球軸承摩擦力矩測量儀的設計與應用*

趙　坤，戎　榕

球軸承摩擦力矩測量儀的設計與應用*

趙坤，戎榕

（慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301）

為測量在不同載荷、轉速等條件下球軸承的摩擦力矩特性，設計制造了球軸承摩擦力矩測量儀。介紹了測量儀的測量原理與技術方案。該測量儀模擬了軸承的載荷、轉速、偏轉力矩等工況，測量了軸承的摩擦力矩。對測量數(shù)據(jù)分析表明，該摩擦力矩測量儀能滿足預定的設計要求，具有良好的穩(wěn)定性，測量數(shù)據(jù)準確可靠，可為各種軸承摩擦力矩的測量提供準確的數(shù)據(jù)支持。

球軸承；摩擦力矩測量儀；載荷；轉速；偏轉力矩

1　前言

球軸承摩擦力矩是指軸承內(nèi)、外套圈相對轉動時各種摩擦因素對球軸承旋轉構成的阻力矩，不僅涉及軸承結構、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、潤滑條件及環(huán)境等參數(shù)有關，各種因素相互作用，相互干擾，分析過程復雜［1］。對于摩擦力矩的理論計算有較多文獻論述［2-6］，但是理論計算結果與實驗測量結果有較大的差異［7］。因此，開發(fā)與使用摩擦力矩測量儀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量儀主要是測量軸承的動態(tài)摩擦力矩，在測量時提取出球軸承旋轉過程中的各種摩擦力矩值，如最大值與平均值等。

2　軸承摩擦力矩測量儀設計

2.1測量原理

測量原理為力矩平衡原理，即動態(tài)機械運動部件做勻速運動時，勢必對機體本身產(chǎn)生作用力，同時機體也會對運動部件產(chǎn)生反作用力?；剞D機械轉動時，其主軸受到轉矩的影響必然會在機體上產(chǎn)生一個平衡力矩。對機體上的平衡力矩值的大小進行測量，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)力矩平衡原理測量摩擦力矩的原理圖如圖 1 所示。

當電機驅動主軸旋轉時，由于被測軸承內(nèi)圈與主軸連接在一起，被測軸承內(nèi)圈會隨著主軸旋轉。由于軸承內(nèi)部摩擦力矩的影響會使得軸承外圈將隨內(nèi)圈一起轉動或有轉動的趨勢，但外圈在軸向壓力的作用下保持相對靜止狀態(tài)。為了使被測軸承摩擦力矩保持動態(tài)平衡狀態(tài)，需要通過力矩傳感器對被測軸承內(nèi)圈上施加一個力矩，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。當這兩個力矩達到平衡時，力矩傳感器所施加的力矩就是軸承的摩擦力矩M。

圖1　力矩平衡法測量原理圖

2.2測量儀的技術要求

本摩擦力矩測量儀所檢測的QJ210軸承應用于國外某知名廠家E系列轎車的電動助力轉向機中，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規(guī)范要求的規(guī)格之內(nèi)。

根據(jù)客戶圖紙及技術規(guī)范要求，測量儀應滿足的測試條件為：軸向載荷150N，傾斜載荷5N.m，轉速45r/min，內(nèi)圈順時針旋轉，采樣時間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)須無級可調；能夠實時監(jiān)測軸承的運轉狀態(tài)，顯示并保存軸承在測試過程中的相關參數(shù)。

2.3測量儀的技術方案

測量儀包括軸承加載驅動和狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集處理兩部分，圖 2 為測量系統(tǒng)原理圖。

圖2　測量系統(tǒng)示意圖

2.3.1加載驅動部分

加載驅動部分由動力系統(tǒng)、軸承測量系統(tǒng)、加載系統(tǒng)組成，使軸承能夠在不同的載荷、轉速下運轉。

（1）測量儀由200W伺服電機提供動力，由伺服驅動器實現(xiàn)外部無級調速。

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

（3）各工位及檢查動作間均連鎖保護并采用工業(yè)電腦控制，圖 3 為測量儀工作部件基本結構。被測軸承位于軸承壓盤的軸承室內(nèi)，通過軸承壓盤對外圈施加軸向載荷，轉軸驅動軸承內(nèi)圈旋轉。傾斜力伺服電機利用等臂等力原理，通過等臂力矩壓頭給軸承外圈定點施加壓力至設定傾斜載荷。

圖3　測量儀工作部件基本結構

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

狀態(tài)監(jiān)測、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，可以實時監(jiān)測被測量軸承的運轉狀態(tài)。

（1）轉速參數(shù)測量。采用霍爾傳感器測量主軸轉速，通過數(shù)字顯示儀顯示轉速。

（2）摩擦力矩測量。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，具有良好的人機界面，可以完成數(shù)據(jù)采集、記錄、數(shù)據(jù)曲線動態(tài)實時顯示等功能，測量監(jiān)控界面見圖 4。

圖4　測量監(jiān)控界面

（4）軟件根據(jù)設定頻率實時記錄軸向載荷、傾斜載荷、轉速、摩擦力矩值并存儲。測量結束自動提取平均值、最大值并顯示。

2.3.3測量儀的設計要點

設計要點主要包含力矩傳感器與壓力傳感器的選型、伺服電機的選型、軸承旋轉機構設計、自身摩擦力矩的剔除等四個方面。

（1）傳感器選型

對力矩傳感器主要確定扭矩類型、靜止/旋轉扭矩以及轉速要求。

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）伺服電機選型

考慮以下三點：轉速、扭矩、慣量。加在電機上的轉矩應小于電機連續(xù)額定力矩的50%，防止電機過熱。電機額定轉速范圍應滿足軸承的測試轉速。

轉動慣量是表征剛體轉動慣性大小的物理量，它與剛體的質量、質量相對于轉軸的分布有關?？紤]轉動慣量與響應速度對測量結果的影響，本測量儀為恒定轉速檢測，需要避免外界擾動的影響，因此確定軸承的負載慣量與電機慣量之比為一。

（3）軸承旋轉機構

軸承旋轉機構如圖 5 所示，是整個測量系統(tǒng)的核心部分?；遢S承選擇4級精度角接觸軸承，軸承定位盤軸承選擇4級精度推力球軸承。轉軸配磨，保證旋轉時的同心度。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

為消除測量儀自身旋轉部件產(chǎn)生的摩擦力矩對測試結果的影響，設置了“去皮”程序。即在不放置測試軸承、其他測試條件相同的情況下，測試系統(tǒng)的摩擦力矩值，該測試值作為測量儀的初始力矩值，在測量軟件中予以剔除。

圖5　軸承旋轉機構圖

3　軸承摩擦力矩的測量分析

3.1測量過程

在研制的專用摩擦力矩測量儀上，根據(jù)測試要求，評估測量儀的準確性和穩(wěn)定性，測量儀加載部分如圖 6 所示。

圖6　測量儀加載部分

該摩擦力矩測量儀的測試步驟：

（1）人工將需測量的QJ210軸承裝入軸承定位盤，并將軸承壓盤裝到外圈上。

（2）伺服電機驅動滾珠絲杠，把施壓盤下壓至被測量軸承并達到設定軸向載荷值，壓力傳感器實時反饋軸向載荷。

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

（4）摩擦力矩測量工位伺服電機開始工作，轉軸帶動被測軸承內(nèi)圈旋轉，轉速提升至所設置轉速45r/min。

（5）以上動作按要求完成后，系統(tǒng)按照規(guī)定采樣時間測量軸承摩擦力矩，測量完成，所有動作回原位。測量儀自動提取被測量軸承摩擦力矩平均值、最大值并顯示。

（6）更換被測量軸承，重復（1）-（6）。

3.2測量數(shù)據(jù)分析

三名檢測員A、B、C對10套QJ210軸承分別檢測3次，摩擦力矩平均值檢測數(shù)據(jù)如表 1 所示。利用Minitab軟件，對該測量儀的重復性和再現(xiàn)性（GR&R）進行評價，其結果如圖 7 所示。從圖中可以看出，GR&R分析結果為7.25%，滿足測量系統(tǒng)GR&R≤10%的標準。表明該測量儀的重復性、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結果

4　結論

摩擦力矩測量儀是研究軸承內(nèi)部摩擦的重要手段之一，本測量儀主要是測量軸承的動態(tài)摩擦力矩。測量結果表明，該摩擦力矩測量儀能滿足預定的設計要求，具有良好的穩(wěn)定性，測量數(shù)據(jù)準確可靠，能準確反映被測軸承在規(guī)定條件下的摩擦力矩，為軸承優(yōu)化設計和評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測依據(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］ 朱愛華，朱成九，張衛(wèi)華. 滾動軸承摩擦力矩的計算分析［J］. 軸承， 2008， （7）： 1-3.

［3］ 李建華， 張葵， 盧振偉. 表面特性對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算［J］.軸承，2001（1）：8-l1.

［5］ 劉澤九，賀士荃，劉暉. 滾動軸承應用［M］.北京：機械工業(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量研究［J］.潤滑與密封，2013（8）：32-38.

［7］ 陳龍，史朋飛，李正國等. 四點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年重大專項資助（2015B11012）.