微型轴承摩擦力矩的测试研究

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上海交通大学硕士学位论文
第一章
绪论
考虑径向负荷作用下向心球轴承中钢球与内圈滚道接触面的差动滑动，如图 1-1 所示。内圈滚道表面线速度与到轴承轴线的距离成正比，其圆周线速度沿轴向 分布如 v i 所示。钢球表面的线速度与到球自转轴线的距离成正比，如 v b 所示。可以 看出，只能在两点发生纯滚动。在接触面的中间部分和两侧产生方向相反的滑动， 称为差动滑动。 若假定接触面上任一单元面积的切向力与接触压力成比例，可以推导出钢球沿 轴承滚道滚动时因差动滑动所引起的摩擦力矩。试验指出，如果球与滚道曲率半径 相差小于 20%，则差动滑动所引起的摩擦比弹性滞后大。
关键词： 摩擦力矩，微型轴承，摆针法，角度测量，图像处理
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上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
RESEARCH ON THE MEASUREMENT OF FRICTION TORQUE OF MINIATURE BEARINGS
ABSTRACT
The friction torque of bearing directly affects bearing’s performance, and it is an important performance index of roll bearings. It directly affects the energy wastage, and has relation with the movement of the precise apparatus and the veracity of information transference. If the friction torque is too big, it will bring the temperature of the bearings, and that will break up the lubricant, prick up wastage, and even will bring to surface burnt and bearings mangled. It is a primary factor taken into account in the design of bearings, and emphasized in home and abroad. The friction tongue of bearings is a very complex issue; quantitative study and measurement of the friction torque are always tip topics for bearing industry and principal machine in the world. For the friction torque measurement studied in this paper, the friction torque is measured indirectly by testing the defluxion angle of the pendulum pin which is fitted on the outer-circle of the bearings. The principal is that: the measured bearing is fitted on the horizontal rotation axis; the pin is fitted on the outer-circle of the bearing; the weight of the pin and the radius are to a certainty. When the inner-circle of the bearing is eddying on uniform speed along with the rotation axis, because of exist of the friction torque during outer-circle and inner-circle, the outer-circle and the pin will turn to an angle. If the friction torque is big, the angle will be big too, and, if the friction torque is small, the angle is small too. Then we snap the pin by digital video, and do image processing to the snapped image, and test the angle, eventually test the friction torque. The method used in this project is different from ones ever
学位论文作者签名：赵静
日期：
2006 年 2 月 18 日
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图 1-1 滑动摩擦 Fig.1-1 Sliding Friction
三．自旋滑动所引起的摩擦 球轴承的钢球沿套圈滚道可能产生绕接触面法线的旋转运动。由此引起的滑 动，称为自旋滑动，自旋滑动所引起的摩擦力矩与接触负荷的 4/3 次幂成正比。 自旋滑动也可以发生在推力短圆柱滚子轴承或推力滚针轴承中。若两套圈反向 旋转，滚子将沿接触面法线方向旋转，即产生自旋滑动。 四．滑动接触部位的摩擦 滚动轴承中有许多滑动接触部位，例如滚动体与保持架兜孔间的滑动，保持架 与套圈引导表面间的滑动以及滚子断面与套圈挡边之间的滑动等。 滚动体与保持架兜孔间的相互作用力难以计算，其间的滑动摩擦尚无较完整的 分析方法。
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ABSTRACT
before. Compared to the old ones, it has many outstanding features, for example: extra precision, convenience and legible, direct connection with the PC and data storage. This machine can measure the maximal friction torque while the bearing is under low speed. This paper introduces the principal of the friction torque measuring apparatus of miniature bearings, logic design of the system and the software design. The development of this system will provide dependable reference to the betterment of bearings’ design parameters and machining technics, and the analysis of influencing factor of bearings friction torque, so improves the bearings’ quality and mainframe’s precision, and satisfies units of technical need of bearings’ friction performance.
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摘要
力矩值的大小。该测量仪采用的方法和以往的微型轴承摩擦力矩测试方 法相比有比较突出的优点：测量精度高、读数方便直观、与计算机直接 相连数据保存方便，能够测量得到轴承在低速转动时的最大摩擦力矩 值。 本文详细介绍了微型轴承摩擦力矩测试仪的工作原理，系统逻辑设 计和软件设计流程，并附有部分图解。该测试仪的成功研制将为改进轴 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，从而提高轴承质量和主机精度，满足使用单位对轴承摩擦 性能的技术要求。
1.2 滚动轴承摩擦力矩的产生机理及其计算
1.2.1 滚动轴承摩擦力矩的产生机理
滚动轴承的摩擦主要来自以下几个方面[1-4]： (1) 材料弹性滞后引起的纯滚动摩擦； (2) 在滚动接触面上的差动滑动所引起的摩擦； (3) 滚动体沿接触面中心法线的自旋滑动所引起的摩擦； (4) 滑动接触部位的纯滑动摩擦； (5) 润滑剂的粘性摩擦。 一．弹性滞后引起的滚动摩擦 若滚动体在负荷作用下沿滚道表面滚动，接触表面下的材料产生弹性形变。在 接触消除后，弹性变形的主要部分恢复。但是，由实验观察到，在负荷增加时，给 定应力所对应的形变总是小于负荷减小的形变，称为弹性滞后，反映了一定的能量 损失，表现为滚动摩擦阻力。 二．差动滑动引起的摩擦
上海交通大学 硕士学位论文 微型轴承摩擦力矩的测试研究 姓名：赵静 申请学位级别：硕士 专业：电子信息与电气工程学 指导教师：颜德田 20060101
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摘要
微型轴承摩擦力矩的测试研究
摘
要
轴承摩擦力矩直接影响轴承的性能，是滚动轴承的一项重要的性能 指标；它直接影响到能量的损耗，还关系着精密仪表动作和信息传递的 准确性。摩擦力矩过大会引起轴承温度的上升，过分的温度上升将使润 滑剂劣化、磨损加剧，甚至导致滚动表面烧伤，轴承损坏。摩擦力矩是 轴承设计时必须考虑的主要因素，国内外对轴承摩擦性能的研究十分重 视。轴承摩擦力矩是一个十分复杂的问题，定量研究和测量轴承摩擦力 矩一直是世界轴承行业和主机单位的尖端课题。 本文研究的摩擦力矩测量方法，是通过测量固定在轴承外圈的摆针 的偏转角度来间接测试摩擦力矩的，其测试原理是将被测轴承安装在水 平旋转轴上，在轴承外圈固定一个摆针，摆针的质量和离轴心的半径是 一定的。当轴承内圈随着旋转轴匀速转动时，由于轴承内圈和外圈之间 存在摩擦力矩，会带动外圈和摆针转动一个角度。如果摩擦力矩大，摆 针摆动的角度就大；摩擦力矩小，则摆针的摆动角度就小。这样利用数 字摄像机采集测试图像，把采集到的图像输入到工业控制计算机中进行 基于图像处理的角度检测，测出摆针偏转角度的大小，从而计算出摩擦