配对轴承摩擦力矩测量仪

魏力, 张双贵, 段富宣 ,叶亚飞，高奋武

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

某系统平台在较强的振动、冲击条件下低速工作，要求轴承在轴向和径向承载下具有较高的定位精度和较低的摩擦力矩。配对角接触球轴承由于可提高支承的刚度、旋转精度并减小振动而被采用[1]。

配对轴承摩擦力矩的大小和波动直接影响系统的寿命、稳定性和可靠性。在施加轴向载荷和径向载荷的工况下，对配对轴承摩擦力矩进行准确的测量，可以为配对轴承摩擦性能的评定和分析提供可靠的依据。因此，设计了配对轴承摩擦力矩测量仪。

1 测量原理

配对轴承摩擦力矩测量仪如图1所示，被测轴承垂直配对安装在驱动主轴上，轴向加载机构和径向加载机构分别施加轴向载荷和径向载荷于被测轴承，被测轴承外圈安装测量外套并与传感器相连。当电动机带动驱动主轴驱动被测轴承内圈旋转时，由于摩擦力矩的存在，会带动被测轴承外圈旋转，而传感器弹性体变形所产生的力矩会阻碍被测轴承外圈转动，此时被测轴承的摩擦力矩与传感器的阻碍力矩保持动态平衡，通过传感器即可测量轴承的摩擦力矩大小与变化。

2 机械结构

如图1所示，测量仪主要由测量机构、轴向加载机构、径向加载机构和传动部件4部分组成。

1—电动机；2—密珠轴系；3—测杆；4—力传感器；5—测量外套；6—驱动主轴；7—轴向加载机构；8—滚动导轨；9—轴向力传感器；10—轴向加载套；11—被测轴承；12—径向加载机构；13—径向加载支承；14—径向载荷

2.1 测量部分

摩擦力矩的测量是应用力传感器通过与测杆组成的力臂的作用转换成力矩的测量，传感器采用目前广泛应用的电阻应变式传感器，具有高灵敏性和良好的稳定性[2]。传感器前置电路由精密检测装置放大器、双通道低通滤波器和可调式传感激励器3个部分组成，具体包含输入偏移量调节(可将输入偏移量调零)；激励电压调节；输出偏移量调节(调节输出电压可以对固定负载进行补偿，平衡桥路)；滤波器截止频率的设计；输入保护装置等功能。具有低输入失调温漂、良好的非线性度、低噪声和低共模抑制比等特点，可满足测量需求。

2.2 轴向加载机构

轴向加载机构如图2所示，由气缸、轴向力传感器、直线导轨和加载轴等组成。当给气缸供气时，气缸会产生向下的压力(即轴向载荷)，并经轴向力传感器和加载轴传递到被测轴承上。其中，轴向载荷的大小通过调节供气压力控制；轴向力传感器用于测量轴向载荷的大小；加载轴将轴向载荷直接作用于被测轴承上；直线导轨采用滚动导轨，具有良好的导向性和灵活性，用来保证加载过程中加载轴运动的直线度，实现精确加载。

1—气缸；2—轴向力传感器；3—加载轴；4—直线导轨；5—被测轴承

2.3 径向加载机构

径向加载机构如图3所示。被测轴承安装在测量外套内，加载盘由转动支承支承并通过细线与被测轴承水平连接，径向载荷通过加载盘传递和载荷支承传递并转向后施加到被测轴承上。

1—测量外套；2—被测轴承；3—细线；4—加载盘；5—转动支承； 6—载荷支承；7—径向载荷

测量过程中，测量外套只是随传感器弹性体的弹性变形进行微动，转动支承选用低摩擦灵敏轴承，保证加载盘微动时的灵活性，载荷支承采用滚动支承，使径向载荷可准确施加到被测轴承上。

2.4 传动部件

传动部件主要包括驱动轴系、电动机、同步带和带轮。驱动轴系采用密珠主轴，具有较高的旋转精度和轴、径向承载能力，可提高测量精度和可靠性；电动机采用直流力矩测速机组，转速在0.5 ～30 r/min无级可调，保证在低速下的测量要求。

3 测量及误差分析

3.1 测量与控制过程

测量前，需安装被测轴承及其更换件，并通过直线导轨将传感器移到工作位置，完成准备工作。

整个测量过程采用人机对话方式进行测量和控制，具体流程如图4所示。首先，计算机给出轴向加载指令，由I/O输出后经继电器驱动启动轴向加载电磁阀，轴向加载气缸施加轴向载荷；接着，计算机给出径向加载指令，由I/O输出经继电器驱动启动径向加载电磁阀，径向加载气缸施加径向载荷；然后计算机给出开始测量指令，由I/O输出启动电动机，测量系统开始采样，由传感器输出，将传感器接收到的轴承摩擦力矩信号，经前置放大滤波、模数转换器A/D转换后送入计算机进行数据处理，获取轴承的摩擦力矩大小与变化曲线。

图4 测量与控制原理流程图

3.2 误差分析

存在的误差主要有2个方面：

(1)主轴跳动造成的误差。主要包括主轴振动带来的测值不稳和主轴跳动导致传感器测点与主轴中心线距离的偏差而形成的测量值偏差。减小此项误差的方法是提高工件的制造精度。

(2)径向加载造成附加力矩的误差。径向加载直接施加在被测轴承外圈上，径向加载机构中支承的摩擦力会产生附加力矩，但在校准过程中，仅将该支承的摩擦力矩的平均值作为定值进行修正，其误差值为相对于平均值的波动值。减小此项误差的办法是减小径向支承的摩擦力，可使用具有极小摩擦力的微型轴承或者空气轴承。

4 结束语

设计的配对轴承摩擦力矩测量仪解决了配对轴承在轴向和径向载荷作用下摩擦力矩的测量难题，为评定配对轴承的摩擦性能提供了可靠的依据，可用于分析配对轴承的预紧状态，为提高轴承质量，改进轴承工艺参数提供可靠依据。