四球摩擦试验机三维建模与结构设计

题

四球摩擦试验机三维建模于结构设计

目

摘要

为了对摩擦磨损现象进行深入研究，更加精确的测量出对摩擦磨损的影响因

素，摩擦磨损试验机是我们必须使用的设备。而且对于生产生活中必不可少的一

种物质：润滑剂，四球摩擦试验机则是我们首选的试验机。本文的主要任务是设

计出优化后四球摩擦试验机的主机，并对装夹系统，加载系统，驱动系统进行计

算介绍，最后使用SolidWorks对试验机零部件进行建模并完成整体装配。针对

市场中的四球摩擦试验机存在机身大且笨重，价格昂贵等缺点。对其优化结构，

节省成本的投入，是本次研究的主要目标。

关键词：四球机；润滑剂；摩擦磨损

ABSTRACT

Inordertostudythefrictionandwearphenomenonandmeasuretheinfluence

factorsoffrictionandwearmoreaccurately,thefrictionandweartestingmachineis

theequipmentwemustuse.Thefour-ballfrictiontesterisourpreferredtesting

machine.Four-ballfrictiontestingmachineinthemarket,mostofthebodyislarge

andbulky,expensiveandothershortcomings,theinvestmenttooptimizeitsstructure

andsavecostisthemaingoalofthisstudy.Mainworkofthepaper:Themainengine

oftheoptimizedfour-ballfrictiontesterisdesigned.Theclampingsystem,loading

systemanddrivingsystemareintroduced.UseSolidWorkstomodelthetesting

machinepartsandcompletetheoverallassembly.

Keywords：Four-ballfrictiontester;lubricant;frictionandwear

n

目录

摘要................................................................I

ABSTRACT...........................................................................................................................II

第一章绪论.........................................................1

1.1研究背景.......................................................1

1.2四球摩擦试验机在国内国外的研究现状与发展趋势..................1

1.3研究摩擦试验机的目的和意义....................................3

1.4主要任务.......................................................3

1.5小结...........................................................3

第二章总体设计方案...................................................4

2.1举例常见的几种摩擦磨损试验机工作原理..........................4

2.1.1四球摩擦试验机..........................................4

2.1.2销盘摩擦试验机..........................................4

2.1.3环快式试验机.............................................5

2.2四球摩擦试验机总体设计........................................5

2.3小结..........................................................7

第三章四球摩擦试验机关键部分设计与计算..............................8

3.1主轴部分的设计与计算........................................8

3.2同步带部分设计................................................9

3.3电机的设计与计算.............................................10

3.4油盒的加热升温系统...........................................12

3.5弹簧式微机施力系统的设计.....................................12

3.6弹簧的选取与计算.............................................13

第四章四球摩擦试验机三维造型及装配.................................14

4.ISolidWorks软件介绍...........................................14

4.2四球摩擦试验机主要零部件建模.................................14

4.3四球摩擦试验机装配体..........................................18

第五章总结..........................................................20

参考文献.............................................................21

in

致谢22

IV

第一章绪论

1.1研究背景

世界上所有的物体都在运动，相对运动就会产生摩擦。而摩擦对于我们来说,

就是一把双刃剑。一方面，摩擦为我们带了许多色彩，可以说没有它，我们寸步

难行。另一方面，摩擦所造成的磨损，能量损失等也是难以估量的。2()世纪6()

年代，英国教育科学研究部经过工业部门广泛调查，发表了一篇《关于摩擦

Tirbology教育和研究挨告》，它首次确定了摩擦学的重要性，这对国民经济的

发展具有重要意义⑴。因而，如何减少摩擦磨损所造成的损失，是当下需要不断

研究改善的。仁用，摩擦学因此逐渐产生，研究摩擦磨损与润滑，是当前社会必

然会孕育而生的。

摩擦学的研究，需要通过大量的试验来进行，试验过程则需要大量的实验仪

器设备，这些设备作为研究中重要部分，是试验的重要保障。随着国民经济飞速

发展，推动科技的进步，这些试验装备也不断改进完善。

而针对于润滑油的评定，四球摩擦试验机的首当其冲。四球摩擦试验机是各

国广泛采用的一种用于评测润滑剂的摩擦试验机。该试验机通过四个球一组构成

摩擦副，分为一个上球用弹簧夹头夹住，三个下球组成一组固定在油盒当中，通

过主轴控制上球旋转，通过加载系统，带动油盒上移与上球接触。如下图1.1：

图1.1四球，夹头，油盒组合

L2四球摩擦试验机在国内国外的研究现状与发展趋势

磨损即为摩擦表面的物质不断损失的现象，摩擦磨损会使材料产生失效现

象，它会为生活生产带来很大的损失。其中一次性能源消耗最为严重，各国随时

随刻在摩擦磨损方面损失有约1/一一1/2.其中各零部件工作状态，选用材料属

1

性，生产环境等因素决定着摩擦磨损的性能。摩擦磨损试验的基础是摩擦试验装

置，再依据不同情况下，摩擦试验机产生各种分类方法⑸。苏联和美国润滑工程

师协会的分类法是最具代表性的⑹。前者的是以查明摩擦面破坏形式的影响因素

分类作为依据，将其分为8种类型；而后者以摩擦副几何形状的不同将摩擦试验

机为依据分12种类型。合肥工业大学摩擦学研究所的桂长林、沈健⑺等根据磨

损类型提出一种按摩擦系统的结构和摩擦副的运动形式分类的方法，将摩擦试验

机分为5大类。针对摩擦试验机的分类依据并没有明确界定，例如四球摩擦试验

机既属于为特殊种类的摩擦试验机，又可划分固体固体类摩擦试验机，随着试验

机的不断发展演变，其分类方法也呈现出多样化的趋势，不同的分类方法贯穿于

摩擦试验机的整个发展史。四球摩擦试验机是对润滑油进行评定其承载能力，其

主要以点接触的条件通过滑动摩擦的形式，从而进行磨损性能的测试。以美国的

Falex微机最为经典，深受各国喜爱.MRS-10A型机是我国当前最常用的四球摩

擦试验机如下图1.2o四球摩擦试验机主要是对润滑剂来进行评测的，大多是在

油腻的环境下进行，极压试验最多，试验过程仅需十秒网。

图1.2MRS-IOA型四球机

社会的进步推动科技的不断发展完善，各种摩擦试验机也经过一批批大师

的改进，成就其类型多项，功能齐全，它的发展趋势主要如下：

（1）挺高稳定性，提高测试精度。

（2）机械变速系统被电机所取代，简化了个部分的结构，提高机器使用寿

命，减少了摩擦损耗，大大提高了其寿命，缺点则是昂贵的高性能电机。

（3）改进测试手段。

（4）微型计算机广泛对其的使用，使其更加的稳定且操作简单，其自动采

2

集参数与数据处理功能大大的节约了时间⑸。

1.3研究摩擦试验机的目的和意义

生活生产中时时刻刻都存在着摩擦，有摩擦就意味着磨损，而磨损带来的经

济损耗是难以忽略的。磨损有粘着磨损，表面疲劳磨损，磨粒磨损等，磨损通常

以复合形式出现。根据还能统计，每年有大量的磨料磨损使工业国家造成大量的

损失。在国民生产经济总值中造成巨大的损失。因此对摩擦试验的研究是具有重

大意义的，它不仅能为国民经济挽回大量的损失，还能推动摩擦学的进步。四球

摩擦试验机的研究可以更好的评估液体材料。而润滑剂在各项生产与生活中处处

可见。因此对其研究，在工业与生活方面来讲，意义深远。

1.4主要任务

设计出一种结构更简单，操作更方便，价格更低廉，工作更加精确的四球摩

擦试验机。主要研究内容为：

(1)明确试验机的功能种类，即其可提供的摩擦副运动形式，确定试验机

工作原理及主要设计参数。

(2)根据不同的功能要求，进行试验机机械系统设计，包括运动系统、加

载系统、装夹系统等。

(3)利用SolidWorks进行建模，装配。

1.5小结

本章主要介绍了四球摩擦试验机的发展现状，当前的发展趋向。简要说明

对其研究的目的与意义。并且简单介绍了几种常见的摩擦试验机与其工作结构。

介绍了当前四球摩擦试验机的工作对象，说明了其优点，但也提出了其缺点。确

定了本次设计的目的：设计出一种结构更简单，操作更方便，价格更低廉，工作

更加精确的四球摩擦试验机。

3

第二章总体设计方案

2.1举例常见的几种摩擦磨损试验机工作原理

2.1.1四球摩擦试验机

该试验机通过四个球一组构成摩擦副，分为一个上球用弹簧夹头夹住，三

个下球组成一组固定在油盒当中，通过主轴控制上球旋转，通过加载系统，带动

油盒上移与上球接触⑹。如图所示：

上球(旋转)

图2.1四球摩擦试验机上球与下球组摩擦

2.1.2销盘摩擦试验机

销盘摩擦试验机通常用它来对金属、非金属及复合材料等材料处于不同条件

环境下的评定。该机适用于机械生产，科研实验等重要领域。它的一些主要及参

数如下：主轴的转速为：60r/min-12000r/min；高温炉温度为：室温~800℃；试

验力范围为：75N~450N；可测量最大摩擦力矩为：20N.m；高温炉温度控制精

度为：1()0℃~80()℃,范围内不超过±3℃：。其主要原理是销盘被固定，盘旋转,

接触形成摩擦其图如下：

摩笈铸基体M料-

*插物*1试材料

图2.2销盘式摩擦试验机销与摩擦盘摩擦

4

2.1.3环快式试验机

该机又称Timken,在评定高档齿轮油方面首选，还能评测金属非金属等性

能。其主要的技术规格和参数如下：最大试验力为：3000N；最大测定摩擦

力为：300N；试验油的温度范围为：室温~100C；主轴转速范围为：

100~2000r/min(5000r/min)无级可调；时间显示与控制范围为：10〜9999s

(min)o其主要原理：盘做旋转运动，销固定不动，通过加载与盘相接触产生

摩擦图如下：

载荷

图2.3环块式试验机环与块摩擦

2.2四球摩擦试验机总体设计

四球摩擦试验机是各国广泛采用的一种用于评测润滑剂的摩擦试验机。该试

验机主要由上下两部分组成，上部分为驱动系统，下部分为加载系统。驱动系统

由圆弧齿同步带联接交流伺服电机与主轴，从而带动夹头旋转，上球则夹在夹头

中。加载系统则由步进电机带动涡轮蜗杆减速器，而涡轮蜗杆与丝杆联接，丝杆

的转动带动联接滑块的螺母，使其向上加载，油盒则固定在滑块上面。是固定在

油盒的下球组与上球接触挤压。两部分之间还有各类传感器来测量，记录各项数

据。

该试验机通过四个球一组构成摩擦副，分为一个上球用弹簧夹头夹住，三个

下球组成一组固定在油盒当中，通过主轴控制上球旋转，通过加载系统，带动油

盒上移与上球接触。如下图2.2所示：

5

图2.4四球摩擦试验机总体原理机构

四球机的机座上部设_L作台，可将乍台给取出，从而进行，作，把高精度

数据快速记录仪放在工作台.上。通过两组双组弟热电阻和摩擦力矩传感器可以自

动记录试验的过程，时间温度曲线等数据，仪采用的折叠式记录。

该机的机座右上方设置试验机的面板操纵系统，左上方设置主轴系统和，摩

擦副，油盒，各种传感仪器等，在机座的左下部设置试验机的微机自动加荷系统

和试验机弹簧式施力系统，右下部设置工具箱，试验机的吊装工具就放在其内，

在机座周围有门，打开门时能清晰看到内部结构，可以方便对试验机进行调试和

维修工作。主轴是由脉宽调速控制系统和无极直流电机组成，在主轴和直流电机

上面分别装有主动和从动特制圆弧形带轮，通过圆弧齿同步带把直流电机的功率

传递到主轴上。这种圆弧齿同步带的优点是准确同步而不打滑，无需润滑，无污

染，传动噪声小，效率高，节能和适应寿命长等特点。它可以代替链传动，齿轮

传动，三角带和梯形齿同步带。为拉使主轴能够有更低的运动速度，本试验机还

附有一套减速装置，它是由梯形齿同步带和两对减速齿轮以及一对径向球轴承组

成的。主轴上部装有一套径向球轴承，在其下部装有一对背靠背径向止推轴承，

由于应用了脉宽调速系统使其在低转速下具有高的传动力矩，它完全改变了可控

无级变速系统在低转速下传动力矩成倍递减的缺点。

四球摩擦试验机试验力的施加是通过弹簧式施力系统与微机控制步进电机

系统自动进行的。步进电机通过一对径向止推球轴承，。涡轮固定着一根丝杠，

6

由一对径向止推滚子轴承使下螺母施力板上下移动，（丝杠的左右各有一根同定

立柱做导向），通过施力板的上下移动压缩施力弹簧，然后弹簧压缩上施力板，

上施力板带动荷重传感器把试验力施加在不同的摩擦副上产生接触压力，并按要

求进行试验。

2.3小结

本章主要介绍了几种常见的摩擦试验机，四球摩擦试验机的主机的设计部

分。其中主机的设计部分为重点。主机大致分为驱动部分以及加载部分。

7

第三章四球摩擦试验机关键部分设计与计算

3.1主轴部分的设计与计算

从电机中获得动力从而传给其他机件的轴被称为主轴，它是机器运转中必

不可少的部分。所有的机器零部件做回转运动时，都必须安装在轴上才能成功进

行。因而主轴对于机器的作用不言而喻。

对于轴的设计，我们应根据实际情况，生产需求来制定计划。根据所要配合

的零部件，生产工艺对材质的要求等合理的确定轴的材料，长度，直径，结构等。

切忌不合理的设计，这样可能会影响到它与其他零件难以配合，产生磨损损坏，

造成损失。主轴的设计可以说是本次任务的一个难点也是一个关键点。

轴的尺寸，受力性质，传动形式对轴的结构设计有着绝对性影响。所以，想

要合理的设计出轴必须考虑多多个方面，如下：

(1)定位好轴上的零件；

(2)考虑分散应力；

(3)节约材料

(4)定位好与之配合的零部件

考虑到拆装方便

主轴通常都需要高速旋转，从而经常受到变应力作用，从而相对而言更容

易受到损坏。为了保证其拥有良好的韧性与强度，提高其良好工艺性品质，选用

4()Cr钢材料来制作轴，并对其进行调制处理。

因与下摩擦副有连接，所以设计主轴不应太长，且考虑到主轴在旋转时应保

证其稳定性，确定其7级精度。

计篁最小百彳争d

旋转主轴应满足强度条件：

「max二”^工⑶

叫，取Kl=45MPa(3-1)

式中："max为最大扭切应力(MPa)；

为主轴最大转矩(MPa)；

8

%为危险截面的扭矩截面模量(53),对实心轴叱二乃工’16。

求得d=6.02mmo

可取轴的最小直径20mmo

3.2同步带部分设计

考虑到电机的同步转速和旋转部件的最高转速，此次设计选用传动比为0.9

同步带来连接主轴部分与电机。同步带中，带轮跟轮不存在滑动，能够保证其效

率与精确。该部分还要确保安装方便与调试时的便利。其参数下：

(1)求设计功率舄

Pd=K°x%(3.2)

式中：凡为载荷修正系数，％为电机功率，

(2)查表3.121确定勺=1.7

Pd=K()xPm(3.3)

Pd=\05W,\=1000RPM,查表，得司步带型号选H,㈤=9.525mm

(3)带轮齿数：z'=z2xi,查表，

选传动比为0.9,选主带轮。:44,则传动带轮40

节圆直径可，d2

4/J88mm

z

d2=^2^=80mnl

(4)验证带数：

_矶\

有v一存而计算得

^d.n.

v=——

6000=2.3<4()m/s

(5)确定节线长度：

Lp=L+12+弧L+弧】2

9

.138"x2ixd,

1.=----------

弧360°x2=252.12mm

I^(360-138)°x2^xd2

弧~360°x2=264.36mm

(=716.28,齿数Zb二228

(7)传动中心距。：

a=R(z「Z2)/2;zcose(34)

(8)确定同步带宽度：

Zm=-^--^-(Z1-Z2)«4.68<6

小带轮啮合齿数4：z?23

啮合齿数月=1-02(6-Zm)=0.735

基准额定功率%=0.44kw

查表得鼠=25.4m

/.、114

K、=旦

宽度系数,3)(3.5)

/\1-14

F产K,K,P°=KzP。9

额定功率卜"

片行，所以lK/J

查表bs=28mm

最后我们选择35nlm宽的同步带

3.3电机的设计与计算

选择电机也需要考虑到各种因素，工作场所的要求，负载的需求，经济实

惠方面等等。

一般用电动机的额定功率来表示功率。在选择电动机的时候，选择的功率

一般要求略大于或等于所需要的。若太小，则不能带动机器运转。若太大，则会

白白损耗能源，造成不必要的浪费，因此，在选择电机功率这方面，我们应该经

过深思熟虑后再决定，不可盲从选择，以免损坏机器或浪费资源。

10

一般情况下，电机的功率由在其运转时所散发的热量的条件决定。通常情

况下，电动机平稳运行，不发生太大的变化，负载在规定的范围之内时，没有需

要校检它的启动力矩。

其所需要电机功率为：

Pi"(3.6)

式中：

巴为工作需要的输出的功率，单位KW；

%为工作所需要输入的功率，单位KW；

"为总效率。〃=%〃&・・4

电动机选择的功率通过机器工作时所受阻力和参数求出，该机拥有两个部分

的功率：驱动部分和加载部分。

Fv

Pw=------kw(3.7)

1000/

式中：

F为工作机的阻力单位为N；

v为工作机的线速度单位为m/s；

当中，%，7，%各自对应着装置中的各个轴承，传动副，联

轴器的效率。

经过计算得出77=0.817

所以经过计算得出巴=2.32

在选择电动时，也应该在考虑到各个情况都符合的条件下，对其价格进行考

虑。在类型，功率都相同的条件下，它的转速还是可以多种选择的。若选择的是

低转速的，就会导致其价格相对偏高，这是不可求的。但是我们可以通过减小其

传动比和尺寸，来调节。

通过对各种条件和传动比的比较，深思熟虑后，我们选择了l()()()「/min的电

动机。

仔细考虑了电动机类型、结构、转速等，查表后得到电机型号：Y132S-6

其相关的一些技术数据有：额定功率为3Kw,满载的转速为960r/min。

11

查询了机械设计手册后，我们能够得到其尺寸：

A=216mm,B=178mm,C=89nun,D=38mm,AC=270nun,L=475mm,E=80mm,

BB=200mmo

选用极数为4的电机，卧式安装。

3.4油盒的加热升温系统

油盒的加热系统总体上分成两部分，加热板和不锈钢套式。它们都需在电压

220V,功率200的工作条件下，利用调功器对温度进行监控调试，工作时，油盒

中装有的热电阻，通过该电阻，记录传感器信号数据。

该四球摩擦试验机的油盒处于于上主轴的下面，驱动系统载台的上面。它可

以保持四球摩擦试验机在工作室，上球与下球组摩擦式的润滑，以及卡住下球组,

使上球在主轴旋转带动下，下球组能够稳定不动。油盒边上设置着一个控制阀，

它的设置是为了保证可以使多余的润滑油排出，从而有效的保证机器稳定，提高

工作寿命。四球摩擦试验机的主轴下端是一个1:7锥孔，用来连接球夹头。在空

心轴里面有一个拉杆，用来固定各种摩擦副。需要设计两个半圆的保盖箱，放在

油盒的上端。不运转时，不接触主轴。设计两种不同的加热系统。使用不锈钢套

式时，把温度保持在26OC如若采取不锈钢板式加热，则需要我们把温度控制

在-200'工。两种方式的工作条件都电压220V,功率200W。使用调功器对温度监

控报警，保持机器稳定安全运转。装配两种钳热电阻在这两种加热器中。

3.5弹簧式微机施力系统的设计

下主轴部分的加载系统动力为步进电机，步进电机将功率传输到涡轮蜗杆减速

器，而涡轮蜗杆减速器连接着丝杆，带动丝杆旋转，控制丝杆上螺母升降，从而

对弹簧施压。

通过该系统,可以精确的控制动力的值，将一对径向止推球轴承装在在涡轮蜗

杆上面，来稳固涡轮蜗杆丝杠装在涡轮上，从而通过轴承促使螺母对下施压板向

上顶，使弹簧收缩施加压力。设立两个固定的立柱于丝杆的两端，从而对丝杆有

导向的作用。上施力板通过弹簧的压缩受力，从而带动上面的传感器吧试验力推

送到摩擦副上面进行试验。按动控制钮，微机控制系统，保持平稳状态，以一定

的功率进行加载。设置行为控制开关，使其在试验结束时进行卸荷，结束试验。

按照不同的实验要求，我们需要的加载速率也是不同的，应学会改变其规格。步

进电机存在每一个脉冲都存在一次加速，所以我们要设立齿轮来降低其速度。考

12

虑到各种因素，结合该机器的特点，最终选择使用反应式步进电机。

四球摩擦试验机的加载系统，是由电机传递到1：80的涡轮蜗杆减速器，再

传递到涡轮上的丝杆，然后丝杆推动螺母上升，螺母则带动下载压板，使弹簧压

缩推动上承压板上升。然后过传感器试验各摩擦力上的压力。微机可以控制系统

的加载，行程开关起到自动停机作用。

3.6弹簧的选取与计算

圆柱螺旋弹簧主要的尺寸包括：外径，中径，内径，节距等。本次设计的尺

寸参数如下：

外径：90加%中径：87.5〃M7,内径：85帆〃，它要能够承受1KN的试验

力。

选用铭锐钢作为该弹簧的材料，针对于它较大的压缩量，可以采用热卷压缩

弹簧。

13

第四章四球摩擦试验机三维造型及装配

4.1SolidWorks软件介绍

SolidWorks软件于1995开始推出，它是世界上第一个基于windows开发的

三维系统，因其强大功能，易于上手的优点，深受广大用户的喜爱。对于初学者

来说，它是前期最为适合的软件。以下为其特点：

（1）优点:

I）可以在空间上绘制草图；

2）可以制作装配体的爆炸过程，模拟直观；

3）简单生动，，绘制完图形后一目了然；

4）对于初学者而言，操作简单易于上手。

（2）缺点：

1）直接可选用的标准零件库较少；

2）装配过程比较复杂；

3）和真正的实体存在差别；

4）市场应用范围较小。

4.2四球摩擦试验机主要零部件建模

三维造型可以使零件更加真实的体现出来,将各零部件进行配合，从而修改,

制定出更加完善的设计。由于四球摩擦试验机各零部件较多，以油盒组为例，简

要介绍绘图过程：

盒体：

1）选择上视基准面，绘制草图直径75的圆，如图4.1

2）凸台拉伸，如图4.2

3）选择上视基准面，绘制草图，如图4.3

4）拉伸切除，如图4.4

5）选择右视基准面，草图绘制，如图4.5

6）旋转切除，如图4.6

14

7）选择右视基准面，草图绘制，如图4.7

8）旋转切除,如图4.8

9）选择上视基准面，草图绘制如图4.9

10）拉伸切除，如图4.10

15

图4.9绘制草图图4.10盒体旋转切除

油盒其余部分零部件图:

图4.11油盒垫图4.12油盒压环

16

图4.13锁紧螺母图4.14挡油环

油盒装配图：

爹

图4.15油盒装配图

其他部分零部件：13

图4.16钢球夹头图4.17四球专用钢球

17

图4.19外壳

图4.18燕尾槽导轨

4.3四球摩擦试验机装配体

图4.20装配体

18

图4.21爆炸图

19

第五章总结

这次毕业设计，使我对摩擦试验机有了进一步的了解，并且深入的研究了它

的组成，机构，运转方式，操作步骤等等，受益匪浅。这不仅仅是一次设计，还

是这段学习生涯的总结。通过它才发现自己之前的看法太过片面，没有做到实事

求是，真正做下来，才明白自己知识的欠缺，幸好有同学老师的帮助，得以完成。

最终，我对四球摩擦试验机有了一定的认识与研究。

四球摩擦试验机是对润滑油进行评定其承载能力，其主要以点接触的条件通

过滑动摩擦的形式，