趙　坤，戎　榕

球軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

趙坤，戎榕

（慈興集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，浙江 寧波 315301）

為測(cè)量在不同載荷、轉(zhuǎn)速等條件下球軸承的摩擦力矩特性，設(shè)計(jì)制造了球軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x。介紹了測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理與技術(shù)方案。該測(cè)量?jī)x模擬了軸承的載荷、轉(zhuǎn)速、偏轉(zhuǎn)力矩等工況，測(cè)量了軸承的摩擦力矩。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析表明，該摩擦力矩測(cè)量?jī)x能滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，具有良好的穩(wěn)定性，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可為各種軸承摩擦力矩的測(cè)量提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

球軸承；摩擦力矩測(cè)量?jī)x；載荷；轉(zhuǎn)速；偏轉(zhuǎn)力矩

1　前言

球軸承摩擦力矩是指軸承內(nèi)、外套圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各種摩擦因素對(duì)球軸承旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的阻力矩，不僅涉及軸承結(jié)構(gòu)、尺寸、幾何精度、材料及熱處理性能等參數(shù)，還與工作載荷、裝配精度、潤(rùn)滑條件及環(huán)境等參數(shù)有關(guān)，各種因素相互作用，相互干擾，分析過(guò)程復(fù)雜［1］。對(duì)于摩擦力矩的理論計(jì)算有較多文獻(xiàn)論述［2-6］，但是理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果有較大的差異［7］。因此，開(kāi)發(fā)與使用摩擦力矩測(cè)量?jī)x成為研究軸承摩擦力矩的重要手段。本文所論述的摩擦力矩測(cè)量?jī)x主要是測(cè)量軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩，在測(cè)量時(shí)提取出球軸承旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的各種摩擦力矩值，如最大值與平均值等。

2　軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

2.1測(cè)量原理

測(cè)量原理為力矩平衡原理，即動(dòng)態(tài)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，勢(shì)必對(duì)機(jī)體本身產(chǎn)生作用力，同時(shí)機(jī)體也會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生反作用力?；剞D(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其主軸受到轉(zhuǎn)矩的影響必然會(huì)在機(jī)體上產(chǎn)生一個(gè)平衡力矩。對(duì)機(jī)體上的平衡力矩值的大小進(jìn)行測(cè)量，就可以間接地確定主軸作用力矩的大小。這種原理就是力矩平衡原理。根據(jù)力矩平衡原理測(cè)量摩擦力矩的原理圖如圖 1 所示。

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于被測(cè)軸承內(nèi)圈與主軸連接在一起，被測(cè)軸承內(nèi)圈會(huì)隨著主軸旋轉(zhuǎn)。由于軸承內(nèi)部摩擦力矩的影響會(huì)使得軸承外圈將隨內(nèi)圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)或有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，但外圈在軸向壓力的作用下保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。為了使被測(cè)軸承摩擦力矩保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，需要通過(guò)力矩傳感器對(duì)被測(cè)軸承內(nèi)圈上施加一個(gè)力矩，使之與摩擦力矩大小相等且方向相反能夠相互平衡，形成平衡力矩。當(dāng)這兩個(gè)力矩達(dá)到平衡時(shí)，力矩傳感器所施加的力矩就是軸承的摩擦力矩M。

圖1　力矩平衡法測(cè)量原理圖

2.2測(cè)量?jī)x的技術(shù)要求

本摩擦力矩測(cè)量?jī)x所檢測(cè)的QJ210軸承應(yīng)用于國(guó)外某知名廠家E系列轎車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)中，客戶要求軸承摩擦力矩一致性良好，摩擦力矩須在圖紙及技術(shù)規(guī)范要求的規(guī)格之內(nèi)。

根據(jù)客戶圖紙及技術(shù)規(guī)范要求，測(cè)量?jī)x應(yīng)滿足的測(cè)試條件為：軸向載荷150N，傾斜載荷5N.m，轉(zhuǎn)速45r/min，內(nèi)圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，采樣時(shí)間30s；在采樣期間，摩擦力矩平均值≤80N. mm，最大值≤95N.mm。載荷、速度參數(shù)須無(wú)級(jí)可調(diào)；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，顯示并保存軸承在測(cè)試過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)。

2.3測(cè)量?jī)x的技術(shù)方案

測(cè)量?jī)x包括軸承加載驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集處理兩部分，圖 2 為測(cè)量系統(tǒng)原理圖。

圖2　測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.3.1加載驅(qū)動(dòng)部分

加載驅(qū)動(dòng)部分由動(dòng)力系統(tǒng)、軸承測(cè)量系統(tǒng)、加載系統(tǒng)組成，使軸承能夠在不同的載荷、轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）測(cè)量?jī)x由200W伺服電機(jī)提供動(dòng)力，由伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)外部無(wú)級(jí)調(diào)速。

（2）考慮到設(shè)備后期擴(kuò)展性的要求，故載荷可調(diào)、轉(zhuǎn)速可調(diào)。采用伺服加載，HBM壓力傳感器監(jiān)控其加載力。

（3）各工位及檢查動(dòng)作間均連鎖保護(hù)并采用工業(yè)電腦控制，圖 3 為測(cè)量?jī)x工作部件基本結(jié)構(gòu)。被測(cè)軸承位于軸承壓盤的軸承室內(nèi)，通過(guò)軸承壓盤對(duì)外圈施加軸向載荷，轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。傾斜力伺服電機(jī)利用等臂等力原理，通過(guò)等臂力矩壓頭給軸承外圈定點(diǎn)施加壓力至設(shè)定傾斜載荷。

圖3　測(cè)量?jī)x工作部件基本結(jié)構(gòu)

2.3.2狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集處理部分

狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集處理部分由傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)量軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（1）轉(zhuǎn)速參數(shù)測(cè)量。采用霍爾傳感器測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速，通過(guò)數(shù)字顯示儀顯示轉(zhuǎn)速。

（2）摩擦力矩測(cè)量。采用力矩平衡原理，由HBM力矩傳感器施加平衡力矩，從而獲得被測(cè)軸承的摩擦力矩。

（3）數(shù)據(jù)采集軟件用VC++編寫，具有良好的人機(jī)界面，可以完成數(shù)據(jù)采集、記錄、數(shù)據(jù)曲線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示等功能，測(cè)量監(jiān)控界面見(jiàn)圖 4。

圖4　測(cè)量監(jiān)控界面

（4）軟件根據(jù)設(shè)定頻率實(shí)時(shí)記錄軸向載荷、傾斜載荷、轉(zhuǎn)速、摩擦力矩值并存儲(chǔ)。測(cè)量結(jié)束自動(dòng)提取平均值、最大值并顯示。

2.3.3測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包含力矩傳感器與壓力傳感器的選型、伺服電機(jī)的選型、軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自身摩擦力矩的剔除等四個(gè)方面。

（1）傳感器選型

對(duì)力矩傳感器主要確定扭矩類型、靜止/旋轉(zhuǎn)扭矩以及轉(zhuǎn)速要求。

壓力傳感器主要確定量程（最大加載壓力的2倍以上），并考慮壓力范圍、精度。

（2）伺服電機(jī)選型

考慮以下三點(diǎn)：轉(zhuǎn)速、扭矩、慣量。加在電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于電機(jī)連續(xù)額定力矩的50%，防止電機(jī)過(guò)熱。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)滿足軸承的測(cè)試轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的物理量，它與剛體的質(zhì)量、質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的分布有關(guān)。考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與響應(yīng)速度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本測(cè)量?jī)x為恒定轉(zhuǎn)速檢測(cè)，需要避免外界擾動(dòng)的影響，因此確定軸承的負(fù)載慣量與電機(jī)慣量之比為一。

（3）軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖 5 所示，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心部分?；遢S承選擇4級(jí)精度角接觸軸承，軸承定位盤軸承選擇4級(jí)精度推力球軸承。轉(zhuǎn)軸配磨，保證旋轉(zhuǎn)時(shí)的同心度。施壓盤采用球頭連接，保證壓盤與軸承外圈緊密接觸。

（4）自身摩擦力矩的剔除

為消除測(cè)量?jī)x自身旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的摩擦力矩對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，設(shè)置了“去皮”程序。即在不放置測(cè)試軸承、其他測(cè)試條件相同的情況下，測(cè)試系統(tǒng)的摩擦力矩值，該測(cè)試值作為測(cè)量?jī)x的初始力矩值，在測(cè)量軟件中予以剔除。

圖5　軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖

3　軸承摩擦力矩的測(cè)量分析

3.1測(cè)量過(guò)程

在研制的專用摩擦力矩測(cè)量?jī)x上，根據(jù)測(cè)試要求，評(píng)估測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測(cè)量?jī)x加載部分如圖 6 所示。

圖6　測(cè)量?jī)x加載部分

該摩擦力矩測(cè)量?jī)x的測(cè)試步驟：

（1）人工將需測(cè)量的QJ210軸承裝入軸承定位盤，并將軸承壓盤裝到外圈上。

（2）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，把施壓盤下壓至被測(cè)量軸承并達(dá)到設(shè)定軸向載荷值，壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋軸向載荷。

（3）傾斜力伺服電機(jī)壓縮彈簧工作，利用等臂等力原理，給軸承外圈定點(diǎn)施加壓力。顯示數(shù)值達(dá)到設(shè)定傾斜載荷5N.m，電機(jī)停止工作。

（4）摩擦力矩測(cè)量工位伺服電機(jī)開(kāi)始工作，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)被測(cè)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速提升至所設(shè)置轉(zhuǎn)速45r/min。

（5）以上動(dòng)作按要求完成后，系統(tǒng)按照規(guī)定采樣時(shí)間測(cè)量軸承摩擦力矩，測(cè)量完成，所有動(dòng)作回原位。測(cè)量?jī)x自動(dòng)提取被測(cè)量軸承摩擦力矩平均值、最大值并顯示。

（6）更換被測(cè)量軸承，重復(fù)（1）-（6）。

3.2測(cè)量數(shù)據(jù)分析

三名檢測(cè)員A、B、C對(duì)10套QJ210軸承分別檢測(cè)3次，摩擦力矩平均值檢測(cè)數(shù)據(jù)如表 1 所示。利用Minitab軟件，對(duì)該測(cè)量?jī)x的重復(fù)性和再現(xiàn)性（GR&R）進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果如圖 7 所示。從圖中可以看出，GR&R分析結(jié)果為7.25%，滿足測(cè)量系統(tǒng)GR&R≤10%的標(biāo)準(zhǔn)。表明該測(cè)量?jī)x的重復(fù)性、再現(xiàn)性符合要求。

圖7　10套QJ210軸承的摩擦力矩平均值GR&R分析

表 1 10套QJ210軸承摩擦力矩平均值檢測(cè)結(jié)果

4　結(jié)論

摩擦力矩測(cè)量?jī)x是研究軸承內(nèi)部摩擦的重要手段之一，本測(cè)量?jī)x主要是測(cè)量軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩。測(cè)量結(jié)果表明，該摩擦力矩測(cè)量?jī)x能滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，具有良好的穩(wěn)定性，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能準(zhǔn)確反映被測(cè)軸承在規(guī)定條件下的摩擦力矩，為軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)定軸承在不同速度與載荷等條件下的摩擦力矩提供了可靠的實(shí)測(cè)依據(jù)。

［1］ 鄭傳統(tǒng)，徐紹仁，楊德卿，等. 球軸承摩擦力矩的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］. 軸承，2009， （8）： 52-56.

［2］ 朱愛(ài)華，朱成九，張衛(wèi)華. 滾動(dòng)軸承摩擦力矩的計(jì)算分析［J］. 軸承， 2008， （7）： 1-3.

［3］ 李建華， 張葵， 盧振偉. 表面特性對(duì)靈敏軸承摩擦力矩的影響分析［J］. 軸承，1999， （9）： 17-19.

［4］ 張葵，李建華.球軸承摩擦力矩的分析計(jì)算［J］.軸承，2001（1）：8-l1.

［5］ 劉澤九，賀士荃，劉暉. 滾動(dòng)軸承應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［6］ 李松生，陳劍，凌杰. 高速微型球軸承摩擦力矩分析與測(cè)量研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2013（8）：32-38.

［7］ 陳龍，史朋飛，李正國(guó)等. 四點(diǎn)接觸球軸承摩擦力矩特性分析［J］.軸承，2013（1）：1-6.

（編輯：鐘媛）

Design and application of measuring instrument for ball bearing friction torque

Zhao Kun， Rong Rong
（Technology Center， Cixing Group Co.，Ltd.， Ningbo 315301， China）

For measuring friction torque under different condition of load and rotating speed and so on， a measuring instrument for friction torque of ball bearing has been designed and built. The principle of measurement， and technical proposal of the instrument are introduced. Tests which simulate working conditions of bearing loads， rotating speed and tilt torque conditions and so on for bearing friction torque were carried out. Results of tests show that friction torque measuring instrument can meet the intended design requirements， has a good stability， measuring data was accurate and reliable，so the instrument can provide precise friction torque data for some kinds of bearing.

ball bearing；friction torque measuring instrument； load； rotating speed； tilt torque

TH133.33+1

A

1672-4852（2016）03-0032-04

2016-07-26.

趙坤（1979-），男，工程師.

寧波市2015年重大專項(xiàng)資助（2015B11012）.