超越離合器軸承動態摩擦力矩測量儀

張　辛，高奮武，孔志營

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039）

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超越離合器軸承動態摩擦力矩測量儀

張辛，高奮武，孔志營

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039）

摘要：介紹一種高精度、快速測量超越離合器軸承動態摩擦力矩的裝置。該裝置采用力矩平衡的測量原理實現了超越離合器軸承的動態摩擦力矩測量，實現了軸承安裝方便快捷，測量精度提高，滿足了超越離合器軸承在不同條件下的動態摩擦力矩測量。

關鍵詞：超越離合器軸承；動態摩擦力矩；測量儀

超越離合器軸承一般由楔塊、保持架及彈簧組成，由楔塊承受扭矩，實現單向旋轉、擺動分度及正逆和超越的功能[1]。由于其實現三種功能時，均有軸承處在滑動摩擦狀態，所以軸承的動態摩擦力矩是影響其傳遞效率的重要指標。

目前國內超越離合器軸承動態摩擦力矩測試儀主要以扭矩傳感器串聯在驅動系統與支撐軸系之間的形式來測量軸承的摩擦力矩值。但此種方法存在一定不足，對于超越離合器軸承來說，測量范圍大，這對傳感器要求非常嚴格，目前的扭矩傳感器無法實現在大量程的情況下提高精度。因此，要想測量小測值的摩擦力矩，只能通過更換扭矩傳感器來實現，但此種形式下扭矩傳感器不易更換，這就造成了小測值下摩擦力矩測量不準確。本文針對目前國內超越離合器軸承動態摩擦力矩測量儀的不足，對其進行改進，從而提高超越離合器軸承動態摩擦力矩測量儀測量效率，改善超越離合器軸承性能。

1　超越離合器軸承動態摩擦力矩特點

超越離合器軸承動態摩擦力矩具有動態不確定性，這是滑動軸承這個確定的非線性系統的一種不確定表現，其動態特性的非線性與多變性，使摩擦力矩測值波動性大。測量動態摩擦力矩時，對附件公差要求高，更換軸承不方便，影響測量效率。超越離合器軸承動態摩擦力矩分為外摩擦力矩、內摩擦力矩、帶狀摩擦力矩。

2　測量原理

本測量儀采用了力矩平衡的測量原理，軸承內圈（外圈）轉動時在軸承外圈（內圈）上必然存在著阻礙轉動的摩擦力矩，此摩擦力矩帶動外圈（內圈）轉動，在軸承外圈（內圈）上施加與摩擦力矩大小相等方向相反的平衡力矩阻礙軸承外圈（內圈）的轉動，此時，施加的力矩與軸承摩擦力矩保持動態平衡狀態。此時計算機采集到的傳感器信號即為軸承的動態摩擦力矩值[2-3]。

3　組成結構

本測量儀主要由5部分組成：力矩測試系統、軸承安裝機構、驅動系統、精密支撐軸系、三維導軌，如圖1所示。

圖1　儀器總裝配圖

3.1驅動系統設計

該設備驅動系統由直流電機、測速發電機和控制器等組成。其中用直流電機作為單軸驅動的動力源，測速電機作為速度反饋元件，構成模擬式速度回路。采用直流電機具有優良的調速特性，調速平穩方便，調速范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的負載沖擊，可實現頻繁的無極快速啟動、制動和反轉。

控制電路是以微型計算機和閉環速度系統電路作為直流電機控制的一套硬件系統與軟件系統聯合形成完整電機控制系統。設計一套電路通過I/O控制可使電壓細分后，從零逐步遞增，將其加于電機上面，使電機輸出力矩從零逐步遞增。速度伺服放大器使電機保持給定速度，且不受負載變化的影響。在伺服放大器內部，設定值不斷的和實際值相比較。根據比較獲得的誤差調節放大器的功率輸出，通過這種方式減小控制誤差。

3.2精密支撐軸系結構設計

摩擦力矩測量的支撐軸系需要較好的承載性能，因此精密支撐軸系采用定位預緊角接觸軸系支撐，這種結構的軸承具有很強的徑向承載能力[4]。

3.3軸承安裝機構

由于超越離合器軸承的特性，附件與軸承的公差要求高且測試的摩擦力矩種類多。因此，為提高測量效率，軸承安裝需要快速拆卸且能夠保證附件與軸承的公差要求。本儀器設計了專門的三點自位均勻收縮薄壁套徑向鎖緊機構，既保證了測量附件與軸承公差又提高了測量效率，軸承鎖緊機構如圖2所示。

圖2　軸承鎖緊機構圖

軸承鎖緊機構主要由兩只圓環組成，一只是鎖緊薄壁套3，材料65Mn，薄壁厚度為1 mm，固定在支撐板上，裝配時使其與主軸軸線同心。主軸上的支撐板就在薄壁套的厚端孔內，配合間隙為0.015～0.03 mm.另一只是鎖緊環11，其內孔嵌有三塊鎖緊塊14，它們與薄壁套3之間有0.1～0.2 mm的間隙，其中一塊由鎖緊環上的鎖緊螺釘13頂住。當旋轉鎖緊螺釘13時，其推動鎖緊塊14，由于鎖緊環是浮動的，因此當鎖緊螺釘13旋進時，就通過三個鎖緊塊均勻地壓縮薄壁套而將軸承鎖緊到位。鎖緊間隙的大小是通過限位環的高度來控制的。首先制作一個尺寸與軸承需要測量時尺寸與間隙尺寸之和的輔助芯軸，插入薄壁套內后旋進鎖緊螺釘13，直至鎖緊輔助芯軸，測量鎖緊環11與鎖緊螺釘13之間間隙，修配限位環12高度至上述測量值，然后將修配好的限位環12裝入，再次將鎖緊螺釘13鎖緊時的位置即為軸承裝入時需要的尺寸。

軸承安裝時先將鎖緊螺釘13松開，使薄壁套3在彈性作用下沿徑向擴張，從而使被測軸承6與薄壁套3之間的間隙增大，被測軸承6可以很容易放入薄壁套3中，然后旋進鎖緊螺釘13，薄壁套3在三個夾緊點均勻自位（均勻自位即為同步地向心收縮）、同步地向心收縮下鎖緊到位，并保證軸承與附件公差滿足要求。被測軸承6裝入后即可沿軸承轉動方向裝入固定了連接盤8與撥叉9的芯軸，運動導軌使傳感器到位即可開始測量。

3.4力矩測試系統

3.4.1力矩傳感器選擇及傳感器快速更換機構

力矩傳感器的精度對是影響測量精度的重要組成部分。由于超越離合器軸承型號多，摩擦力矩測量范圍較大，常用扭矩信號傳感器在量程5 N·m時，誤差為±1%FS，在小量程測量時精度難以滿足要求。因此，應選用高精度的力傳感器測量結構，此結構能夠根據軸承摩擦力矩的大小更換不同的傳感器來滿足精度要求。

本測量儀設計了傳感器快速更換機構，如圖3所示。傳感器更換時，旋退鎖緊螺釘6與定位螺釘5，可將整套傳感器部件拆下。然后將新的一整套傳感器部件插入臺階立導軌1的臺階處，高度由臺階立導軌1的臺階保證，與主軸中心線等高。將定位螺釘6旋進臺階立導軌1的定位槽內，保證傳感器與主軸中心線垂直。旋進鎖緊螺釘7將鎖緊環2鎖緊，然后在軟件中換擋即完成傳感器更換。再根據被測軸承寬度調整三維導軌即可測量。

圖3　傳感器快速更換機構圖

3.4.2阻尼系統設計

由于力傳感器的特性，在測量時，軸承摩擦力矩在大值轉折點時會產生長時間抖動，影響測量結結果的準確性，故設計了阻尼系統來消除傳感器抖動誤差。阻尼系統如圖4所示。

圖4　阻尼系統圖

阻尼系統由孔隙式阻尼器和關節軸承組成?？紫妒阶枘崞鬟x擇硅油為流體，硅油作為一種高分子材料，其動力粘度為0.5 Pa·s，阻尼孔最小直徑取為5.0 mm，長度取為40 mm，個數為2；阻尼器缸體半徑取為30 mm，活塞桿半徑取為10 mm；對于流體流動速度V，由于硅油為不可壓縮流體，可將活塞運動速度近似看作流體流動速度[6]。阻尼力計算如公式（1）：

其中：F為阻尼力，C為阻尼系數，m為液體流動指數（取為0.5）。

阻尼系數計算如公式（2）：

其中：C為阻尼系數，n為阻尼孔個數，R缸為缸體半徑，r桿為活塞桿半徑，r孔為阻尼孔半徑，k為流體介質的動力粘度，L為阻尼孔長度。

由阻尼器參數及公式（1）和公式（2），計算得出阻尼力F為：

阻尼器最大速度為0.5 m/s，因此阻尼力范圍為0～0.83 N，對應撥叉半徑為0.1 m時的阻尼力矩范圍為0～83 N·mm.

3.5力矩校準設計

本檢測設備采用了專用定標鑒定設備，如圖5所示。利用幾何力矩做為標準力矩輸入與輸出值比較進行定標，亦獲得示值誤差。將校準盤裝在精密支撐軸系上，通過支承軸系，懸掛標準砝碼，將校準盤的半徑和砝碼重量產生的力矩作為標準力矩輸入值與測量系統輸出顯示值進行比較，獲得檢測設備的非線性誤差[5]。

圖5　儀器校準圖

4　測試驗證

4.1阻尼系統驗證

選取某一型號超越離合器軸承在無阻尼下與加阻尼下分別進行測量對比。測試條件：轉速20 r/min，測量時間3 s.測值如表1所示，無阻尼測量曲線如圖6所示，加阻尼測量曲線如圖7所示。

表1　軸承無阻尼與加阻尼測值對比

圖6　無阻尼測值曲線圖

圖7　加阻尼測值曲線圖

通過兩組測值及曲線可以看出，在無阻尼系統的情況下，軸承回彈振蕩比較嚴重，對摩擦力矩測值準確性影響較大，不利于對軸承進行分析。而增加了阻尼系統，消除了回彈振蕩的影響后，提高了測量準確性。

4.2調整間隙驗證

選取某一型號超越離合器軸承，采用單一變量法，取三種薄壁套尺寸與固定的芯軸尺寸（取為φ72.2+0.017 mm），分別進行測量對比。測試條件：轉速20 r/min，測量時間3 s.摩擦力矩合格范圍420 ～460 N·mm測值如表2所示。

表2　軸承不同間隙下測值對比

通過以上試驗，可以指導軸承與芯軸和外套間的間隙大小，對改進軸承具有重要意義。

5　結束語

本文主要對超越離合器軸承動態摩擦力矩測量儀軸承安裝機構及力矩測試系統進行改進，并進行了測試驗證，有效解決了超越離合器軸承附件安裝不方便的問題，提高了摩擦力矩測量的準確性，同時也可為超越離合器軸承調整芯軸和外套間隙提供依據。針對不同力矩大小的軸承方便的更換傳感器，為超越離合器軸承的摩擦力矩提供了測試和分析工具，能夠為超越離合器軸承摩擦力矩測試提供準確的技術參數。

參考文獻：

[1]李鵬，扈文莊，曾莉.單向離合器軸承的工作原理及應用[J].軸承，2001，（9）:10-12.

[2]高奮武.平衡力法在軸承摩擦力矩測量中的應用[J].軸承，2005，（12）:33-34.

[3]魏力，張雙貴，段富宣，等.配對軸承摩擦力矩測量儀[J].軸承，2013，（3）:61-62.

[4]王宏偉，彭小敏，劉敬旭，等.圓錐滾子軸承摩擦力矩測量儀[J].軸承，2009，（1）:57，63.

[5]李副來，李濟順，朱孔敏.軸系摩擦力矩測量儀的研制[J].軸承，2008，（10）:38-40.

[6]陳威.粘滯阻尼器的理論和實驗研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

中圖分類號:TH133.33

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0080-04

收稿日期：2016-01-25

作者簡介：張辛（1987-），男，吉林鎮賚縣人，助理工程師，本科，研究方向為軸承檢測儀器研制。

Overrunning Clutch Bearing Dynamic Friction Torque Measuring Instrument

ZHANG Xin，GAO Fen-wu，KONG Zhi-ying
（Luoyang axis research Polytron Technologies Inc，Luoyang Henan 471039，China）

Abstract：This paper introduces a high precision，rapid measurement overrunning clutch bearing dynamic friction torque of the device.The device adopts the principle of moment balance of the dynamic friction torque measurement of overrunning clutch bearings，implements the bearing installation fast and convenient，improve the measuring precision，satisfy the overrunning clutch bearing under different conditions of dynamic friction torque measurement.

Key words：overrunning clutch bearings；the dynamic friction torque；measuring instrument