胡波，高奮武，李國(guó)斌，廖家祥，劉金秀

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

滾針軸承徑向結(jié)構(gòu)緊湊，僅能承受徑向載荷,特別適用于徑向安裝尺寸受限的支承結(jié)構(gòu)。根據(jù)使用場(chǎng)合，可選用無(wú)內(nèi)圈的軸承或滾針和保持架組件。承受徑向載荷時(shí)，滾針軸承的摩擦力矩是一個(gè)變量，影響因素相當(dāng)復(fù)雜，重復(fù)測(cè)量時(shí)可能相差較大。為獲得較穩(wěn)定的摩擦性能，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的測(cè)量結(jié)果和摩擦力矩變化曲線進(jìn)行科學(xué)分析。傳統(tǒng)的摩擦力矩測(cè)量方法(吊砝碼測(cè)量法)可以實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度，但測(cè)量效率低，而且不能反映摩擦力矩的變化曲線，無(wú)法滿足摩擦力矩的測(cè)量需要[1]。因此，開發(fā)了滾針軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x。

1 測(cè)量原理

儀器的測(cè)量原理[2]為平衡法，即向被測(cè)軸承施加大小相等、方向相反的平衡力矩，通過(guò)其變化反映被測(cè)軸承實(shí)際摩擦力矩的變化。

測(cè)量原理如圖1所示。被測(cè)軸承安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，當(dāng)內(nèi)圈(滾針)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸承內(nèi)部存在摩擦力，摩擦力矩驅(qū)動(dòng)軸承外圈旋轉(zhuǎn)；被測(cè)軸承外圈通過(guò)測(cè)量環(huán)與力矩傳感器連接，力矩傳感器測(cè)桿阻礙外圈的旋轉(zhuǎn)，并與軸承內(nèi)部摩擦力矩相平衡；由力矩傳感器將軸承摩擦力矩轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸至計(jì)算機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出正、反向的最大力矩值、平均力矩值和力矩差值等6項(xiàng)測(cè)量結(jié)果，以及正、反向摩擦力矩變化曲線。

圖1 測(cè)量原理示意圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為驅(qū)動(dòng)部分，測(cè)量部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分。

驅(qū)動(dòng)部分由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)軸系組成，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(直流同步電動(dòng)機(jī))通過(guò)同步帶輪與驅(qū)動(dòng)軸系連接，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)。

測(cè)量部分由滾針軸承、測(cè)量環(huán)、測(cè)量心軸和力矩傳感器組成，滾針軸承通過(guò)測(cè)量心軸安裝在驅(qū)動(dòng)軸系上，測(cè)量環(huán)套在軸承外圈上并與力矩傳感器的測(cè)桿連接。

轉(zhuǎn)動(dòng)部分由轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和撥桿組成，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī))通過(guò)撥桿撥動(dòng)測(cè)量環(huán)，帶動(dòng)軸承外圈旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。

測(cè)量時(shí)，力矩傳感器固定在導(dǎo)軌A上并與測(cè)量環(huán)連接；導(dǎo)軌B定位后推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)到工作位置，使撥桿到達(dá)能撥動(dòng)測(cè)量環(huán)的位置；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，使心軸帶動(dòng)滾針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)；力矩傳感器阻礙外圈旋轉(zhuǎn)并與滾針軸承摩擦力矩保持動(dòng)態(tài)平衡，其輸出即為滾針軸承的摩擦力矩，至此完成一個(gè)測(cè)量過(guò)程。測(cè)量完成后，退出轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，取下測(cè)量環(huán)并拆卸滾針軸承。

1—驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；2—驅(qū)動(dòng)軸系；3—力矩傳感器；4—導(dǎo)軌A；5—測(cè)量環(huán)；6—滾針軸承；7—撥桿；8—轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；9—導(dǎo)軌B

3 測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 滾針軸承的定位

為保證滾針與測(cè)量心軸能夠很好地接觸并定位，將測(cè)量心軸設(shè)計(jì)成類似彈簧卡具的形式。如圖3所示，測(cè)量心軸軸頭上加工有錐孔，使用卡頭與錐孔配合，使軸頭膨脹微變形，從而使測(cè)量心軸與滾針緊密配合并定位。

需要注意的是，此時(shí)測(cè)量心軸表面直接作為軸承滾針滾動(dòng)表面，為保證承載和運(yùn)轉(zhuǎn)性能與有套圈的軸承相同，測(cè)量心軸滾道表面的硬度，加工精度和表面質(zhì)量應(yīng)與軸承套圈的滾道相仿。

1—軸承外圈；2—測(cè)量環(huán)；3—滾針；4—測(cè)量心軸；5—卡頭；6—力矩傳感器測(cè)桿；7—力矩傳感器

3.2 徑向加載

測(cè)量時(shí)需要向被測(cè)軸承施加一定的徑向載荷，徑向載荷根據(jù)軸承型號(hào)具體確定，其大小即測(cè)量環(huán)的自重。

3.3 多點(diǎn)測(cè)量過(guò)程

徑向載荷靠測(cè)量環(huán)的自重施加，易造成被測(cè)軸承受力不均，只進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量并不能真實(shí)反映軸承的力矩變化情況，因此在外圈上每隔90°選擇1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

如圖4所示，測(cè)量環(huán)上開有8個(gè)槽，任取其中1個(gè)作為測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)測(cè)量完成后，將力矩傳感器撤出，使傳感器測(cè)桿脫離測(cè)量槽，然后電氣系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)撥桿旋轉(zhuǎn)，撥動(dòng)測(cè)量環(huán)(軸承外圈)旋轉(zhuǎn)90°后與槽脫離，以免帶入附加力矩。傳感器測(cè)桿通過(guò)導(dǎo)軌A伸入測(cè)量槽，進(jìn)入下一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量。

圖4 測(cè)量環(huán)示意圖

4 儀器測(cè)量程序流程圖

儀器單點(diǎn)測(cè)量程序的流程圖如圖5所示。

圖5 儀器的單點(diǎn)測(cè)量程序流程圖

5 儀器校準(zhǔn)

儀器的校準(zhǔn)采用輸入標(biāo)準(zhǔn)力矩值與儀器實(shí)際輸出測(cè)量值相比較的方法。設(shè)計(jì)的專用定標(biāo)鑒定裝置如圖6所示，校準(zhǔn)心軸安裝于軸系上并用螺釘緊固，校準(zhǔn)軸承(型號(hào)618/3)和校準(zhǔn)輪安裝于校準(zhǔn)心軸上，傳感器測(cè)桿推至測(cè)量位置與校準(zhǔn)輪相連，由絲線將標(biāo)準(zhǔn)砝碼力施加到校準(zhǔn)輪上，將標(biāo)準(zhǔn)砝碼和校準(zhǔn)輪半徑作為輸入標(biāo)準(zhǔn)力矩，傳感器輸出力矩即實(shí)際測(cè)量值。

測(cè)量精度即為力臂L和砝碼質(zhì)量F乘積所算出的標(biāo)準(zhǔn)力矩M(M=0.009 8FL)與儀器測(cè)量值M0之間的差值。其中力臂L精度±0.01，砝碼質(zhì)量精度級(jí)別M3，可滿足精度要求。 根據(jù)砝碼質(zhì)量和砝碼輪半徑，分別計(jì)算出砝碼所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)力矩值。

1—校準(zhǔn)輪；2—校準(zhǔn)軸承；3—校準(zhǔn)心軸；4—傳感器測(cè)桿； 5—砝碼

6 結(jié)束語(yǔ)

滾針軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化程度較高，可以進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量并顯示摩擦力矩的變化曲線，便于用戶對(duì)摩擦力矩變化情況進(jìn)行直觀、綜合的分析。