轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪的设计

摘 要 根据刚体定轴转动定律，结合光电传感器和单片机的测量技术，设计了满足通常物理实验条件下的轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪。该测试仪不仅可用于研究滚动轴承摩擦力矩的规律，还可用于其他受转动摩擦力矩影响的实验数据精确测量。

关键词 滚动轴承；摩擦力矩；测试仪

中图分类号：THl33 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0007-02

滚动摩擦力矩与轴承受力、转速、润滑等多种因素有

关[1][2]，在多数涉及滚动轴承转动的物理实验中要实现精确测量，必须测定不同工作条件下轴承的摩擦力矩，减小将摩擦力矩视为恒定而产生的测量误差。轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪的设计是针对通常实验室条件下轴承载重轻、转速低的情况而设计的。

1 测试仪的测量原理

根据刚体定轴转动的规律，通过测定转动系统的角加速度及对应的瞬时角速度，结合已定的转动系统的转动惯量测定不同载荷和转速等条件下的摩擦力矩。

1.1 滚动摩擦力矩的计算

刚体的定轴转动规律可表达为[3] ：

2 测试仪的构造

测试仪由转动系统和测量系统组成。转动系统的光电转换信号通过信号处理电路传输到单片机的测量系统，测量前可将转动系统的参数可输入到单片机中。

2.1 测试仪的转动系统

转动系统参照[4]改进而成，包括滚动轴承、与轴承固连的承物台、承物台上的转动刚体、两个光电门、U型挡光片、绕线塔轮、定滑轮、砝码和底座等。承物台上放置转动惯量已知的不同转动刚体以研究轴承的轴向力对滚动摩擦力矩的影响；换用质量不同的砝码通过细线拉着塔轮转动以改变轴承的最大转速，用来研究转速对摩擦力矩的影响。绕线塔轮上有一狭缝，绕线的一端先打一绳结塞入狭缝中，将线单层密绕在塔轮上，另一端通过定滑轮挂一砝码，当系统转到绕在塔轮上的线全部脱离塔轮时，线即从塔轮的狭缝中脱出，这时系统只受摩擦力矩的作用直到转动停止。

2.2 测试仪的测量系统

测量系统是由信号处理电路、单片机、操作面板和显示屏等组成的测试箱。信号处理电路实现光电信号的转换、放大和输出给单片机。单片机是处理系统的主体，根据输入的电信号通过程序控制实现脉冲计数实现时间、角速度、角加速度的计算；通过存储数据和根据不同工作模式进行数据筛选、输出等。操作面板是选择和控制单片机输出的人机交互界面，设有：T、β、F三种工作模式。T模式是时间模式，通过上、下档位键提取挡光片通过光电门的时刻；β模式是通过上、下档位键提取挡光片通过光电门挡光次数、挡光时的瞬时角速度和瞬时角加速度，实现摩擦力矩与转速关系的研究。F模式为筛选模式，通过该模式拓展了测试仪的用途，可用于精确测定刚体的转动惯量等。使用该模式时，单片机可筛选出绳结从塔轮狭缝中脱落前后，转动系统在加速和减速的两个过程中角速度相同或相近（如设定前后两个过程角速度之差小于0.5rads-1）条件下的角速度和对应的角加速度，通过上、下档位键输出所有数据组。显示屏采用LCD，按不同的工作模式输出行数和列数。

3 测试仪的指标设定和功能

3.1 测试仪的指标设定

由于光电感光器和选择高灵敏度的单片机[5]，输入光脉冲的时间间隔可低于0.1ms，结合单片机的数据输入、计算、筛选、存储和输出各方面的强大功能，测试仪具有较高的测量精度，测量参数和指标设定如下。

1）输入光脉冲的时间间隔0.1 ms。

2）计时范围0-150 s。

3）计时精度0.00005 s。

4）计时个数≤200个。

5）计算值精确到0.00001。

6）载荷≤10 kg。

7）砝码≤500 g。

8）转速≤1rs-1。

3.2 测试仪的功能

测试仪可用于研究滚动轴承摩擦力矩与轴向力、转速的关系，还可用于精确测定刚体转动惯量测定等。

用于研究滚动轴承摩擦力矩与轴向力的关系时，通过在承物台加载不同质量的转动刚体、提取β模式下减速过程中各角速度和其对应的角加速度，选择不同载物情况下具有相同转速时的角加速度值，通过（2）式结合已知的转动惯量，计算相同转速不同轴向力滚动轴承的摩擦力矩。

用于研究滚动轴承摩擦力矩与转速的关系时，保持载物一定，通过提取β模式下减速过程中各角速度和其对应的角加速度的值，通过（2）式结合已知的转动惯量，计算相同轴向力时不同转速时的滚动轴承的摩擦力矩。

使用测试仪的F模式可用于精确测定刚体转动惯量等，在充分减小定滑轮摩擦和保持砝码运动的加速度a<

（6）

式中，m为砝码质量，r为塔轮半径，β、β'分别为绳结从塔轮狭缝中脱落前后在同一转速时的加速和减速两个过程角加速度大小。选择F模式，提取在加速和减速两个过程中转速相同或相近时对应的角加速度，利用（6）式计算出转动系统的转动惯量。

此外，测试仪还能较精确地进行刚体转动定律和刚体平行轴定理等的一系列实验研究。

4 结束语

利用光电传感器的高灵敏度接收、转换和单片机在计算、筛选等方面的强大功能，以刚体定轴转动动力学规律进行滚动轴承的摩擦力矩测量，实现滚动摩擦力矩与轴向力、转速关系的研究。测试仪还可用于其他受转动摩擦力矩影响的实验数据精确测量。

参考文献

[1]张葵，李建华.球轴承摩擦力矩的分析计算[J].轴承，2001（01）.

[2]张永，夏新涛，王中宇，李建华.滚动轴承摩擦力矩的预测方法研究[J].轴承，2006（10）.

[3]张艳亮.刚体转动惯量测定实验中阻力矩与角速度关系的研究[J].大学物理实验，2012（05）.

[4]滕道祥.大学物理实验教程[M].北京：中国电力出版社2009.

[5]谢瑞和主编.串行技术大全[M].清华大学出版社，2003.

作者简介

张秀民（1963-），男，汉族，江苏邳州人，副教授，大学，主要从事自动测量、实验教学和研究。

摘 要 根据刚体定轴转动定律，结合光电传感器和单片机的测量技术，设计了满足通常物理实验条件下的轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪。该测试仪不仅可用于研究滚动轴承摩擦力矩的规律，还可用于其他受转动摩擦力矩影响的实验数据精确测量。

关键词 滚动轴承；摩擦力矩；测试仪

中图分类号：THl33 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0007-02

滚动摩擦力矩与轴承受力、转速、润滑等多种因素有

关[1][2]，在多数涉及滚动轴承转动的物理实验中要实现精确测量，必须测定不同工作条件下轴承的摩擦力矩，减小将摩擦力矩视为恒定而产生的测量误差。轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪的设计是针对通常实验室条件下轴承载重轻、转速低的情况而设计的。

1 测试仪的测量原理

根据刚体定轴转动的规律，通过测定转动系统的角加速度及对应的瞬时角速度，结合已定的转动系统的转动惯量测定不同载荷和转速等条件下的摩擦力矩。

1.1 滚动摩擦力矩的计算

刚体的定轴转动规律可表达为[3] ：

2 测试仪的构造

测试仪由转动系统和测量系统组成。转动系统的光电转换信号通过信号处理电路传输到单片机的测量系统，测量前可将转动系统的参数可输入到单片机中。

2.1 测试仪的转动系统

转动系统参照[4]改进而成，包括滚动轴承、与轴承固连的承物台、承物台上的转动刚体、两个光电门、U型挡光片、绕线塔轮、定滑轮、砝码和底座等。承物台上放置转动惯量已知的不同转动刚体以研究轴承的轴向力对滚动摩擦力矩的影响；换用质量不同的砝码通过细线拉着塔轮转动以改变轴承的最大转速，用来研究转速对摩擦力矩的影响。绕线塔轮上有一狭缝，绕线的一端先打一绳结塞入狭缝中，将线单层密绕在塔轮上，另一端通过定滑轮挂一砝码，当系统转到绕在塔轮上的线全部脱离塔轮时，线即从塔轮的狭缝中脱出，这时系统只受摩擦力矩的作用直到转动停止。

2.2 测试仪的测量系统

测量系统是由信号处理电路、单片机、操作面板和显示屏等组成的测试箱。信号处理电路实现光电信号的转换、放大和输出给单片机。单片机是处理系统的主体，根据输入的电信号通过程序控制实现脉冲计数实现时间、角速度、角加速度的计算；通过存储数据和根据不同工作模式进行数据筛选、输出等。操作面板是选择和控制单片机输出的人机交互界面，设有：T、β、F三种工作模式。T模式是时间模式，通过上、下档位键提取挡光片通过光电门的时刻；β模式是通过上、下档位键提取挡光片通过光电门挡光次数、挡光时的瞬时角速度和瞬时角加速度，实现摩擦力矩与转速关系的研究。F模式为筛选模式，通过该模式拓展了测试仪的用途，可用于精确测定刚体的转动惯量等。使用该模式时，单片机可筛选出绳结从塔轮狭缝中脱落前后，转动系统在加速和减速的两个过程中角速度相同或相近（如设定前后两个过程角速度之差小于0.5rads-1）条件下的角速度和对应的角加速度，通过上、下档位键输出所有数据组。显示屏采用LCD，按不同的工作模式输出行数和列数。

3 测试仪的指标设定和功能

3.1 测试仪的指标设定

由于光电感光器和选择高灵敏度的单片机[5]，输入光脉冲的时间间隔可低于0.1ms，结合单片机的数据输入、计算、筛选、存储和输出各方面的强大功能，测试仪具有较高的测量精度，测量参数和指标设定如下。

1）输入光脉冲的时间间隔0.1 ms。

2）计时范围0-150 s。

3）计时精度0.00005 s。

4）计时个数≤200个。

5）计算值精确到0.00001。

6）载荷≤10 kg。

7）砝码≤500 g。

8）转速≤1rs-1。

3.2 测试仪的功能

测试仪可用于研究滚动轴承摩擦力矩与轴向力、转速的关系，还可用于精确测定刚体转动惯量测定等。

用于研究滚动轴承摩擦力矩与轴向力的关系时，通过在承物台加载不同质量的转动刚体、提取β模式下减速过程中各角速度和其对应的角加速度，选择不同载物情况下具有相同转速时的角加速度值，通过（2）式结合已知的转动惯量，计算相同转速不同轴向力滚动轴承的摩擦力矩。

用于研究滚动轴承摩擦力矩与转速的关系时，保持载物一定，通过提取β模式下减速过程中各角速度和其对应的角加速度的值，通过（2）式结合已知的转动惯量，计算相同轴向力时不同转速时的滚动轴承的摩擦力矩。

使用测试仪的F模式可用于精确测定刚体转动惯量等，在充分减小定滑轮摩擦和保持砝码运动的加速度a<

（6）

式中，m为砝码质量，r为塔轮半径，β、β'分别为绳结从塔轮狭缝中脱落前后在同一转速时的加速和减速两个过程角加速度大小。选择F模式，提取在加速和减速两个过程中转速相同或相近时对应的角加速度，利用（6）式计算出转动系统的转动惯量。

此外，测试仪还能较精确地进行刚体转动定律和刚体平行轴定理等的一系列实验研究。

4 结束语

利用光电传感器的高灵敏度接收、转换和单片机在计算、筛选等方面的强大功能，以刚体定轴转动动力学规律进行滚动轴承的摩擦力矩测量，实现滚动摩擦力矩与轴向力、转速关系的研究。测试仪还可用于其他受转动摩擦力矩影响的实验数据精确测量。

参考文献

[1]张葵，李建华.球轴承摩擦力矩的分析计算[J].轴承，2001（01）.

[2]张永，夏新涛，王中宇，李建华.滚动轴承摩擦力矩的预测方法研究[J].轴承，2006（10）.

[3]张艳亮.刚体转动惯量测定实验中阻力矩与角速度关系的研究[J].大学物理实验，2012（05）.

[4]滕道祥.大学物理实验教程[M].北京：中国电力出版社2009.

[5]谢瑞和主编.串行技术大全[M].清华大学出版社，2003.

作者简介

张秀民（1963-），男，汉族，江苏邳州人，副教授，大学，主要从事自动测量、实验教学和研究。

摘 要 根据刚体定轴转动定律，结合光电传感器和单片机的测量技术，设计了满足通常物理实验条件下的轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪。该测试仪不仅可用于研究滚动轴承摩擦力矩的规律，还可用于其他受转动摩擦力矩影响的实验数据精确测量。

关键词 滚动轴承；摩擦力矩；测试仪

中图分类号：THl33 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0007-02

滚动摩擦力矩与轴承受力、转速、润滑等多种因素有

关[1][2]，在多数涉及滚动轴承转动的物理实验中要实现精确测量，必须测定不同工作条件下轴承的摩擦力矩，减小将摩擦力矩视为恒定而产生的测量误差。轻载低速滚动轴承摩擦力矩测试仪的设计是针对通常实验室条件下轴承载重轻、转速低的情况而设计的。

1 测试仪的测量原理

根据刚体定轴转动的规律，通过测定转动系统的角加速度及对应的瞬时角速度，结合已定的转动系统的转动惯量测定不同载荷和转速等条件下的摩擦力矩。

1.1 滚动摩擦力矩的计算

刚体的定轴转动规律可表达为[3] ：

2 测试仪的构造

测试仪由转动系统和测量系统组成。转动系统的光电转换信号通过信号处理电路传输到单片机的测量系统，测量前可将转动系统的参数可输入到单片机中。

2.1 测试仪的转动系统

转动系统参照[4]改进而成，包括滚动轴承、与轴承固连的承物台、承物台上的转动刚体、两个光电门、U型挡光片、绕线塔轮、定滑轮、砝码和底座等。承物台上放置转动惯量已知的不同转动刚体以研究轴承的轴向力对滚动摩擦力矩的影响；换用质量不同的砝码通过细线拉着塔轮转动以改变轴承的最大转速，用来研究转速对摩擦力矩的影响。绕线塔轮上有一狭缝，绕线的一端先打一绳结塞入狭缝中，将线单层密绕在塔轮上，另一端通过定滑轮挂一砝码，当系统转到绕在塔轮上的线全部脱离塔轮时，线即从塔轮的狭缝中脱出，这时系统只受摩擦力矩的作用直到转动停止。

2.2 测试仪的测量系统

测量系统是由信号处理电路、单片机、操作面板和显示屏等组成的测试箱。信号处理电路实现光电信号的转换、放大和输出给单片机。单片机是处理系统的主体，根据输入的电信号通过程序控制实现脉冲计数实现时间、角速度、角加速度的计算；通过存储数据和根据不同工作模式进行数据筛选、输出等。操作面板是选择和控制单片机输出的人机交互界面，设有：T、β、F三种工作模式。T模式是时间模式，通过上、下档位键提取挡光片通过光电门的时刻；β模式是通过上、下档位键提取挡光片通过光电门挡光次数、挡光时的瞬时角速度和瞬时角加速度，实现摩擦力矩与转速关系的研究。F模式为筛选模式，通过该模式拓展了测试仪的用途，可用于精确测定刚体的转动惯量等。使用该模式时，单片机可筛选出绳结从塔轮狭缝中脱落前后，转动系统在加速和减速的两个过程中角速度相同或相近（如设定前后两个过程角速度之差小于0.5rads-1）条件下的角速度和对应的角加速度，通过上、下档位键输出所有数据组。显示屏采用LCD，按不同的工作模式输出行数和列数。

3 测试仪的指标设定和功能

3.1 测试仪的指标设定

由于光电感光器和选择高灵敏度的单片机[5]，输入光脉冲的时间间隔可低于0.1ms，结合单片机的数据输入、计算、筛选、存储和输出各方面的强大功能，测试仪具有较高的测量精度，测量参数和指标设定如下。

1）输入光脉冲的时间间隔0.1 ms。

2）计时范围0-150 s。

3）计时精度0.00005 s。

4）计时个数≤200个。

5）计算值精确到0.00001。

6）载荷≤10 kg。

7）砝码≤500 g。

8）转速≤1rs-1。

3.2 测试仪的功能

测试仪可用于研究滚动轴承摩擦力矩与轴向力、转速的关系，还可用于精确测定刚体转动惯量测定等。

用于研究滚动轴承摩擦力矩与轴向力的关系时，通过在承物台加载不同质量的转动刚体、提取β模式下减速过程中各角速度和其对应的角加速度，选择不同载物情况下具有相同转速时的角加速度值，通过（2）式结合已知的转动惯量，计算相同转速不同轴向力滚动轴承的摩擦力矩。

用于研究滚动轴承摩擦力矩与转速的关系时，保持载物一定，通过提取β模式下减速过程中各角速度和其对应的角加速度的值，通过（2）式结合已知的转动惯量，计算相同轴向力时不同转速时的滚动轴承的摩擦力矩。

使用测试仪的F模式可用于精确测定刚体转动惯量等，在充分减小定滑轮摩擦和保持砝码运动的加速度a<

（6）

式中，m为砝码质量，r为塔轮半径，β、β'分别为绳结从塔轮狭缝中脱落前后在同一转速时的加速和减速两个过程角加速度大小。选择F模式，提取在加速和减速两个过程中转速相同或相近时对应的角加速度，利用（6）式计算出转动系统的转动惯量。

此外，测试仪还能较精确地进行刚体转动定律和刚体平行轴定理等的一系列实验研究。

4 结束语

利用光电传感器的高灵敏度接收、转换和单片机在计算、筛选等方面的强大功能，以刚体定轴转动动力学规律进行滚动轴承的摩擦力矩测量，实现滚动摩擦力矩与轴向力、转速关系的研究。测试仪还可用于其他受转动摩擦力矩影响的实验数据精确测量。

参考文献

[1]张葵，李建华.球轴承摩擦力矩的分析计算[J].轴承，2001（01）.

[2]张永，夏新涛，王中宇，李建华.滚动轴承摩擦力矩的预测方法研究[J].轴承，2006（10）.

[3]张艳亮.刚体转动惯量测定实验中阻力矩与角速度关系的研究[J].大学物理实验，2012（05）.

[4]滕道祥.大学物理实验教程[M].北京：中国电力出版社2009.

[5]谢瑞和主编.串行技术大全[M].清华大学出版社，2003.

作者简介

张秀民（1963-），男，汉族，江苏邳州人，副教授，大学，主要从事自动测量、实验教学和研究。