CN109187330A - 一种变工况条件下摩擦系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变工况条件下摩擦系数测量方法，步骤包括：1)将两种摩擦材料分别制作为摩擦盘及摩擦头；2)通过转动加力螺杆来调节摩擦头与摩擦盘的正压力，得到摩擦头与摩擦盘在不同压力条件下的摩擦系数；3)通过丝杠调整下滑台的横向位置，摩擦头在摩擦盘上所处的径向位置不同从而形成不同的摩擦速度，得到不同速度条件下的摩擦系数；4)在摩擦头与摩擦盘的接触面添加不同的润滑介质，得到不同润滑介质条件下的摩擦系数；5)通过单一或组合改变上述的摩擦配对材料、润滑介质、转动速度、压力，得到不同摩擦配对材料、润滑介质、不同速度、不同压力条件下的摩擦系数。本发明方法操作方便，测量范围宽，数值准确。

Description

一种变工况条件下摩擦系数测量方法

技术领域

本发明属于检测设备技术领域，涉及一种变工况条件下摩擦系数测量方法。

背景技术

摩擦系数是计算摩擦力的重要参数，随着摩擦配对材料、介质、速度等的不同，摩擦系数也将发生较大变化，而且摩擦系数通常必须通过实验来确定，因此建立一种能够快速测试不同速度、摩擦配对材料、介质等变工况条件下摩擦系数的装置具有重要意义。

传统的摩擦系数测量设备是采用一个斜面滑道，通过改变滑道倾斜角度使试件以不同的速度滑下，来测量试件与滑道之间的摩擦系数。这种方法的滑动速度和压力难以在较大范围内调节，为研究摩擦系数与速度、摩擦配对材料、介质等参数之间的关系带来困难。因此，亟需研制一种能够适应不同摩擦配对材料、不同压力、速度、润滑介质等条件下的摩擦系数检测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种变工况条件下摩擦系数测量方法，解决了现有技术的摩擦系数测量方式单一，相对摩擦速度、压力难以有效调节，适应性差的问题。

本发明采用的技术方案是，一种变工况条件下摩擦系数测量方法，利用一种变工况条件下摩擦系数测量装置，按照以下步骤实施：

步骤1)将其中的一种摩擦材料制作为摩擦盘，将另一种摩擦材料制作为摩擦头；

步骤2)启动电机，摩擦盘旋转，摩擦头不转动；在摩擦盘的转动过程中，向前拧动加力螺杆，加力螺杆前端通过钢球一、垫块一、法向力传感器、定位块一顶紧加载挡板，加载挡板再带动上滑台及摩擦头向前与摩擦盘顶紧接触，即摩擦头与摩擦盘接触产生正压力；通过转动加力螺杆来调节摩擦头与摩擦盘的正压力，读取法向力传感器的数值，该数值就是摩擦头顶在摩擦盘上的正压力，利用摩擦系数计算公式，进而得到摩擦头与摩擦盘在不同压力条件下的摩擦系数；

步骤3)保持电机的转动速度不变，通过丝杠调整下滑台的横向位置，使摩擦头与摩擦盘的回转中心产生偏心距离，由于摩擦头在摩擦盘上所处的径向位置不同从而形成不同的摩擦速度，摩擦头与摩擦盘所产生的摩擦力通过切向力传感器读数，再结合杠杆原理的换算及摩擦系数计算公式，得到不同速度条件下的摩擦系数；

步骤4)在摩擦头与摩擦盘的接触面添加不同的润滑介质，得到不同润滑介质条件下的摩擦系数；

步骤5)分别在步骤1)-步骤4)的基础上，通过单一或组合改变上述的摩擦配对材料、润滑介质、转动速度、压力，通过法向力传感器测得作用于摩擦盘表面的正压力数值，通过切向力传感器读数及基于杠杆原理推算出实际摩擦力，通过摩擦系数的计算公式，得到摩擦头与摩擦盘之间，不同摩擦配对材料、润滑介质、不同速度、不同压力条件下的摩擦系数。

本发明的有益效果是，将其中的一种摩擦材料制作成一个摩擦盘，将另一种摩擦材料制作成一个较小尺寸的圆柱体摩擦头；驱动摩擦盘旋转，顶压摩擦头与摩擦盘接触产生摩擦力，摩擦头与摩擦盘之间的接触压力可以自由调节，当摩擦盘转速一定时，由于摩擦头所处摩擦盘的位置半径不同而使其相对摩擦速度也不同，从而通过摩擦头在摩擦盘上的不同径向位置自由调节摩擦速度；当电机速度调节时，可以使相对摩擦速度达到一个很宽的调节范围。摩擦力、压力、速度可以通过不同的传感器测得。另外，还可以在摩擦头与摩擦盘之间添加不同的润滑介质，得到不同摩擦配对材料、润滑介质、不同速度、不同压力下的摩擦系数，为解决变工况条件下摩擦系数测量提供一种方便有效的检测途径。

附图说明

图1是本发明测量方法采用的测量装置结构主视图；

图2是本发明测量方法采用的测量装置局部结构俯视图；

图3是摩擦力测量计算原理图。

图中，1.加力螺杆，2.螺杆支座，3.钢球一，4.垫块一，5.法向力传感器，6.定位块一，7.加载挡板，8.回转支撑，9.回转轴，10.摆轴，11.滑套，12.钢球二，13.垫块二，14.切向力传感器，15.定位块二，16.摩擦头，17.摩擦盘，18.摩擦盘连接件，19.摩擦盘轴，20.定位套筒，21.锁紧螺母，22.联轴器，23.箱体，24.电机，25.上滑台，26.上导轨副，27.下滑台，28.下导轨副，29.底板，30.丝杠，31.丝母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

以下文本描述中，上下左右位置关系均以图1所示为准，实际安装位置以此类推。图2中的左右方向为X向，上下方向为Y向。

参照图1，本发明方法采用的测量装置的结构是，包括箱体23和下滑台27，箱体23固定安装在底板29上表面左边，下滑台27下表面通过一对下导轨副28滑动安装在底板29上表面右边的两个长凸台上，在下滑台27与底板29之间设置有丝杠机构；

箱体23的左侧立板上固定安装有电机24，箱体23的右侧立板上固定安装有定位套筒20，电机24的传动轴与定位套筒20同轴设置；定位套筒20内腔中通过两组轴承套装有摩擦盘轴19，摩擦盘轴19右端头固定安装摩擦盘连接件18，摩擦连接件18右端面安装有摩擦盘17，摩擦盘17可拆卸；摩擦盘轴19左端头通过锁紧螺母21、联轴器22与电机24的传动轴一体连接，锁紧螺母21实现摩擦盘轴19的轴向紧固；电机24的传动轴通过联轴器22、摩擦盘轴19、摩擦盘连接件18驱动摩擦盘17进行回转运动；

下滑台27上表面右边固定安装有螺杆支座2，螺杆支座2中沿轴向设置有加力螺杆1，下滑台27上表面左边设置有一对轴向(X向或左右方向)的上导轨副26，该对上导轨副26中滑动安装有上滑台25；上滑台25顶面右边固定有加载挡板7；加力螺杆1依次通过钢球一3、垫块一4、法向力传感器5及定位块一6与加载挡板7顶紧接触，推动上滑台25沿X向移动(左右方向或轴向)，加力螺杆1顶紧的推动力通过法向力传感器5实时测定，其中，加力螺杆1、钢球一3、垫块一4、法向力传感器5、定位块一6位于同一条轴线上；

参照图2，上滑台25顶面中间固定有一对回转支撑8，该对回转支撑8中套装有横向的回转轴9，回转轴9可以在回转支撑8中旋转，回转轴9与摆轴10右端固定连接，摆轴10与回转轴9垂直；摆轴10左端头固定安装有摩擦头16，摩擦头16轴心线与摆轴10轴心线同轴设置；摆轴10中间段圆周上套装有滑套11，滑套11下部依次通过钢球二12、垫块二13、切向力传感器14、定位块二15支撑在上滑台25上；测量过程中需要保持加力螺杆1与摆轴10同轴，并且摆轴10与摩擦盘17表面垂直。

加力螺杆1通过加载挡板7推动上滑台25沿X向左右移动，从而带动摆轴10沿X向移动，实现摩擦头16与摩擦盘17的顶紧接触；加力螺杆1施加的正压力由法向力传感器5测定，所产生的摩擦力由切向力传感器14测定。

参照图2，丝杠机构包括丝杠30及丝母31，丝杠30与丝母31螺纹传动连接，丝杠30通过两个安装座设置在底板29上，丝母31固定在下滑台27的底面。

转动丝杠30，通过丝母31带动下滑台27沿底板29横向移动，使得摩擦头16沿Y向移动，从而实现摩擦盘17转速不变条件下摩擦头16与摩擦盘17之间的摩擦速度的无级调速，方便测试控制。

由上可见，摩擦头16通过杠杆结构支撑，摩擦头16通过上滑台25及下滑台27实现X向及Y向移动，通过X向驱动改变压力大小；通过Y向驱动改变径向位置，进而改变摩擦速度。

本发明的测量方法，利用上述的测量装置，按照以下步骤操作：

步骤1)将其中的一种摩擦材料制作为摩擦盘17，将另一种摩擦材料制作为较小尺寸的圆柱体形状的摩擦头16；

步骤2)启动电机24，摩擦盘17旋转，摩擦头16不转动；在摩擦盘17的转动过程中，向前拧动加力螺杆1，加力螺杆1前端通过钢球一3、垫块一4、法向力传感器5、定位块一6顶紧加载挡板7，加载挡板7再带动上滑台25及摩擦头16向前与摩擦盘17顶紧接触，即摩擦头16与摩擦盘17接触产生正压力(接触压力)；通过转动加力螺杆1来调节摩擦头16与摩擦盘17的正压力，读取法向力传感器5的数值，该数值就是摩擦头16顶在摩擦盘17上的正压力，利用摩擦系数计算公式，进而得到摩擦头16与摩擦盘17在不同压力条件下的摩擦系数；

步骤3)保持电机24的转动速度不变，通过丝杠30调整下滑台27的横向位置，使摩擦头16与摩擦盘17的回转中心产生偏心距离，由于摩擦头16在摩擦盘17上所处的径向位置不同从而形成不同的摩擦速度，摩擦头16与摩擦盘17所产生的摩擦力通过切向力传感器14读数，再结合杠杆原理的换算及摩擦系数计算公式，得到不同速度条件下的摩擦系数；

继续调节电机24的转动速度，使摩擦头16与摩擦盘17的相对摩擦速度达到一个更宽的范围。

步骤4)在摩擦头16与摩擦盘17的接触面添加不同的润滑介质，得到不同润滑介质条件下的摩擦系数；

步骤5)分别在步骤1)-步骤4)的基础上，通过单一或组合改变上述的摩擦配对材料、润滑介质、转动速度、压力，通过法向力传感器5测得作用于摩擦盘17表面的正压力数值，通过切向力传感器14读数及基于杠杆原理推算出实际摩擦力，通过摩擦系数的计算公式，得到摩擦头16与摩擦盘17之间，不同摩擦配对材料、润滑介质、不同速度、不同压力条件下的摩擦系数。

参照图3，摩擦力f通过公式f＝f₁×l₁/l求解，其中，f为摩擦力，f₁为切向力传感器14读数，l为摆轴10的回转中心到摩擦盘17表面的距离，l₁为摆轴10的回转中心到切向力传感器14轴线的距离。

法向力传感器5测得正压力N，则摩擦系数μ通过公式μ＝f/N求解。

Claims (3)

1.一种变工况条件下摩擦系数测量方法，利用一种变工况条件下摩擦系数测量装置，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1)将其中的一种摩擦材料制作为摩擦盘(17)，将另一种摩擦材料制作为摩擦头(16)；

步骤2)启动电机(24)，摩擦盘(17)旋转，摩擦头(16)不转动；在摩擦盘(17)的转动过程中，向前拧动加力螺杆(1)，加力螺杆(1)前端通过钢球一(3)、垫块一(4)、法向力传感器(5)、定位块一(6)顶紧加载挡板(7)，加载挡板(7)再带动上滑台(25)及摩擦头(16)向前与摩擦盘(17)顶紧接触，即摩擦头(16)与摩擦盘(17)接触产生正压力；通过转动加力螺杆(1)来调节摩擦头(16)与摩擦盘(17)的正压力，读取法向力传感器(5)的数值，该数值就是摩擦头(16)顶在摩擦盘(17)上的正压力，利用摩擦系数计算公式，进而得到摩擦头(16)与摩擦盘(17)在不同压力条件下的摩擦系数；

步骤3)保持电机(24)的转动速度不变，通过丝杠(30)调整下滑台(27)的横向位置，使摩擦头(16)与摩擦盘(17)的回转中心产生偏心距离，由于摩擦头(16)在摩擦盘(17)上所处的径向位置不同从而形成不同的摩擦速度，摩擦头(16)与摩擦盘(17)所产生的摩擦力通过切向力传感器(14)读数，再结合杠杆原理的换算及摩擦系数计算公式，得到不同速度条件下的摩擦系数；

步骤4)在摩擦头(16)与摩擦盘(17)的接触面添加不同的润滑介质，得到不同润滑介质条件下的摩擦系数；

步骤5)分别在步骤1)-步骤4)的基础上，通过单一或组合改变上述的摩擦配对材料、润滑介质、转动速度、压力，通过法向力传感器(5)测得作用于摩擦盘(17)表面的正压力数值，通过切向力传感器(14)读数及基于杠杆原理推算出实际摩擦力，通过摩擦系数的计算公式，得到摩擦头(16)与摩擦盘(17)之间，不同摩擦配对材料、润滑介质、不同速度、不同压力条件下的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的变工况条件下摩擦系数测量方法，其特征在于，所述的变工况条件下摩擦系数测量装置的结构是，包括箱体(23)和下滑台(27)，箱体(23)固定安装在底板(29)上表面左边，下滑台(27)下表面通过一对下导轨副(28)滑动安装在底板(29)上表面右边的两个长凸台上，在下滑台(27)与底板(29)之间设置有丝杠机构；

箱体(23)的左侧立板上固定安装有电机(24)，箱体(23)的右侧立板上固定安装有定位套筒(20)，定位套筒(20)内腔中通过两组轴承套装有摩擦盘轴(19)，摩擦盘轴(19)右端头固定安装摩擦盘连接件(18)，摩擦连接件(18)右端面安装有摩擦盘(17)；摩擦盘轴(19)左端头通过锁紧螺母(21)、联轴器(22)与电机(24)的传动轴一体连接；

下滑台(27)上表面右边固定安装有螺杆支座(2)，螺杆支座(2)中沿轴向设置有加力螺杆(1)，下滑台(27)上表面左边设置有一对轴向的上导轨副(26)，该对上导轨副(26)中滑动安装有上滑台(25)；上滑台(25)顶面右边固定有加载挡板(7)；加力螺杆(1)依次通过钢球一(3)、垫块一(4)、法向力传感器(5)及定位块一(6)与加载挡板(7)顶紧接触；

上滑台(25)顶面中间固定有一对回转支撑(8)，该对回转支撑(8)中套装有横向的回转轴(9)，回转轴(9)与摆轴(10)右端固定连接；摆轴(10)左端头固定安装有摩擦头(16)；摆轴(10)中间段圆周上套装有滑套(11)，滑套(11)下部依次通过钢球二(12)、垫块二(13)、切向力传感器(14)、定位块二(15)支撑在上滑台(25)上。

3.根据权利要求2所述的变工况条件下摩擦系数测量方法，其特征在于，所述的丝杠机构包括丝杠(30)及丝母(31)，丝杠(30)与丝母(31)螺纹传动连接，丝杠(30)通过两个安装座设置在底板(29)上，丝母(31)固定在下滑台(27)的底面。