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某轴承摩擦力矩测试装置的设计原理分析

目录

TOC\o1-3\h\u14594某轴承摩擦力矩测试装置的设计原理分析 1

215121.1轴承摩擦力矩测量法 1

58731.1.1传递测量法 1

306481.1.2平衡测量法 2

267691.1.3能量测量法 2

280091.1.4分析小结 3

260921.2轴心加载法原理设计 3

326891.2.1轴心加载法原理 3

79751.2.2传感器的初始拉（压）力 4

221161.2.3预紧力 4

71721.2.4预紧力计算 5

175481.3整体设计方案 5

测量轴承摩擦力矩由于会受到诸多因素的影响，只能通过实验得出相对精确的值。通过查阅文献可知测量轴承摩擦力矩的方法一般被总结为三种：传递测量法、平衡测量法和能量测量法。

1.1轴承摩擦力矩测量法

1.1.1传递测量法

传递测量法又被称为直接测量法，传递测量法原理图如图1.1所示，传感器安装在驱动和轴承的中间作为传递体，当轴承外圈(或内圈)旋转时，内圈(或外圈)固定不动，将轴承摩擦力矩转变为容易测量的物理量，如：角度、应力、应变、弹性变形等，再通过转化来计算摩擦力矩。M992型轴承摩擦力矩测量仪就是基于传递测量法设计的一种小型轴承的摩擦力矩测试仪，其原理是测量转矩角的变化来计算摩擦力矩[27]。

图1.1传递测量法原理图

1.1.2平衡测量法

平衡测量法也称平衡力矩法，基于牛顿第三定律（作用力与反作用力），测量与轴承摩擦力矩相平衡的力[28]。平衡测量法原理图如图1.2所示,轴承外圈(或内圈)旋转时,轴承内圈(或外圈)有转动的趋势,内圈(或外圈)连接的传感器阻碍轴承内圈(或外圈)旋转,使轴承内外圈保持动态平衡,通过传感器测得的平衡力矩或者平衡力即为轴承摩擦力矩。因力矩传感器成本较高，所以测量过程中大多使用力传感器，所得力矩M=

图1.2平衡测量法原理图

1.1.3能量测量法

能量测量法又称间接测量法，是利用其他能量参数来表示摩擦力矩的方法。能量转化法原理图如图1.3所示,驱动轴承内圈(或外圈)旋转时,外圈(或内圈)固定不转,轴承摩擦力矩作为负载力矩会消耗能量,消耗的能量与轴承摩擦力矩存在线性关系,通过测量驱动单元消耗的能量即可得出轴承摩擦力矩[29]。

图1.3能量转换法原理图

1.1.4分析小结

对以上三种测量方法进行总结：传递测量法精度高，但安装复杂，操作不便，只适用摩擦力小的情况；能量测量法可测试的各种情况下的轴承摩擦力矩，但成本高，且由于各种不明因素影响导致精度较差；平衡力矩法测试方式灵活，实用性强，精度符合，测试系统稳定，但会受到装置加工精度和传感器精度的影响。因此本次设计以平衡力矩法原理为基础进行轴承摩擦力矩测量装置的设计。参考实验室以往测量矿用带式输送机托辊旋转阻力和滚动轴承阻力测试装置的经验，基于平衡力矩法的原理提出轴心加载法原理。

1.2轴心加载法原理设计

1.1.1轴心加载法原理

滚动轴承摩擦力矩测试的轴心加载法的基本原理如图1.4所示。被测轴承内圈在驱动轴的支承和带动下沿顺时针方向转动，通过夹具夹持轴承外圈，在夹具的下方挂有砝码，上方通过拉压传感器来测试摩擦力矩。夹具下方的重量为W的砝码就是施加给轴承的径向载荷，这个径向载荷与普通轴承受力是类似的，它由驱动轴支承，作用线通过驱动轴轴心，所以称为轴心加载法。如果轴承是静止的，摩擦力矩M=0，重力W通过轴心，传感器上的拉力F=0。如果驱动轴顺时针转动，轴承外圈和夹具会受到一个顺时针方向的摩擦力矩M，而传感器的拉力F会与这个力矩相平衡以阻止外圈转动。图1.4原理图

滚动轴承摩擦力矩的简单计算公式为：M

其中：M是滚动轴承的摩擦力矩，F是传感器上测试得到的拉力，L1是夹具上的传感器测试力臂。

1.1.2传感器的初始拉（压）力

拉压传感器是通过应变片的变形来检测拉压力的，如果传感器不能准确地安装在距离夹具上着力点为L3的位置上，夹具就会被传感器拉（推）动而旋转一个角度，这会给传感器造成一个初始拉（压）力。这个初始拉（压）力的大小正比于夹具的转角，还正比于砝码的大小。因为这个初始拉（压）力是由于安装误差产生的，所以我们无法控制其大小，甚至无法控制其方向（拉还是压）。

为了克服这种因为安装误差造成的初始拉（压）力不稳定的问题，我们可以把传感器安装在一个移动滑台上，如图。这样我们就可以通过移动传感器的位置改变初始拉（压）力的大小。

调节传感器的位置，我们可以使传感器所受到的初始拉（压）力为零，看上去这个问题似乎这样就已经解决了。实际上，首先是拉压传感器