接轴(9)与电机(10)转轴配合的孔周向均匀布置三个紧定螺钉，以调节连接轴(9)与电机(10)转轴的对中。所述保持架球兜(7)与连接轴(6)粘结，该连接轴(6)的端面同样加工呈锥形孔，以保证保持架球兜(7)中心与连接轴(6)轴心线对中，所述连接轴(6)的另一端与气浮轴承(5)的转轴紧配合连接以传递扭矩。所述扭矩传感器(3)与气浮轴承(5)固定在同轴心线座孔的支座(2)中，这样气浮轴承(5)承受作用在保持架球兜(7)上的径向力并传递扭矩，扭矩传感器(3)只承受扭矩；由于气浮支承，扭矩在传递过程中的摩擦可忽略不计。所述三维移动平台(17)和支座(2)安装在一台基座(1)上面；装配时，以基座(1)的上表面和长边为基准，保证所述支座(2)中座孔的轴线与基准边平行，保证所述气浮直线导轨(12)与基准边垂直并与基准面平行，从而保证电机(10)转轴与气浮轴承(5)转轴平行。

实施例三： 

本实施例是：参见图1，一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，包括加载和扭矩测量机构。所述加载机构的特征是：钢球(8)与连接轴(9)用粘结剂粘结，参见图2，连接轴端面加工锥形孔以保证球心与轴心线对中，并从锥形孔的一端钻直孔至轴的另一端，该孔与电机轴配合，轴和孔的加工在一次装夹下完成，并在机床上与球粘结。连接轴(9)与步进电机(10)轴配合的孔周向均匀布置三个紧定螺钉，以便调节连接轴与电机轴的对中，电机转动时钢球的径向跳动控制在30μm以内。电机(10) 通过直角板(11)与气浮直线导轨(12)的一端连接，气浮直线导轨的另一端安装压力传感器(14)，固定在支架(15)上的微分头(16)通过螺旋传动顶压力传感器，压力经气浮直线导轨传到电机轴上进而传递到钢球与保持架球兜(7)的接触面上。所述支架(15)，参见图4，与气浮直线导轨(12)一起固定在三维移动平

台(17)上。调节三维移动平台可实现钢球与保持架兜孔不同部位的接触。

所述扭矩测量机构的特征是：球兜(7)与连接轴(6)粘结，参见图3，连接轴的端面同样加工锥形孔以保证保持架球兜中心与轴心线对中，所述连接轴(6)与气浮轴承(5)的转轴连接，用紧定螺钉顶紧以传递扭矩，气浮轴承转轴的另一端通过联轴器(4)与扭矩传感器连接，所述联轴器参见图5。扭矩传感器与气浮轴承定子固定在同轴的座孔支座(2)中，所述支座参见图6，支座上的两个孔同轴并在水平方向上开有2～3mm的缝隙，便于安装和固定零件。 

装配时，以基座(1)的上表面和长边为基准，保证所述支座(2)中座孔的轴线与基准边平行，保证所述气浮直线导轨(12)与基准边垂直并与基准面平行，从而保证电机(10)轴与气浮轴承(5)转轴平行。 

钢球(8)与球兜(7)接触产生径向力并由于滑动摩擦产生扭矩，气浮轴承承受作用在球兜上的径向力并将扭矩传递给扭矩传感器。根据压力传感器和扭矩传感器的读数以及接触处的偏心距（球兜内表面半径），便可计算接触面的摩擦系数。 

Claims (7)

1.一种精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，包括加载机构(Ⅰ)和扭矩测量机构(Ⅱ)，其特征是：所述加载机构(Ⅰ)和扭矩测量机构(Ⅱ)分别由气浮直线导轨(12)和气浮轴承(5)支承；加载机构(Ⅰ)是被测钢球(8)与一个连接轴(9)粘结，该连接轴(9)与一个电机(10)的转轴连接，该电机(10)固定在气浮直线导轨(12)的一端，而气浮直线导轨(12)的另一端安装一个力传感器(14)，固定在一个支架(15)上的一个微分头(16)通过螺旋传动顶压力传感器(14)；微分头(16)经压力传感器(14)的压力经气浮直线导轨(12)传到电机(10)的转轴上，进而传递到钢球(8)与保持架球兜(7)的接触面上；所述扭矩测量机构(Ⅱ)是一个保持架球兜(7)与另一根连接轴(6)粘结，然后与气浮轴承(5)的转轴一端连接，该转轴另一端通过一个联轴器(4)与一个扭矩传感器(3)连接，该扭矩传感器(3)与气浮轴承(5)的定子固定在一个同轴心线座孔的支座(2)中；所述气浮直线导轨(12)的移动方向垂直于电机(10)轴线；电机(10)驱动钢球(8)转动，钢球(8)与保持架球兜(7)滑动摩擦产生的扭矩通过气浮轴承(5)传递给扭矩传感器(3)，根据所加的压力、接触处的偏心距和测得扭矩便可计算接触面的摩擦系数。

2.如权利要求1所述精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，其特征是：所述支架(15)与气浮直线导轨(12)一起固定在一个三维移动平台(17)上；通过三维移动平台(17)的三个方向微调可实现钢球(8)与保持架球兜(7)不同部位的接触。

3.如权利要求1所述精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，其特征是：所述钢球(8)与连接轴(9)粘结，该连接轴(9)端面加工呈锥形孔，以保证球心与轴心线对中，并从锥形孔的一端钻直孔至轴的另一端，该孔与电机轴配合，轴和孔的加工在一次装夹下完成。

4.如权利要求3所述精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，其特征是：所述连接轴(9)与电机(10)转轴配合的孔周向均匀布置三个紧定螺钉，以调节连接轴(9)与电机(10)转轴的对中。

5.如权利要求1所述精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，其特征是：所述保持架球兜(7)与连接轴(6)粘结，该连接轴(6)的端面同样加工呈锥形孔，以保证保持架球兜(7)中心与连接轴(6)轴心线对中，所述连接轴(6)的另一端与气浮轴承(5)的转轴紧配合连接以传递扭矩。

6.如权利要求1所述精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，其特征是：所述扭矩传感器(3)与气浮轴承(5)固定在同轴心线座孔的支座(2)中，这样气浮轴承(5)承受作用在保持架球兜(7)上的径向力并传递扭矩，扭矩传感器(3)只承受扭矩；由于气浮支承，扭矩在传递过程中的摩擦可忽略不计。

7.如权利要求1～6所述精密轴承球与保持架兜孔的摩擦系数测试装置，其特征是：所述三维移动平台(17)和支座(2)安装在一台基座(1)上面；装配时，以基座(1)的上表面和长边为基准，保证所述支座(2)中座孔的轴线与基准边平行，保证所述气浮直线导轨(12)与基准边垂直并与基准面平行，从而保证电机(10)转轴与气浮轴承(5)转轴平行。