滚动轴承摩擦力矩测量技术.doc

滚动轴承摩擦力矩测量技术（轴承研讨会资料）洛阳轴研科技股份有限公司仪器开发部2003年3月21日目 录 一、轴承摩擦力矩测量的目的意义二、轴承摩擦力矩的特性三、轴承摩擦力矩的种类及其定义四、轴承摩擦力矩的组成部分五、轴承摩擦力矩的影响因素六、轴承摩擦力矩的计算方法七、轴承摩擦力矩的测量原理和测量方法八、国内外轴承摩擦力矩测量仪简介九、轴承摩擦力矩测量技术的发展趋势一、轴承摩擦力矩测量的目的意义：滚动轴承在旋转过程中，由于其外圈、内圈、保持架、钢球、密封圈五大件之间互相接触，故存在着摩擦阻力。轴承摩擦阻力的性能一般按两种方法进行评定，一种是灵活性检查：采用徒手检查的方法，检查轴承在旋转时的阻滞现象，以定性的粗略判断其轴承摩擦阻力大小。另一种是以摩擦力矩来衡量，这也是一种科学的客观的测量方法。轴承摩擦阻力影响轴承寿命，影响主机制导系统的可靠性和精确性的重要因素。尤其对于高科技使用的轴承，如：陀螺仪轴承、卫星消旋天线轴承、运载大箭轴承、飞行平台轴承等等，均需要更加严格的摩擦力矩测量。总之目前世界各国对于精密轴承质量的重点要求，已经由尺寸精度、几何精度、成品的旋转精度等方面转向了轴承的动态性能方面-摩擦力矩和振动的测量，这也是使用单位最关心的两个重要技术性能指标。因此，轴承摩擦力矩测量技术的研究目的就是研究如何合理评定，准确测量轴承的摩擦性能，为改进轴承设计参数、改进加工工艺和分析轴承摩擦力矩的影响因素，提供一个可靠的手段。从而提高轴承质量，提高主机精度，满足使用单位对轴承摩擦性能的技术要求，这对尖端科学技术的发展和国防建设都有着重要意义。二、轴承摩擦力矩的特性：为了阐明摩擦力矩测量技术首先对轴承摩擦力矩的特性（图1）进行分析。 图1 轴承摩擦力矩特性曲线Mmax-最大摩擦力矩Mmcp-平均摩擦力矩1摩擦力矩是轴承内外圈角变位的函数M = f (H)，从式中可以看出轴承在旋转过程中每个位置都具有一个摩擦力矩值，即被测量轴承摩擦力矩是个随机变量。可以在测量过程中提取最大力矩，平均力矩和力矩差值等性能指标，用于分析轴承摩擦性能。2由于轴承摩擦力矩的影响因素较多，仪器的测量条件必须相对固定，才能进行相对比较测量，所以一般轴承技术条件中除规定力矩值范围外还必须规定仪器型号。3在对轴承摩擦力矩要求较高时，一般采用专用的仪器进行模拟测量，从而提高摩擦力矩测量的可靠性和精确性。鉴于以上因素摩擦力矩的测量技术就是国内外生产厂家和科研人员一个比较困难的课题。三、轴承摩擦力矩的种类及其定义1轴承摩擦力矩定义：轴承在旋转过程中阻碍其运动的力矩总和。2轴承摩擦力矩的种类（1）静态力矩：（启动力矩）轴承两套圈从静止状态到开始相对转动的一瞬间所需克服的摩擦阻力矩。（2）动态力矩：轴承两套相对转动时所需克服的摩擦阻力矩。在测量时可提取最大力矩、平均力矩和力矩差做为评定轴承动态摩擦性能参数。（3）准静态力矩：理论上虽分为静动态两种力矩，但日本学者曾根据静动态力矩成因相近的理论，提出了利用极低转速下测量动态力矩可以近似获得静态力矩的方法，这种力矩称为准静态力矩。四、轴承摩擦力矩的组成部分1轴承在旋转过程中，钢球在内外沟道中自转和公转运动所产生的纯滚动摩擦。2轴承在旋转过程中，钢球和内外滚道的接触变形而产生的滑动摩擦。3保持架与钢球的接触位置以及密封件与内外圈接触位置所产生的滑动摩擦。4润滑剂的粘性阻力。5其它因素，比如轴承清洗不干净、测量环境的振动等。五、轴承摩擦力矩的影响因素为了减小轴承的摩擦力矩，为了准确可靠的测量轴承的摩擦力矩，必须对摩擦力矩各种影响因素进行分析。1设计因素：一般轴承尺寸越大其力矩也越大，但轴承结构和设计参数不同，对其力矩的影响也不同，如沟曲率、径向游隙和保持架等参数。2加工精度因素：轴承摩擦力矩的大小，稳定性在很大程度上取决于加工精度（表面粗糙度、几何精度、尺寸精度、以及成品的旋转精度），加工精度越低摩擦力矩越大。3测量条件因素：（1）测量负荷：轴承都是在承受负荷条件下工作，所以在测量力矩时也要求在有负荷的情况下进行，当施加的测量负荷大小、方向（轴向或径向）不同时其摩擦力矩值也不相同。（2）润滑剂：润滑剂的粘度、数量和清洁度对灵敏轴承力矩的影响很大，所以测量轴承时对轴承中润滑剂的质量和数量均应有严格规定。（3）转速：轴承旋转时需克服空气阻力，并增加了搅拌润滑剂的功率损耗，所以轴承转速越高则力矩越大。在中高速测量力矩时，瞬时峰值将被旋转零件的转动惯量超越或被测量系统吸收而不能真实反映出来，只能测量平均摩擦力矩。而最大摩擦力矩只能在极低转速和测量系统转动惯量很小的条件下进行测量。（4）测量位置：测量位置是指被测轴承轴线是位于垂直位置或水位置。一般国内外的仪器对轴承施加径向负荷时，其被测轴承处于水平位置，而对轴承施加轴向负荷时，其被测轴承处于垂直位置。轴承的测量位置不同零件的运动状态也有所不同，其力矩值不仅大小不同而且存在着本质的差异。（5）被测轴承的清洁度：轴承在测量前残磁较大、清洗不干净和在测量过程中环境的污染都可能产生异常的摩擦，造成轴承摩擦性能不好，这是厂家生产管理不可忽视的重要环节，对于灵敏轴承测量力矩前必须按照严格的清洗规程，并且轴承的装配、测量均应在超净工作间里进行。一般国外规定超净间的指标为每立方英尺大于0.5m的尘埃粒数不超过100个。总之，轴承摩擦力矩是个随机变量，其中相对稳定的力矩部分，是设计因素和测量条件，而加工条件、清洁度等因素的力矩则是相当分散的，对测量值的影响也比较大，应予的尽量排除。所以轴承摩擦力矩是各种影响因素的综合指标，轴承设计人员、轴承生产厂家、测试操作人员以及仪器的研究人员必须充分重视，才能提供力矩合格的产品。六、轴承摩擦力矩的计算方法从力矩的组成部分和力矩的影响因素来看，轴承的摩擦力矩值就是一个随机变量，应用计算方法。根本不可能获得实际轴承工作时的力矩性能，也不能满足主机的性能要求，但为了进行理论分析，下面介绍几个经验计算公式：式中：M-轴承摩擦力矩 Nmm-滚动轴承摩擦系数F-轴承栽荷Nd-轴承内径m式中： M-轴承摩擦力矩m-滚动轴承摩擦系数dm-钢球中心图直径p-当量负荷从上述公式可以看出，计算所得到的力矩值是个定值，而且不能区分动态摩擦力矩或静态摩擦力矩。七、轴承摩擦力矩测量原理和测量方法1测量原理：外加的标准力矩与轴承旋转时产生的摩擦力矩相平衡，此时外加的标准力矩就等于轴承的摩擦力矩。该摩擦力矩值是轴承内外圈角变位的函数M=f(H)。测量原理虽然简单，但要准确可靠地测量出轴承的摩擦性能，确是相当困难的。2测量方法轴承摩擦力矩测量仪器除了满足测量原理和技术指标的要求外，还需要根据轴承的不同要求，采用不同的测量方法，所以轴承摩擦力矩测量仪器种类繁多，仅公开报导国内外就有近百种仪器。八、国内外轴承摩擦力矩测量仪器简介 1PM692平均摩擦力矩测量低度（图2） 不能直接显示测量结果需按下式计算获得： 式中：M-平均摩擦力矩； n-从重锤脱开负荷转 图2 PM692仪器测量原理图 盘到负荷转盘停止 1-重锤 2-滑轮 3-螺钉 时的圈数。 4-负荷转盘 5-心轴 6-锁紧螺钉 T-重锤从脱开转盘到转 7-轴承 8-定位座 9-立柱 盘停止的时间。J-负荷转盘的转动惯量；2DM092最大摩擦力矩测量仪（图3）测量结果可从读盘上读出，度盘刻度由下式得到：式中：M-轴承最大摩擦力矩； 图3 DM092仪器测量原理图 r-配垂块重心到转轴 1-配重块 2-心轴 3-内圈 4-外圈的中心距离； 5-负荷块 6-刻度盘 7-转轴 8- P-配重块的质量； 9-电机 10-平衡销 11-螺杆3英国T.I.D-33启动力矩测量仪（图4） 原理：采用电涡流驱动仪器用标准游丝进行定标。技术指标：被测轴承尺寸F6.3F22.225mm力矩范围01.3gem gfcm轴向负荷75400g图4 英T.L.D-33型仪器测量原理图4日本机械试型轴承摩擦力矩测量仪 （图5）一种微型轴承摩擦力矩测量仪，主要缺点是测量系统工艺复杂、易损坏。 图5 日本机械试仪测量原理图1-轴向负荷 2旋转台 3外更换套4内更换套5-被测轴承 6扭簧丝7应变丝5M992B微型轴承摩擦力矩测量仪 （图6本所产品）要特点：（1）可以垂直和水平两个位置测量（2）备有部分典型曲线图技术指标：测量轴承范围：内径：F28mm力矩测量范围： 0100mNm轴 向 负 荷： 14N主 轴 转 速： 2r/min示 值 误 差： 2.5mNm示值稳定性： 2.5mNm/4h气 源 压 力： 0.30.4Mpa图6 M 992仪器测量原理图1-销 2-内更换套 3-外更换套 4-轴承 5-垫圈 6-空气轴承主轴 7-空气轴承 8-传感器 9-衔铁 10-吊丝 11-平衡片簧 12-拉力弹簧6M9908A轴承摩擦力矩测量仪（图7本所产品）技术指标：测量轴承范围：内径：F830mm力矩测量范围： 050mN m轴 向 负 荷： 15N主 轴 转 速： 5r/min示 值 误 差： 2.5mNm示值稳定性： 0.25mNm/4h图7 M9908A摩擦力矩测量仪结构示意图1升降手轮2电机3同步带4轴向负荷块5升降机构6驱动主轴7被测轴承8校准轮9测量主轴10吊线11支承12滚珠轴承13硅码14整体式应变扭矩传感器15测量系统支座16校准支架7M695型成对角接触轴承摩擦力矩测量仪（图8本所产品）技术指标：测量轴承范围：成对角接触球轴承内径：F1050mm力矩测量范围： 0.550mN m轴 向 负 荷： 100500N主 轴 转 速： 0.5、5r/min示 值 误 差： 0.5Mn/4h示值稳定性： 0.40.5MPa图8 M695仪器测量原理图1.传感器 2.空气轴承 3.空气轴承转子 4（9）.内更换套5（8）.被测轴承 6.轴向加载环 7.汽缸 10（16）密珠轴承11（17）.同步带轮 12.支承 13.内更换件 14.力矩机组 15.转动主轴8PM9906型轴承摩擦力矩测量仪 （图9本所指标）技术指标：测量轴承范围：内径：F6F17mm外径：F13F47mm宽度：414mm测量力矩种类：平均摩擦力矩力矩测量范围：050mNm0100mNm轴 向 负 荷： 050N0.5N主 轴 转 速： 10rPm2000rPm 图9 PM9906 测量仪原理示意图示 值 误 差： 0.5%FS 01.轴向加载机构 02驱动主轴 气 源 压 力：0.51 Mpa 03空气主轴 04.轴承更换套 05.被测轴承 06.标准力矩系统 07.力矩传感器 08.速度传感器 09.电机 10.负荷传感器九、轴承摩擦力矩测量技术的发展趋势1鉴于轴承摩擦力矩是个随机变量而且分散度较大的特性，人们最为关心的是测量值的真实性和可靠性，并不过于追求仪器的测量精度。2动态摩擦力矩的测量，多采用极低速连续旋转的测量方法，几乎可以获得测量过程中每一个接触点的摩擦力矩值，一般情况下可以用来代替静态力矩的测量。3在轴承摩擦力矩要求特别严格的情况下，其仪器的测量条件多采用模 拟测量，从而获得更可靠的测量结果。4在仪器的功能方面，则要求能够自动完成测量过程、先进的数据处理和测量结果显示、输出功能。具有这些功能的仪器将完全取代原有的机械式仪器。5轴承摩擦力矩影响困素的研究与开发：理想的轴承摩擦力矩测量仪器，不仅应具有合理的先进的测量功能，还应具有轴承摩擦力矩影响因素的分析功能，从而为改进轴承设计参数、改进加工工艺、提高轴承质量、提供可靠的手段。轴承摩擦力矩影响因素分析方法：典型曲线分析法和频谱分析法。1典型曲线分析方法：将仪器测量得到的轴承摩擦力矩变化曲线与典型曲线相比较，确定轴承摩擦力矩的主要影响因素。然后对其进行修正，使轴承达到力矩性能要求，这是一种定性的分析方法。典型曲线的制定方法；在经过严格检查的轴承中，挑选出仅某一力矩影响因素是变化的，其他影响困素都是基本一致的数套轴承，然后将这些套轴承中的某一影响因素做为主变量在仪器上进行测量，所得力矩变化曲线，即为某一力矩影响因素的典型曲线。另一种比较简便的方法，是在大量的摩擦力矩测量中积累资料进行分析，找出规律性曲线形状，确定为该影响因素的典型曲线。本向研制的M992B微型轴承摩擦力矩测