某軸承摩擦力矩測量裝置整體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2097某軸承摩擦力矩測量裝置整體設(shè)計(jì)案例 1285251.1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型 1224351.1.1機(jī)床選型 1132951.1.2被測軸承 2215581.1.3軸承夾具方案設(shè)計(jì) 3143491.1.4傳動軸設(shè)計(jì) 5209741.1.5加載裝置設(shè)計(jì) 5147941.2測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型 642651.2.1傳感器選型 750911.2.2測力桿設(shè)計(jì) 81.1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型1.1.1機(jī)床選型本次課題設(shè)計(jì)是以中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院西廳實(shí)驗(yàn)室的軸承摩擦力矩測量裝置為原型設(shè)計(jì)的。本次課題設(shè)計(jì)選擇以型號為CA6140A臥式車床為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。機(jī)床外形如圖1.1所示，其運(yùn)行原理為：軸承安裝在傳動軸上，傳動軸由車床的三爪卡盤夾持，傳動軸旋轉(zhuǎn)帶動軸承旋轉(zhuǎn)。以該車床為原型設(shè)計(jì)軸承摩擦力矩測量裝置有調(diào)速方便、使用方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。圖1.1CA6140A臥式車床1.1.2被測軸承深溝球軸承(GB/T276)，因?yàn)槠淠Σ磷枇π?，使用性能好，造價成本低，更換方便，結(jié)構(gòu)簡單，可以分別承受徑向力或軸向力，也可以承受徑向和軸向同時作用下的聯(lián)合力，所以是目前應(yīng)用最廣泛的一種滾動軸承[30]。本次課題設(shè)計(jì)選用的的是軸承代號為6206的深溝球軸承，軸承參數(shù)如表1.1。表1.16206深溝球軸承參數(shù)dDBd1D2r1,2min30mm62mm16mm42mm50mm1mmdaminDamaxramax36mm56mm1mm1.1.3軸承夾具方案設(shè)計(jì)軸承夾具的設(shè)計(jì)要依照上文的軸心加載法進(jìn)行設(shè)計(jì)，軸承夾具的設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)要求：第一，要求能與軸承外圈進(jìn)行過渡配合，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，傳動軸旋轉(zhuǎn)帶動軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，軸承外圈由于軸承摩擦力矩的作用下也產(chǎn)生相對運(yùn)動的趨勢，夾具也要和軸承外圈有著相同的運(yùn)動趨勢。第二，軸承夾具要有足夠的剛度，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中要求能承受設(shè)計(jì)的最大加載載荷。最后，夾具要求能與傳感器連接并且最好能與傳感器保持水平。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)了三種軸承夾具，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示方案a方案b方案c圖1.2軸承夾具示意圖對以上三種方案進(jìn)行分析對比，可得到以下結(jié)論：方案a裝置設(shè)計(jì)簡單，軸承地安裝比較方便，但是無法承受較大地徑向載荷，本課題要求加載的載荷較大，夾具易變形，容易對軸承摩擦力矩地測量造成較大的誤差結(jié)果。方案b在方案a的基礎(chǔ)上加大了上下頂板的尺寸，讓夾具的受力情況有所改善，剛度提高，但是裝置太過復(fù)雜，對精度的要求更高，經(jīng)濟(jì)效益太低，并不適合實(shí)際的生產(chǎn)與使用。方案c是方案a的改良版本，兩側(cè)的長螺栓可以使上下兩塊軸承夾具自動平行，加載裝置直接連接到軸承夾具上，夾具上下兩部分結(jié)構(gòu)一樣，中間加工成弧形以便和軸承配合。該方案定位精度高，加工難度低，實(shí)用性高且經(jīng)濟(jì)成本低。綜上所述，選擇方案c設(shè)計(jì)軸承夾具。夾具材料選用45號鋼，夾具在使用時先將上方的夾具與軸承進(jìn)行配合，之后將長螺栓擰進(jìn)螺紋孔并裝上螺母，最后將下方的夾具用螺紋孔對準(zhǔn)長螺栓，和軸承配合完全后再安裝下方的六角螺母。1.1.4傳動軸設(shè)計(jì)傳動軸由車床的三爪卡盤夾持，車床帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸與軸承內(nèi)圈過盈配合，帶動軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動。傳動軸采用45號鋼制造，本課題設(shè)計(jì)要求加載的載荷較大，傳動軸的剛性必須要滿足實(shí)驗(yàn)要求。傳動軸如圖1.3所示。圖1.3傳動軸示意圖1.1.5加載裝置設(shè)計(jì)軸心加載法的加載方式是采用軸下加載的軸承摩擦力矩測試方法，根據(jù)軸心加載法的原理設(shè)計(jì)出了兩種加載裝置，加載裝置設(shè)計(jì)圖如圖1.4所示。方案a方案b圖1.4加載裝置設(shè)計(jì)圖方案a采用的是無鉸鏈連接，加載杠上下兩端打上螺紋，上端與夾具下端螺紋孔連接。此方案結(jié)構(gòu)簡單、易加工且安裝方便但是在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，由于車床在運(yùn)行過程總會有些振動且傳動軸和夾具會有精度誤差也易產(chǎn)生振動，最終產(chǎn)生的振動會傳動到加載桿上，導(dǎo)致加載桿劇烈振動，產(chǎn)生噪聲，同時加載杠劇烈振動也會導(dǎo)致所加的載荷不會處于徑向位置，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極大。方案b采用了鋼絲繩連接，上端是一根加載桿，并且加載桿的上端打上螺紋與夾具的下端螺紋孔進(jìn)行連接。加載桿下端中間加工一塊長方形通孔用于安裝滑輪，鋼絲繩繞過滑輪并在下端與吊環(huán)螺母固定連接，吊環(huán)螺母所連接的加載桿與方案a的設(shè)計(jì)一致，砝碼與加載盤也一致。方案b因?yàn)橛袖摻z繩的存在大大減小了軸承夾具在實(shí)際工作過程中的振動，大大提高了軸承摩擦力矩測量裝置的穩(wěn)定性，減小了誤差。綜上所述，軸承摩擦力矩測量裝置的加載機(jī)構(gòu)選用方案b設(shè)計(jì)。加載杠的下端安裝有加載盤可放置砝碼，加載盤下安裝M20的六角螺母用來固定加載盤。每個砝碼的重量是10KG，砝碼的兩側(cè)都裝有手柄，方便操作人員在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中安裝與卸載砝碼。1.2測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型上文介紹了軸承摩擦阻力測試裝置的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型方案，軸承摩擦力矩測試裝置的測試系統(tǒng)主要是要實(shí)時測量拉力傳感器所接收的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終得到實(shí)驗(yàn)所需軸承摩擦力矩大小。測試系統(tǒng)的靈敏度、精確度、抗干擾性要求都高，測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性直接決定了實(shí)驗(yàn)所測得的軸承摩擦力矩的準(zhǔn)確性。1.2.1傳感器選型在綜合考慮了測試環(huán)境、測試范圍、精度要求、穩(wěn)定性要求、經(jīng)濟(jì)要求等各個方面，本次課題設(shè)計(jì)最終選用的是用北京鑫海中豐科技有限公司的CFBLSM拉力傳感器，量程為5-500Kg，本次課題設(shè)計(jì)選用50Kg，測量精度0.03%FS。本次課題設(shè)計(jì)選用的拉力傳感器，具有精度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)、安裝方便、拉壓信號輸出對稱性強(qiáng)等特點(diǎn)。型號為CFBLSM拉力傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖1.5所示。圖1.5拉力傳感器結(jié)構(gòu)圖本次課題設(shè)計(jì)的原理是軸心加載法，此測試方法源自于力矩平衡法，傳感器通過拉力繩連接軸承夾具，形成力矩來固定軸承夾具。該傳感器工作原理為：在外力作用下，彈性體（彈性元件、敏感梁）會發(fā)生彈性變形，使其表面粘貼的電阻應(yīng)變計(jì)（電子轉(zhuǎn)換元器件）隨著彈性體的變形而發(fā)生形變，應(yīng)變儀的電阻會變的更大或更小，然后通過相應(yīng)的測量電路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或電流）從而完成將外力轉(zhuǎn)換成電信號的過程[31]。型號為CFBLSM拉力傳感器參數(shù)表如表1.2所示。表1.2拉力傳感器參數(shù)表參數(shù)（單位）技術(shù)參數(shù)參數(shù)（單位）技術(shù)參數(shù)靈敏度（mV/V）2.0±0.029靈敏度溫度系數(shù)（≤%F·S/10℃）±0.029零點(diǎn)輸出（%F·S）±1零點(diǎn)溫度系數(shù)（%F·S/10℃）±0.03輸入電阻（Ω）330～370輸出電阻（Ω）245～255非線性（%F·S）±0.029重復(fù)性（%F·S）±0.029滯后（%F·S）±0.029安全過載（%F·S）149工作溫度（℃）-20～+80℃推薦激勵電壓（V）10～151.2.2測力桿設(shè)計(jì)測力桿