一种摩擦磨损试验机的机械机构设计(机械CAD图纸)

1、毕毕业业设设计计说说明明书书（ （论论文文） ）中中文文摘摘要要 摘要： 在涉及到摩擦学及相关领域的产品研发方面，摩擦磨损试验机的应用越发普遍 。目前，世界上只有几个少数国家像美国、英国、日本等拥有专业的企业来生产 摩擦磨损试验机，有很多资料表明目前世界上大部分的摩擦磨损试验机的式样 都以滑块和圆盘为主，在一定的范围之内可以控制载荷、温度、速度、润滑量等 因素的变化。本次课题是一种摩擦磨损试验机的机械机构设计，采用的实验方 法是在相同的模拟工况下，进行对比实验，对摩擦材料副、润滑油的摩擦性能 等进行实验。这款试验机的结构简单、工作可靠、制作费用低廉还具有一定的 灵活性。主要用来测定摩擦力、摩擦

2、系数和摩擦力矩等参数的大小。 关键词：摩擦磨损 实验机 结构设计 摩擦系数 毕毕业业设设计计说说明明书书（ （论论文文） ）英英文文摘摘要要 Title Mechanism design of a friction and wear testing machine Abstract In the research and development of products related to tribology, friction and wear testing machine are wildly applied. Currently, only a few countries like t

3、he United States, Britain, Japan and other professional enterprise can produce the worlds wear tester, a lot of data indicate that now most of the friction and wear tester in the world are in the style slider and disc mainly within a certain range of variation can be controlled load, temperature, sp

4、eed, amount of lubrication and other factors. In this paper, a friction and wear test machine was designed. Test method used is the same simulation conditions, comparative tests of friction performance lubricant experiment. This testing machine has simple structure, high reliability and low producti

5、on costs with some flexibility. Primarily used to determine the size of the friction coefficient of friction and friction torque and other parameters. Keywords Friction and wear；Testing Machine；Structural Design；Friction coefficient 目目 录录 前 言.1 第一章 绪论.2 1.1 摩擦的应用.2 1.1.1 摩擦力在生活中应用的必要性.2 1.1.2 摩擦力在生活

6、中应用的合理性.3 1.2 摩擦磨损试验机的功能与特点.4 1.3 摩擦磨损试验机的发展趋势.5 1.4 国内外摩擦磨损试验机的典型.6 1.4.1 四球摩擦磨损试验机.6 1.4.2 端面摩擦磨损试验机.7 1.4.3 往复式摩擦磨损试验机.8 1.4.4 环块摩擦磨损试验机.8 1.4.5 微动摩擦磨损试验机.9 1.5 摩擦磨损试验机在发展中存在的问题.9 第二章 总体方案设计.11 2.1 摩擦磨损试验机的设计及要求.11 2.2 摩擦磨损试验机的结构及组成.11 2.2.1 加载组件.11 2.2.2 测力组件.13 2.3 摩擦磨损试验机的工作原理.13 第三章 零部件设计.15

7、3.1 电机的选取.15 3.2 油箱设计.15 3.3 传动轴设计.16 3.4 模块与摩擦环块的选择.17 第四章 摩擦磨损试验机的参数计算.18 4.1 正压力计算.18 4.2 摩擦力计算.18 4.2.1 弹簧的拉伸长度计算.18 4.2.2 摩擦力与摆角关系.20 4.3 摩擦系数计算.21 4.4 转动轴的受力分析.21 4.5 电机功率的选取.22 第五章 摩擦磨损试验机技术经济分析.23 5.1 技术经济分析的目的与意义.23 5.2 成本材料分析.23 5.2.1 非标准件.23 5.2.2 标准件.24 5.3 课题技术经济成本计算依据.25 5.3.1 成本计算依据.2

8、5 5.4 课题技术经济成本计算.26 第六章 结论.28 致谢.30 参考文献.31 前 言 摩擦力对我们生活的影响是不可忽视的，然而这种影响在工业生产中却尤 为明显。在工业生产中，机械零部件主要的三种失效形式之一便是摩擦产生的磨 损，由其导致的经济损失极为庞大。每一年，由于各种原因的磨损致使约有百分 之八十的机械零部件失效。从本质上来说，减少摩擦磨损的目的是节省能量消耗 和提高材料的利用率。摩擦磨损试验机的出现对于摩擦学来说是一个巨大的进 步，现在越来越多的摩擦磨损试验机用来评定润滑油的极压特性、抗磨损性能并 且计算摩擦系数从而运用于工业生产中。 机械设备中各个零部件之间的摩擦磨损和零部件

9、的材质、工况环境（压力、 冲击、温度和润滑）等因素密切相关。机械零部件通过摩擦引发的一系列摩擦学 的问题，诸如磨损、润滑、材料和能源的消耗，这些普遍存在的问题极大地影响 了社会经济的发展。特别是随着社会环境的进步和工业技术的现代化发展，机械 设备的开发应用普遍趋于高速、重载、高效率化，在机械系统中，机械构件的运 行是最基本也是最重要的功能。机械构件之间的相对运动和接触作用大都是通 过摩擦来实现的，同时也在摩擦副的表面产生摩擦、磨损和润滑等物理现象。机 械中任何一个摩擦出现问题，都会导致机械的相关部件或全部功能的失效。现代 机械类技术人员尤为关注的问题便是如何控制和改善机械的摩擦磨损状态，提 高

10、机械的使用寿命和工作可靠性，这也是促使人们研究进步的不竭动力。 伴随着材料科学的不断发展与完善，虽然摩擦磨损试验机的研发在近些年 得到迅猛发展，但是人们也越来越提高了对摩擦磨损试验机的要求，今后的摩擦 磨损试验机的应用范围和实验要求也会逐渐提高。开始向着高性能、高精度、高 转速等方面发展，相信今后的摩擦磨损试验机的机械机构自动化程度更高，运行 更加稳定，模拟环境更为真实，处理速度也会更快。 第一章 绪 论 1.1 摩擦的应用 在物理学中，摩擦力是任意两个相互接触的物体发生相对运动时，在它们的 接触面上出现的一种互相阻碍的力。摩擦学就是针对摩擦力的研究。1966年,一篇 著名有关摩擦学的学术著作

11、润滑(摩擦学)、教育和研究得以发表。这份著作得 到了人们普遍的关注，它清晰的解释了“摩擦学”的定义及它在社会经济学中的重 大影响。而此时的摩擦学已然发展成为对国民经济有重要影响的科学1。 在人们平时生活中摩擦是一种很普遍的现象，应用在生活中的例子也有很 多，比如鞋子就是鞋底和路面产生摩擦；吃饭喝水就是手跟碗盘、水杯的摩擦；而 穿衣就是人体和衣物的摩擦等等，这些都是有利的一面2。但任何事都应该从正 反两面来看，摩擦力在我们生活中也不都是有利的，它同样也有它自己的弊端， 比如鞋底跟地面的摩擦会造成鞋底的磨损；机械的运行也需要摩擦，但同时摩擦 也会造成内部零件的磨损、机械的发热，也会消耗不少动力，缩

12、短机械内部零部 件的使用寿命等。 据资料表明，通过各种途径消耗在摩擦上的能源大约占全世界的二分之一。 工业生产里面，如果要大量减少能源消耗，就必须根据摩擦学知识采取正确的措 施。所以我们在利用摩擦来为我们生活服务的同时，也要尽可能的选用正确的方 法来减少摩擦给我们带来的损害，合理的利用摩擦力。 1.1.1 摩擦力在生活中应用的必要性 有摩擦才可以安全出行。人类在几千年前，就已经发明了鞋子，细心的人们 会发现，不管什么鞋子，在它的底面都会有很多条纹，这些条纹均匀地分布在鞋 底，它们的存在可不仅仅是为了美化鞋子，而是含有一定的物理知识的，那就是 用来增大鞋底和地面之间的摩擦力。正是靠着鞋底和地面的

13、摩擦力，人们才能在 地面上奔跑、先走、跳跃，而鞋底一旦过度磨损或地面过于光滑就会减少两者之 间的摩擦，就会容易跌倒，所以如果没有摩擦，人们将“寸步难行”；还有我们大多 数人用过的交通工具 自行车，如果没有摩擦力的存在，自行车就不会出现，也谈不上为人类服务，利 用轮胎和地面的摩擦人们才可以在路面上安全行驶。没有摩擦汽车无法正常开 动，飞机无法正常启动，这将严重影响人们的生活。 有摩擦才可以拿放东西。生活中刷牙洗脸，人类大多通过手与其他物品接触 。日常生活中人们拿放餐具，如果没有摩擦，餐具将一次次从手中滑落，人类将 无法吃饭补充营养；生产劳动时人们拿放工具，如果没有摩擦，工具将一次次从 手中滑落，

14、人们将无法正常的完成工作。 有摩擦才可以做运动。跑步是校内体育活动中深受学生喜爱的一项集体运 动。跑步时穿上钉子鞋，可加大鞋底与地面的阻力, 防止鞋掌与地面多余的摩擦，减少做功才有可能赢得比赛；像篮球、足球、排球、 乒乓球等运动，都需要物体和人体相应部位之间的摩擦，没有摩擦这些运动将无 法进行，同学们也享受不到运动的乐趣。 图1.1步行 图1.2骑行 1.1.2 摩擦力在生活中应用的合理性 通过一些实际例子，我们知道不管事在日常生活中还是在工作中，我们都离 不开摩擦力，没有摩擦力的生活简直难以想象。人们在利用其为人类服务的同时 ，也在尽可能的减少其所带来的损害。例如人们在设计自行车时合理的给前

15、轴、 中轴、后轴加上滚珠，或者给自行车加润滑油来减小摩擦，保证链条正常运转， 以免带来不必要的麻烦。在机械的运行过程中，工人师傅会在转带和机械滑轮之 间、机械的各个零部件之间抹上润滑油来尽可能减少磨损，同时也有着冷却的作 用，将机械的发热程度降到最低，维持机械的正常运行，这样也可以延长机械的 使用寿命。 摩擦力在人们的生活中起着举足轻重的作用。而如何增大或减小摩擦力使 其更好地服务于人类呢？这就需要运用相关的物理知识。若想增大摩擦，则需增 大压力和加大接触面的粗糙程度；而减小摩擦则需要减小正压力、减小接触面的 粗糙程度、用滚动代替滑动，使接触面分开等。只有了解这些相关的物理知识， 才能在日常生

16、活工作中更好的利用摩擦力为人们服务。 1.2 摩擦磨损试验机的功能与特点 开展摩擦磨损试验是为了知晓摩擦磨损现象和它的本质，正确评估影响摩 擦磨损性能的各类客观因素，从而抉择出符合要求的摩擦副元件最优参数。摩擦 磨损试验可以用来测量摩擦、磨损性能，评定不同介质润滑油的作用3。由于摩 擦磨损实验环境的多样化，对摩擦磨损试验机的要求也逐步提高。摩擦磨损试验 数据受诸多因素的制约，往往难以进行权衡比较，不过随着人们的不断研究，很 快就有人提出通过建立标准化的摩擦磨损试验来规范摩擦磨损试验的方法。最 近几年，越来越多的国家开始实现摩擦磨损试验方法的规范化和标准化。机械零 部件摩擦磨损性能是影响实验结果

17、的关键因素，为了获得准确的试验结论，必须 严格规范试验的过程，控制试验的环境。 当前摩擦磨损试验机采用的试验方法可以概括为两类: (1) 实验室试件试验 (2) 模拟性台架试验 世界上第一台磨擦磨损试验机于1910年问世，由此摩擦磨损试验机拉开了 序幕。而在1975年，美国润华工程学会(AlSE)在其编写的摩擦磨损装置一书中 就已经公布了上百种不同类型的摩擦磨损试验机。由此可见，摩擦磨损试验机和 试验方法在短短的几十年里迅猛发展，不过生产成本较高依旧是困扰人们的一 个重要问题。 早在80年代初期，就有人开始高温磨损试验机的研究，这些人一共研发了三 台高温磨擦磨损试验机，并且利用该试验机研究了纯

18、铝和纯铜在400的固定室 温范围内，在空气中的摩擦磨损的性能。 到了80年代末期，德国Fischer A等人在归纳总结以往人们对试验机研究的基础上，发明了一台可以操控温度变 化的试验机：高温三体磨损试验机。它可以控制气温变化，并且严格保证了温度、 磨料、载荷等因素的固定。但是它仍然存在一些问题,如容易发生粘着磨损、缺乏 冷却系统、设备精度低等。 90年代，西安交通大学的邢建东教授等人研制的高温磨损试验机在电阻炉 内的磨损室内置一水平端放的砂轮，砂轮上装有些许松散磨料。在试样夹上，同 样材料的三种试品在受到载荷的情况下则会作用于表面铺有松散磨料的砂轮上 ，试样和砂轮以及松散磨料之间的相对运动会产

19、生两体和三体混合磨料磨损。该 款摩擦磨损实验机可以进行有效的控制温度，并且一次三个试样则可以减少重 复试验的次数。不过它并不是完美的，一个是试样总是在同一个相同轨迹上反复 磨损，磨损屑料会掉入砂轮的间隙中，致使砂轮研磨能力逐渐下降；二是气温不 容易控制；三是这种混合磨损与实际的工矿相差较远。我国西安交大的几位教授 在原有的高温氧化磨损试验机的基础上，研制出一种高温氧化三体磨损试验机。 该试验机机主要的优点为：一是摩擦学系统设计合理；二是温度可控；三是关键零 部件处设有冷却系统。主要不足之处是：一是密封还存在一些问题；二是虽然有 冷却系统不够完善；三是不能定量测定气温的成分。 北方交通大学的李霞

20、教授研究制造了高速摩擦磨损试验机。它最大滑动速 度可达70m/s，可以测量高速状态下的摩擦学参数；可以模拟高速列车制动；可以 实现多个测试数掘的显示和同步纪录。 另外，我国的宋宝玉教授等人一同研究制造出一款真空摩擦磨损试验机，该 试验机可提供410Pa的压力环境，可以在02800r/min的范围内调节速度，并且 可以进行自动数据采集和处理。此外，该试验机机可以在等多种条件下测量材料 的磨擦性能，诸如真空、不同气体环境、加热及冷却等。 现在，越来越多的摩擦磨损试验机开始运用在工业生产中，以期评定润滑油 的极压特性、抗磨损性能以及计算摩擦系数。在一定的接触压力下，摩擦磨损试 验机可以通过模拟滑动、

21、滚动或者两者的复合运动，来完成点、线、面的摩擦模 拟试验。由此可以用来评定润滑剂（润滑油、润滑脂）、塑料、涂层、陶瓷等材料的 摩擦磨损性能。并且实验人员可以按照不同的工况或者实验要求来选择不同的 机型继续进行摩擦模拟实验。 1.3 摩擦磨损试验机的发展趋势 摩擦磨损试验机依据摩擦的运动方式、摩擦副、载荷范围等不同的分类方式 ，据统计目前最少有两百多种分类方式。美国的润滑工程师协会把摩擦磨损试验 机分为12类基于摩擦副的几何形状，前苏联学者克拉盖尔斯基基于模拟摩擦面 的破坏形式的分类方法，把摩擦磨损试验机分为8类。而在我国，合肥工业大学的 教授桂长林等提出了把摩擦磨损试验机根据试验机的内部结构和

22、运动副的相对 运动形分为五类。 较早时候，摩擦磨损试验机是由纯粹的机械组成的结构。它为了测试被测材 料以及润滑脂的性能,通过依靠电机来带动运动副的反复运动。但是这类摩擦磨 损试验机还存在一些缺点，它不能进行较为复杂的加载，并且实验温度和电机扭 矩参数变化幅度较大，很不稳定。因此在和实际情况进行比对参考时存在一定难 度。 而在90年代以后，随着摩擦磨损试验机的应用不断推广，试验机本身的结构趋于 完美。不仅如此，还从国外引入进来一些测控系统来完善试验机。可是即使这样 ，这些试验机还是只能控制单一的参数，且仍需要通过人工来处理大量数据和运 算结果，因此这些试验机在性能的检测方面以及自动化程度方面依旧

23、存在着不 足，而这些不足已经不再适应经济时代发展的需求。 目前有很多摩擦磨损试验机开始利用虚拟仪器开发平台LabVIEW来进行开 发。利用LabVIEW 开发的多功能摩擦磨损试验机智能测控系统以工控机为核心，集数据采集、数据 处理、波形显示和试验环境控制等功能为一体，实现了温度、速度、压力、力矩和 摩擦系数的实时检测。利用LabVIEW 内嵌的C语言子程序可以提高系统的数据处理能力，使其更为强大和灵活。 随着社会的发展，现在的摩擦磨损试验机相较以前已经有了很大发展，不过 还没有达到完美无缺的程度，在很多方面仍然有着发展的空间。比如在某些真空 状态下、极限的超高温度下或者是超高转速的高强度工作负

24、荷下，这些恶劣的环 境都比较难模拟，所以很难进行摩擦磨损实验，不过也不是毫无建树，目前我们 国家也研制出了一些专门针对特殊环境下的特种摩擦磨损试验机，不过这些试 验机由于新近研发，仍有许多问题，无法形成经济价值。 1.4 国内外摩擦磨损试验机的典型 在这里我们简单介绍几个国内外常用的摩擦磨损试验机的结构及工作原理 。 1.4.1 四球摩擦磨损试验机 四球摩擦磨损试验机由一个与之压紧的旋转球和三个固定球组成的运动副 ，该试验机可以研究在滑动情况下和转动情况下润滑油的润滑性能。被测润滑油 的性能则是通过实验之后产生的磨损痕迹大小或者胶合时载荷的大小来评定。 我国最早研制和生产四球摩擦试验机的厂家是

25、济南试验机厂，它根据我国 在石油和材料工业的需求，研发了一款四球摩擦试验机。不过该试验机的体积较 为庞大、没有良好的稳定性。 MRS- 10G杠杆式四球摩擦试验机是该公司最新研发的一款试验机，它的加载载荷最大 可达到5000N，并且可以实现无级变速，室温在0100内试验油的温度可以进行 调节，该试验机在我国石油化工行业算是较为先进的检测设备，有较高程度的自 动化、能够进行较为精密的测量。 大多数国家使用的FALEX四球摩擦试验机是由美国一家名为FALEX的公司 研制的，它的加载系统较其他试验机比较精密，此款试验机分为两种：可变驱动 四球试验机和标准四球试验机。此外，此款实验机最多可以将室温自动

26、加热至23 2左右。现在很多国家已经把四球试验机定为标准试验机。 图1.3 四球摩擦试验机摩擦学系统构成 1.4.2 端面摩擦磨损试验机 模拟和检测面接触的运动副可以通过端面摩擦磨损试验机来进行，端面摩 擦磨损试验机为了实现试样间的相对转动，通过旋转运动装置带动上试样，用加 载盘来保持上、下试样间的压力，如果需要获得在相应工况下摩擦副之间的摩擦 系数，可以将通过试验测得到的正压力、摩擦扭矩、端面摩擦副外径和内径代入 公式进行计算求得摩擦系数。 济南一家试验机厂研究制造的MMU- 2型高速端面摩擦试验机，有着灵活的控制方式、极广的调速范围、高程度的自动 化等优点，因此被很多国内的科研院校列为首选

27、对象。而国外只有缺少专门的端 旋转 球 锥形 体 固定 球 轴 面摩擦磨损试验机，因此进行端面摩擦磨损试验大多数都使用多功能的摩擦磨 损试验机来替代。 1.试样一 2.试样二 3.支架 图1.4 端面摩擦磨损试验机摩擦学系统构成 1.4.3 往复式摩擦磨损试验机 往复式摩擦磨损试验机分为几类，主要是运用于往复运动的零件材料的实 验研究。WMJ- 1500型试验机是一款国产的高速往复试验机。该试验机的在连杆带动下作往复 运动，具备微机控制和全平衡式等特点。日本的一款往复摩擦试验机通过齿轮齿 条机构来进行往复运动，转速高，行程大4。主要用于试验各种平板类材料或者 涂层表面的实验，另外还可以避免一些

28、因操作者失误时而产生的误差，不过这需 要操作者用摩擦磨损解析软件运算平均动摩擦来完成。 1.固定块 2.磨块 3.摩擦块 4.动力源 图1.5 往复式摩擦磨损试验机结构示意图 1.4.4 环块摩擦磨损试验机 在测量线接触摩擦副方面，环块摩擦磨损试验机就是典型的测量机构。通过 转动的标准圆环和受压紧的矩形块两个方面，组成了这个机构的摩擦副，在这个 试验机里面，加载结构和横杆是要连接在一起的，这样才可以进行摩擦系数的测 量。当矩形块受到载荷时，在矩形块的上方会出现高低不平的条形摩痕宽度，同 样，摩擦副之间受到载荷会改变摩擦力和摩擦系数，通过这两个方面的测量，摩 擦系数的改变就会一目了然，这也是判断

29、润滑剂承受载荷的能力和判断摩擦副 材料的摩擦磨损性能是否良好的一个检测方法5。 最早的一款环块实验机叫做Timken，通过加载机构、冷却润滑系统以及一台 可以工作需求可调整的变速马达等一系列结构组成了这个试验机，主轴转速最 高可达到3400转每分钟，并且可以承受500N的附加载荷。这个试验机是通过AST M测试的标准试验机。 图1.6 环块摩擦磨损试验机 图1.7 Timken试验机标准测试环 1.4.5 微动摩擦磨损试验机 用于研究摩擦副接触面间产生的微小振幅，而在进行相对滑动时摩擦副材 料或者润滑材料的摩擦学性能的是微动摩擦磨损试验机。该款试验机可以从获 得微动位移幅度以及交变应力的动力源

30、角度进行分类，一共分为电磁、机械以及 电液伺服三种驱动方式。 WWM- 1型微动摩擦试验机由济南某家厂家生产。该类试验机可以评定材料的微动磨损 特性，拥有两种不同控制方式：手动及自动。有着操作便捷，自动化程度高等优点 。 载 荷 块 润滑油 试 件 图1.8 微动摩擦磨损试验机 1.5 摩擦磨损试验机在发展中存在的问题 随着社会的发展，虽然现在的摩擦磨损试验机相较以前已经有了很大发展， 不过还没有达到完美无缺的程度，在很多方面仍然有着发展的空间。比如在某些 真空状态下、极限的超高温度下或者是超高转速的高强度工作负荷下，这些恶劣 的环境都比较难模拟，所以很难进行摩擦磨损实验，不过也不是毫无建树，

31、目前 我们国家也研制出了一些专门针对特殊环境下的特种摩擦磨损试验机，不过这 些试验机由于新近研发，仍有许多问题，无法形成经济价值。 第第二二章章 总总体体方方案案设设计计 2.1 摩擦磨损试验机的设计及要求 大学四年，悄然逝去。这四年里，不仅是学习的过程，也是一段提高期，学到 了很多，可毕竟只是书本上的理论知识，和实际的仍然有很大的差别，通过此次 毕业设计，我可以更好的总结所学的理论知识并进行实践，从而锻炼自己，也是 为以后的职业生涯积累经验。 设计也是教育的一个重要组成部分，在这次毕业设计中，我需要灵活运用所 学的知识体系，提高自己的分析能力，养成解决问题的认真态度和严谨的风格， 在老师的指

32、导下，更快更好的完成并且完善自己的摩擦磨损试验机。同时也要学 习更快更好的查阅文献资料和所需文档，学会参考资料，收集和比较有价值的数 据，尽可能吸收其他试验机的优点，在原有基础上进行创新，并且因为条件有限 ，所以设计的试验机需要结构简单，工作稳定可靠，制作费用低廉，具有更好的 使用价值和良好的经济效益。 在润滑油的摩擦磨损性能试验中，需要测定摩擦力、摩擦系数、摩擦力矩、 磨损量及磨损率等具体参数。通常的试验方法有两种:一种是按试验规范或者标 准进行，如润滑剂承载能力测定法（如四球法）；一种是在相同的模拟工作条件下 ，进行对比试验。前一种方法试验规范、得到的数据较为可靠。但对实验条件要 求高，而

33、且标准设备价格昂贵；后一种方法试验在设计方面就比较灵活，试验的 环境和设备的选择有一定的自主性，可以根据具体实验要求，模拟不同的工作条 件，自己研制仪器设备6。因为考虑到成本等问题，所有选取第二种实验方法，要 求设计出来的摩擦磨损试验机结构简单，工作可靠，制作费用低廉，能够测出材 料副相对运动的摩擦力大小，从而计算出摩擦系数和摩擦力矩。 2.2 摩擦磨损试验机的结构及组成 该试验机主要测试组件由油箱、动力系统、磨损测试组件及摩擦组成。其中 ，摩擦组件的两部分构成分别是加载组件以及测力组件，其结构原理如图2.1所示 。 2.2.1 加载组件 加载组件是实现试验机加载的部分，由于摩擦力是在一定压力

34、下产生的，所 以加载组件是必不可少的。摩擦磨损试验机的重要参数之一是载荷，载荷在试验 过程中需要保证一定的稳定性。试验机对于载荷的精度要求较高，国内试验机载 荷数值的相对误差在正负0.01之间。在摩擦磨损试验机上减小加载系统的摩擦阻 力可以满足载荷的精度要求。目前机械式、液压式和电磁式是摩擦磨损试验机常 用的三种加载方式。其中，机械式加载又分为四种加载形式：弹簧加载、杠杆加载 和重物直接加载以及以上三种加载方式的组合形式7。其中，杠杆加载以及重物 直接加载系统的结构都相较简单，加载精度高，但是在遇到摩擦副运动不稳定的 情况下却会引发振动和冲击；弹簧加载产生的振动相对较小，但是，弹簧加载的 精度

35、不高，难以实现载荷的精确调整。动压加载和静压加载是液压式加载的两种 形式，但液压加载很难维持载荷的稳定性。电磁加载相对来说容易实现负荷的自 动控制，但它的弱点是控制部分的成本较高，并且在先有的摩擦磨损试验机上应 用的较少。 加载组件的基本要求： (1)加载系统要可以稳定地施加压力并且为了保证试验过程的需要，应该便 于操作和控制。便于操作包括可以较为简单地施加载荷并且保证施加载荷能够 控制在一定范围内，卸载时同样应该方便。 (2)加载组件的压力应该便于控制和测量，只有压力便于控制，才能保证试验 测量的数据和结果的精确性和稳定性。 因为考虑到设计的是较为简单的摩擦磨损试验机，对于精度要求不高，所以

36、 最终我选择了通过螺母拧紧，推动弹簧加载的方式，这样设计的优点是弹簧加载 产生的振动比较小，而且结构简单，便于操作，成本经济实惠。缺点是加载的精 度不高。 在本次设计中，加载组件是由调节套、拧紧螺母、端板3部分组成。调节套套 在螺母上，调节套上攻有外螺纹和端板中心孔的内螺纹组成螺旋副，进行力的传 递。在使用该加载组件在试验机内部进行加载时，采用人工手动加载，力的大小 未知。可以根据胡克定律来计算摩擦力的大小。 设计参考如图1所示，用两根圆钢杆穿过固定块3，一端固定在滚动轴承5上，另一 端焊接在端板上，端板上攻有内螺纹，使得拧紧螺母1可以拧进拧出。拧紧螺母1 拧紧，由于螺旋副的作用，螺母同时在做

37、直线运动，把力传给压缩弹簧2推动固定 块3，固定块将磨块压紧在摩擦环块4上，两者就产生摩擦。通过测量压缩弹簧的 压缩长度，根据胡克定律N=KX，可以求出正压力N，其中K为弹性系数，X为压缩 长度。 2.2.2 测力组件 测力组件主要是通过观察刻度盘来直观的了解摩擦力的大小，它是由刻度 盘、指示力臂和拉伸弹簧组成的。如图1所示，指示力臂固定连接在滚动轴承5上 ，由于摩擦力的影响，指示力臂发生转动，克服拉伸弹簧的弹力直至平衡8。 2.3 摩擦磨损试验机的工作原理 该机构的受力简图如下： 图2.1 受力简图 如图2.1所示，主要有如下零件组成：1.拧紧螺母 2.端板 3.压缩弹簧 4.固定块 5.磨

38、块 6.摩擦环块 7.导向杆 8.放油螺钉 9.轴承 10.拉伸弹簧 11.指示力臂 12.刻度盘 13.油箱 14.液位计 这是油箱内部机构的一个受力简图。这里简单介绍一下试验机的工作原理及各 零部件的作用：1.拧紧螺母是用来调节弹簧的压缩量，是加载组件的关键部件，产 生正压力。2.端板主要用来和拧紧螺母通过螺纹副连接，采用两边对称的形式， 保证两边通孔相对称。两边通孔用来安装导向杆。3.压缩弹簧受到正压力作用产 生弹簧力推动固定块4.固定块主要是固定磨块，受到弹簧力会推动磨块运动。固 定块通过两边的导向杆导向，顺着导向杆做往复运动。5.磨块用来和摩擦环块接 触产生摩擦。6.摩擦环块逆时针转

39、动与磨块接触产生向下的摩擦力。7.导向杆一 端固定在端板上，另一端与指示力臂一同固定在固定套上，可以绕着连接环块的 轴转动。8.放油螺钉，通过拧开放油螺钉实现放油。9.选用深沟球轴承进行滚动， 因为深沟球轴承主要受一个径向力，它在理论上不受轴向力的作用或者只受轻 微轴向力作用。此外它还具有一定的调心作用。10.拉伸弹簧与指示力臂连接，施 加一个拉力保证受力平衡。11.指示力臂固定在固定套上，当摩擦环块与磨块形成 摩擦，产生向下的摩擦力时，指示力臂受摩擦力影响发生偏转。12.刻度盘查看指 示力臂偏转的角度。13.油箱用来安装其他零部件和润滑油，油箱上端设有进油口 和观察口，底部设有放油螺钉，可以

40、根据实验需要自行加油和放油。14.液位计用 来观察油箱内油液高度，并且带有温度计可以测量油液温度。 工作原理：如图2.1所示，首先启动电动机，电动机通过联轴器与传动轴连接 ，从而带动传动轴开始转动，传动轴上安装一个摩擦环块并且通过键连接固定。 摩擦环块绕传动轴做逆时针转动。我们通过拧紧螺母来压缩弹簧产生正压力，弹 簧受到外力作用变形，从而产生弹簧力，弹簧力推动固定块沿着导向杆向前运动 。磨块固定在固定块上，一起向前运动，与摩擦环块相接触，产生正压力，当摩擦 环块逆时针转动时，产生一个向下的摩擦力。导向杆和指示力臂一同固定在固定 套上，可以绕着传动轴中心转动，指示力臂与拉伸弹簧连接。当受到向下的

41、摩擦 力作用时，指示力臂向左偏转拉动拉伸弹簧伸长，直至摩擦力矩与拉伸弹簧对固 定套产生的力矩达到平衡。这里正压力等于拧紧压缩弹簧产生的弹簧力，我们可 以通过胡可定律F=KX可以计算出压缩弹簧的弹簧力也就是正压力以及拉伸弹簧 的拉力，在求得正压力和拉力的情况下通过力矩平衡公式又可以计算出摩擦力 的大小，相应地再通过摩擦力计算公式F=N以及摩擦力矩的计算公式T=FR，还 可以得到相应的摩擦系数及摩擦力矩。 第第三三章章 零零部部件件设设计计 3.1 电机的选取 动力系统是摩擦磨损试验机的重要组成部分之一，而摩擦磨损试验机的性 能价格比在很大程度上要取决于驱动方法以及驱动装置的选择。根据驱动装置 的

42、不同, 摩擦磨损试验机的驱动机构可以大致分为四大类：液压驱动、气动驱动、电机驱 动和机械驱动。而本次设计我们根据性能要求和经济实用等方面选用电动机来 驱动摩擦磨损试验机，这样设计的试验机有着结构简单、机构紧凑、重量轻、工 作稳定和控制方便等优点。因此，本次摩擦磨损试验机选取电机驱动的驱动方式 进行设计。 电动机是一种标准部件，可以进行批量生产，主要通过结构、类型、功率和 转速来选择电动机。根据电源，工作条件和载荷特点来选择电动机类型和结构型 式。电动机选用变频电机，可以实现调节变速，可以进行不同的转速对摩擦力影 响的实验。电机主要承受的负载为摩擦环块产生的摩擦力，而传动轴上滚动轴承 、固定套的

43、摩擦力由于油脂润滑，可以忽略不计。电机的输出扭矩要大于磨块与 摩擦环块之间的摩擦力产生的扭矩，这里根据需要选择了SEW的电机，型号为D FT80S的伺服电机，能够将电能转换为机械能，转速通过脉冲频率控制最高为136 0r/Min的电动机。 图3.1电机 3.2 油箱设计 油箱的设计尺寸为600*300*400mm，油箱的顶部部分采取封闭设计，这样是 为了避免油液飞溅，同时可以起到固定拉伸弹簧和刻度板以及作为加力杠杆的 支点的作用。在油箱的顶部设计有一个观察口，通过这个观察口我们可以随时观 察油箱内部的摩擦磨损现象，而在油箱顶部左下角还设计有一个空气过滤器，是 作为加油口存在的，主要是起到一个加

44、油排放空气的作用。在油箱底部，有四个 支架，支撑着油箱，另外在底部还有一个放油螺钉，通过球阀的拧开与拧紧控制 ，起到放油的作用。通过放油螺钉，可以进行对比实验，例如在相同的材料及转 速下，不同介质的润滑油对于摩擦力的影响，也可以对比在相同的环境下，有无 润滑油对于摩擦力的影响9。 1.油箱 2.刻度盘 3.观察板 4.进油口 5.放油口 图3.2 油箱 3.3 传动轴设计 传动轴主要是用来连接电动机并且装配一些零部件，因为在传动轴中间需 要固定摩擦环块并保证位置精度，所以设有一个小台阶并且通过键连接固定摩 擦环块，而传动轴和变频电动机主要是通过联轴器连接，电动机通过电机支架固 定在油箱上，传动

45、轴两端需要安装滚动轴承。先将轴承座、滚动轴承和固定套组 装在一起，滚动轴承这里选用的是深沟球轴承，因为它主要受一个径向力，理论 上不受轴向力的作用或者只受轻微的轴向力作用，并且由于深沟球轴承还具有 一定的调心作用，所以在传动轴受摩擦力影响发生一定倾斜的情况下仍可以正 常工作。深沟球轴承采用过盈配合。在传动轴和轴承座之间还设计了一个旋转油 封，而其所起到的作用是密封。传动轴时靠油箱左右两端的深沟球轴承支撑。将 轴承座，滚动轴承，固定套，传动轴，摩擦环块以及定位套先组装在一起，从靠近 电机的一侧的油箱通孔内装入，在传动轴的另一端，同样将轴承座、滚动轴承和 固定套三者组装，安装在传动轴另一端，采用螺

46、栓固定。油箱两端安装传动轴的 孔采用一次性加工，这样可以更好的保证轴的定位精度，传动轴采用45号钢，进 行调质处理。 图3.3 传动轴 3.4 模块与摩擦环块的选择 本次设计采用的磨块是可拆卸的，标准磨块和摩擦环块都是选用材料为45 钢，并且都进行调质和表面淬火处理。由于磨块是可拆卸的，所以可以通过更换 不同材料的磨块进行摩擦实验，对比不同材料对于摩擦力和摩擦系数的影响。 第第四四章章 摩摩擦擦磨磨损损试试验验机机的的参参数数计计算算 4.1 正压力计算 拧紧压缩弹簧产生的弹簧力为F 磨块和摩擦环块之间产生的正压力为N N=F 由胡克定律可得弹簧产生的力： (4-1)LkF 这里是压缩弹簧的压

47、缩长度，L K是弹簧常数,其中： (4-2) NcD dG K 3 4 8 G-材料的弹性模量(材料是65Mn时,G=8000 N/mm2) d-弹簧线径,mm8 . 1d D-弹簧中径 D=14mm Nc-弹簧的有效圈数 Nc=7.5圈 故: NcD dG K 3 4 8 mmN5 . 0 4.2 摩擦力计算 4.2.1 弹簧的拉伸长度计算 已知拉伸弹簧的初始长度Lo 平衡重力后的弹簧长度为L1 试验机在静止状态下的受力分析如图4.1所示： 图4.1 受力图 已知零件序号1、2、3、4、5的重量和其对应的相对位置 可计算出上述5个零件的重心位置。 通过力矩平衡方程可得： (4-3)FLG1cos2cos R 其中： gmmmmmG54321 (0.2+0.66+0.66+2.8+0.2) 4.52g F为弹簧平衡重力时，弹簧的弹簧力 和为力与力臂的夹角12 由此可求得弹簧力的大小F 由公式4-1 LkF 01LLL 可得拉伸弹簧的伸长量L 故拉伸弹簧的总长度： 01LLL 4.2.2 摩擦力与摆角关系 图4.2 摩擦力与摆角关系 如图4.2所示,当摩擦环块转动时,可计算出弹簧的伸长量 1 2 cos 180 12 180 112 2 2 L R L R LLLL 摩擦环和磨块之间的摩擦力为F 摩擦力的力臂为r=60mm 弹簧的拉力为T, 弹簧力的力臂为2cosR 根