球轴承摩擦力矩测量仪的设计与应用*

赵　坤，戎　榕

球轴承摩擦力矩测量仪的设计与应用*

赵坤，戎榕

（慈兴集团有限公司 技术中心，浙江 宁波 315301）

为测量在不同载荷、转速等条件下球轴承的摩擦力矩特性，设计制造了球轴承摩擦力矩测量仪。介绍了测量仪的测量原理与技术方案。该测量仪模拟了轴承的载荷、转速、偏转力矩等工况，测量了轴承的摩擦力矩。对测量数据分析表明，该摩擦力矩测量仪能满足预定的设计要求，具有良好的稳定性，测量数据准确可靠，可为各种轴承摩擦力矩的测量提供准确的数据支持。

球轴承；摩擦力矩测量仪；载荷；转速；偏转力矩

1　前言

球轴承摩擦力矩是指轴承内、外套圈相对转动时各种摩擦因素对球轴承旋转构成的阻力矩，不仅涉及轴承结构、尺寸、几何精度、材料及热处理性能等参数，还与工作载荷、装配精度、润滑条件及环境等参数有关，各种因素相互作用，相互干扰，分析过程复杂［1］。对于摩擦力矩的理论计算有较多文献论述［2-6］，但是理论计算结果与实验测量结果有较大的差异［7］。因此，开发与使用摩擦力矩测量仪成为研究轴承摩擦力矩的重要手段。本文所论述的摩擦力矩测量仪主要是测量轴承的动态摩擦力矩，在测量时提取出球轴承旋转过程中的各种摩擦力矩值，如最大值与平均值等。

2　轴承摩擦力矩测量仪设计

2.1测量原理

测量原理为力矩平衡原理，即动态机械运动部件做匀速运动时，势必对机体本身产生作用力，同时机体也会对运动部件产生反作用力。回转机械转动时，其主轴受到转矩的影响必然会在机体上产生一个平衡力矩。对机体上的平衡力矩值的大小进行测量，就可以间接地确定主轴作用力矩的大小。这种原理就是力矩平衡原理。根据力矩平衡原理测量摩擦力矩的原理图如图 1 所示。

当电机驱动主轴旋转时，由于被测轴承内圈与主轴连接在一起，被测轴承内圈会随着主轴旋转。由于轴承内部摩擦力矩的影响会使得轴承外圈将随内圈一起转动或有转动的趋势，但外圈在轴向压力的作用下保持相对静止状态。为了使被测轴承摩擦力矩保持动态平衡状态，需要通过力矩传感器对被测轴承内圈上施加一个力矩，使之与摩擦力矩大小相等且方向相反能够相互平衡，形成平衡力矩。当这两个力矩达到平衡时，力矩传感器所施加的力矩就是轴承的摩擦力矩M。

图1　力矩平衡法测量原理图

2.2测量仪的技术要求

本摩擦力矩测量仪所检测的QJ210轴承应用于国外某知名厂家E系列轿车的电动助力转向机中，客户要求轴承摩擦力矩一致性良好，摩擦力矩须在图纸及技术规范要求的规格之内。

根据客户图纸及技术规范要求，测量仪应满足的测试条件为：轴向载荷150N，倾斜载荷5N.m，转速45r/min，内圈顺时针旋转，采样时间30s；在采样期间，摩擦力矩平均值≤80N. mm，最大值≤95N.mm。载荷、速度参数须无级可调；能够实时监测轴承的运转状态，显示并保存轴承在测试过程中的相关参数。

2.3测量仪的技术方案

测量仪包括轴承加载驱动和状态监测、数据采集处理两部分，图 2 为测量系统原理图。

图2　测量系统示意图

2.3.1加载驱动部分

加载驱动部分由动力系统、轴承测量系统、加载系统组成，使轴承能够在不同的载荷、转速下运转。

（1）测量仪由200W伺服电机提供动力，由伺服驱动器实现外部无级调速。

（2）考虑到设备后期扩展性的要求，故载荷可调、转速可调。采用伺服加载，HBM压力传感器监控其加载力。

（3）各工位及检查动作间均连锁保护并采用工业电脑控制，图 3 为测量仪工作部件基本结构。被测轴承位于轴承压盘的轴承室内，通过轴承压盘对外圈施加轴向载荷，转轴驱动轴承内圈旋转。倾斜力伺服电机利用等臂等力原理，通过等臂力矩压头给轴承外圈定点施加压力至设定倾斜载荷。

图3　测量仪工作部件基本结构

2.3.2状态监测、数据采集处理部分

状态监测、数据采集处理部分由传感器、数据采集和处理系统组成，可以实时监测被测量轴承的运转状态。

（1）转速参数测量。采用霍尔传感器测量主轴转速，通过数字显示仪显示转速。

（2）摩擦力矩测量。采用力矩平衡原理，由HBM力矩传感器施加平衡力矩，从而获得被测轴承的摩擦力矩。

（3）数据采集软件用VC++编写，具有良好的人机界面，可以完成数据采集、记录、数据曲线动态实时显示等功能，测量监控界面见图 4。

图4　测量监控界面

（4）软件根据设定频率实时记录轴向载荷、倾斜载荷、转速、摩擦力矩值并存储。测量结束自动提取平均值、最大值并显示。

2.3.3测量仪的设计要点

设计要点主要包含力矩传感器与压力传感器的选型、伺服电机的选型、轴承旋转机构设计、自身摩擦力矩的剔除等四个方面。

（1）传感器选型

对力矩传感器主要确定扭矩类型、静止/旋转扭矩以及转速要求。

压力传感器主要确定量程（最大加载压力的2倍以上），并考虑压力范围、精度。

（2）伺服电机选型

考虑以下三点：转速、扭矩、惯量。加在电机上的转矩应小于电机连续额定力矩的50%，防止电机过热。电机额定转速范围应满足轴承的测试转速。

转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量，它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。考虑转动惯量与响应速度对测量结果的影响，本测量仪为恒定转速检测，需要避免外界扰动的影响，因此确定轴承的负载惯量与电机惯量之比为一。

（3）轴承旋转机构

轴承旋转机构如图 5 所示，是整个测量系统的核心部分。基板轴承选择4级精度角接触轴承，轴承定位盘轴承选择4级精度推力球轴承。转轴配磨，保证旋转时的同心度。施压盘采用球头连接，保证压盘与轴承外圈紧密接触。

（4）自身摩擦力矩的剔除

为消除测量仪自身旋转部件产生的摩擦力矩对测试结果的影响，设置了“去皮”程序。即在不放置测试轴承、其他测试条件相同的情况下，测试系统的摩擦力矩值，该测试值作为测量仪的初始力矩值，在测量软件中予以剔除。

图5　轴承旋转机构图

3　轴承摩擦力矩的测量分析

3.1测量过程

在研制的专用摩擦力矩测量仪上，根据测试要求，评估测量仪的准确性和稳定性，测量仪加载部分如图 6 所示。

图6　测量仪加载部分

该摩擦力矩测量仪的测试步骤：

（1）人工将需测量的QJ210轴承装入轴承定位盘，并将轴承压盘装到外圈上。

（2）伺服电机驱动滚珠丝杠，把施压盘下压至被测量轴承并达到设定轴向载荷值，压力传感器实时反馈轴向载荷。

（3）倾斜力伺服电机压缩弹簧工作，利用等臂等力原理，给轴承外圈定点施加压力。显示数值达到设定倾斜载荷5N.m，电机停止工作。

（4）摩擦力矩测量工位伺服电机开始工作，转轴带动被测轴承内圈旋转，转速提升至所设置转速45r/min。

（5）以上动作按要求完成后，系统按照规定采样时间测量轴承摩擦力矩，测量完成，所有动作回原位。测量仪自动提取被测量轴承摩擦力矩平均值、最大值并显示。

（6）更换被测量轴承，重复（1）-（6）。

3.2测量数据分析

三名检测员A、B、C对10套QJ210轴承分别检测3次，摩擦力矩平均值检测数据如表 1 所示。利用Minitab软件，对该测量仪的重复性和再现性（GR&R）进行评价，其结果如图 7 所示。从图中可以看出，GR&R分析结果为7.25%，满足测量系统GR&R≤10%的标准。表明该测量仪的重复性、再现性符合要求。

图7　10套QJ210轴承的摩擦力矩平均值GR&R分析

表 1 10套QJ210轴承摩擦力矩平均值检测结果

4　结论

摩擦力矩测量仪是研究轴承内部摩擦的重要手段之一，本测量仪主要是测量轴承的动态摩擦力矩。测量结果表明，该摩擦力矩测量仪能满足预定的设计要求，具有良好的稳定性，测量数据准确可靠，能准确反映被测轴承在规定条件下的摩擦力矩，为轴承优化设计和评定轴承在不同速度与载荷等条件下的摩擦力矩提供了可靠的实测依据。

［1］ 郑传统，徐绍仁，杨德卿，等. 球轴承摩擦力矩的研究现状与发展［J］. 轴承，2009， （8）： 52-56.

［2］ 朱爱华，朱成九，张卫华. 滚动轴承摩擦力矩的计算分析［J］. 轴承， 2008， （7）： 1-3.

［3］ 李建华， 张葵， 卢振伟. 表面特性对灵敏轴承摩擦力矩的影响分析［J］. 轴承，1999， （9）： 17-19.

［4］ 张葵，李建华.球轴承摩擦力矩的分析计算［J］.轴承，2001（1）：8-l1.

［5］ 刘泽九，贺士荃，刘晖. 滚动轴承应用［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［6］ 李松生，陈剑，凌杰. 高速微型球轴承摩擦力矩分析与测量研究［J］.润滑与密封，2013（8）：32-38.

［7］ 陈龙，史朋飞，李正国等. 四点接触球轴承摩擦力矩特性分析［J］.轴承，2013（1）：1-6.

（编辑：钟媛）

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.

赵坤（1979-），男，工程师.

宁波市2015年重大专项资助（2015B11012）.