本發(fā)明涉及摩擦磨損試驗機領域，特別是涉及一種針對關節(jié)軸承和鉸鏈的，能夠實現(xiàn)銷軸和軸套同時轉動的摩擦磨損試驗機。

背景技術：

關節(jié)軸承和鉸鏈作為運動機構的重要部件，在工業(yè)機器人、航空航天、汽車、工程機械等領域應用廣泛。關節(jié)軸承一般由軸承內圈和外圈構成，二者之間可在兩個方向上相對轉動。鉸鏈一般由銷軸和軸套組成，二者之間可周向轉動。由此可見，在結構和運動形式上，關節(jié)軸承和鉸鏈具有一定的相似性。為表述方便，本發(fā)明將鉸鏈的銷軸和關節(jié)軸承的內圈統(tǒng)稱為“銷軸”，將鉸鏈的軸套和關節(jié)軸承的外圈統(tǒng)稱為“軸套”。

關節(jié)軸承和鉸鏈的主要損傷形式是由磨損導致的間隙和摩擦力矩變大。上述兩種損傷形式可導致運動機構發(fā)生運行噪聲和振動變大、運動精度和效率下降，甚至卡滯等失效模式。因此，為研究運動機構的耐久性和可靠性，需要對關節(jié)軸承和鉸鏈的摩擦、磨損性能演化規(guī)律進行預測。但由于磨損行為具有強烈的系統(tǒng)依賴性和時變性，在現(xiàn)有的摩擦學研究水平下，尚不能僅依賴數(shù)值仿真和材料標準試樣的摩擦磨損試驗數(shù)據(jù)來預測關節(jié)軸承和鉸鏈的摩擦、磨損演化規(guī)律。為保證機構運動功能可靠性，需要在專用的摩擦磨損試驗機上，考慮真實工況，對關節(jié)軸承和鉸鏈進行摩擦磨損試驗。

江親瑜發(fā)表于《機械工程學報》2007年第43卷第1期的論文“基于數(shù)值仿真技術求解鉸鏈機構磨損概率壽命”認為鉸鏈存在3種運動形式：(1)銷軸轉動，軸套不動；(2)銷軸不動，軸套轉動；(3)銷軸和軸套同時轉動。同理，關節(jié)軸承亦存在軸承外圈和內圈同時周向轉動的運動形式。徑向載荷是影響關節(jié)軸承和鉸鏈摩擦、磨損演化規(guī)律的主要因素之一，試驗機應能對試件施加徑向載荷，并對其進行實時監(jiān)測。另外，為獲取試件的摩擦、磨損性能演化曲線，需要對試件的磨損量和摩擦力矩進行實時監(jiān)測。綜上所述，基于試驗目的和需求，試驗機應能滿足如下要求：(1)對試件加載一定的徑向載荷；(2)同時實現(xiàn)銷軸和軸套的周向轉動；(3)實現(xiàn)徑向載荷、磨損量，以及摩擦力矩等參數(shù)的實時監(jiān)測。

針對轉動副和關節(jié)軸承類的運動副，目前主要有如下兩類的摩擦磨損試驗機，即：(1)以遲成芳發(fā)表于《工程與試驗》2008年第3期的論文“軸承磨損試驗機的研制”為代表的關節(jié)軸承的摩擦磨損試驗機，僅能實現(xiàn)關節(jié)軸承銷軸的轉動；(2)以發(fā)明專利“復合擺動式關節(jié)軸承試驗機”，專利號為201010276423.8和“復合擺動式關節(jié)軸承壽命試驗機”，專利號為201310191988.x為代表的關節(jié)軸承摩擦磨損試驗機，能同時實現(xiàn)銷軸的周向往復擺動，以及軸套在傾斜方向的往復擺動，但并不能同時實現(xiàn)軸套的周向擺動。針對鉸鏈副，上述兩類試驗機僅能滿足銷軸轉動，軸套不動工況的模擬。對關節(jié)軸承，現(xiàn)有試驗機亦不能實現(xiàn)軸承內圈和外圈的同時周向轉動。而對于銷軸和軸套同時周向轉動的工況，運動副磨損規(guī)律，以及由磨損導致的接觸面接觸形式變化規(guī)律與前兩種工況是截然不同的。綜上所述，現(xiàn)有的摩擦磨損試驗機并不能完全滿足關節(jié)軸承和鉸鏈的摩擦、磨損試驗需求。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術中存在的不能滿足關節(jié)軸承和鉸鏈的摩擦、磨損試驗需求的不足，本發(fā)明提出了一種關節(jié)軸承與鉸鏈的摩擦磨損試驗機。

本發(fā)明包括臺架、兩個伺服電機、兩個扭矩傳感器、兩個調心滾子軸承、兩個減速機、第一支撐、第二支撐、夾具、試件銷軸、搖臂、位移傳感器、拉壓力傳感器和作動筒。所述所述臺架包括底座和安裝板。

所述安裝板的幾何中心有作動筒安裝孔。作動筒固定在底座的上表面；作動筒的作動桿穿過所述作動筒安裝孔。第一支撐和第二支撐分別安裝在該安裝板的上表面，并沿臺架長邊方向分布在所述作動筒安裝孔的兩側。在所述第一支撐的內側支板上和第二支撐的內側支板上分別有通孔，兩個錐形套分別通過調心滾子軸承安裝在所述第一支撐和第二支撐的內側支板上的通孔中。試件銷軸的兩端的錐形面分別裝入所述兩個錐形套內。所述試件銷軸安裝在夾具的中心，夾具的夾具外圈安裝在拉壓力傳感器的上端，拉壓力傳感器安裝在作動筒的作動桿頂端。所述作動筒固定在底座底板的上表面。兩個位移傳感器分別安裝在所述安裝板的兩個長邊上，并位于夾具的兩側。

在所述第一支撐的外側支板與內側支板之間安裝有一個扭矩傳感器。該扭矩傳感器的一端與位于第一支撐內側支板內側的試件銷軸連接；該扭矩傳感器的另一端與一個減速機固接。所述減速機與伺服電機固連。

在所述第二支撐的外側支板與內側支板之間亦安裝有一個扭矩傳感器。該扭矩傳感器的一端與搖臂的搖臂搖桿下端固連；該扭矩傳感器的另一端與安裝在另一個減速機固接。所述減速機與伺服電機固連。所述搖臂搖桿的上端與搖臂連桿的一端固連；該搖臂連桿另一端與夾具內圈固接。

所述的兩個伺服電機中一個伺服電機位于所述第一支撐的外側支板外側，另一個伺服電機位于所述第二支撐的外側支板外側。

所述的夾具包括夾具外圈、夾具內圈、試件軸套、脹緊連接套和滾珠軸承，按照試件軸套、脹緊連接套、夾具內圈、滾珠軸承和夾具外圈的順序依次套裝在一起，并使所述試件軸套位于最內圈，使夾具外圈位于最外圈。當所述試件軸套、脹緊連接套和夾具內圈套裝在一起后，通過該脹緊連接套實現(xiàn)試件軸套與夾具內圈的緊配合。所述夾具外圈與滾珠軸承之間、滾珠軸承與夾具內圈之間均為過盈配合。

所述夾具內圈的內徑與脹緊連接套的外徑相同，并使二者之間緊配合；在該夾具內圈的一個端面上有搖臂的安裝孔。所述脹緊連接套的內徑與試件軸套的外徑相同，并使二者之間緊配合。所述夾具外圈的內徑與滾珠軸承的外徑相同。所述夾具外圈的外圓周表面加工為八方，在該夾具外圈的外表面上對稱的分布有一對凸塊，該凸塊為位移傳感器的測量基準塊，并且該位移傳感器的測量基準塊分別與所述兩個位移傳感器的位置對應。

所述的第一支撐為“u”字形，由該第一支撐的兩側立板分別構成了外側支板與內側支板，并且在裝配時使該內側支板與所述夾具相鄰。在所述外側支板上有減速機輸出軸的過孔；在該過孔的周邊有安裝孔。在所述內側支板上有調心滾子軸承的安裝孔。所述的第二支撐與所述的第一支撐的結構相同。由于在該第二支撐一側安裝有搖臂，故該第二支撐底板上表面加工有避讓的凹面。

所述錐形套一端的內表面為外擴的錐段，該錐段與試件銷軸上外圓周表面的錐面配合；該錐形套另一端為等徑段。所述錐形套外圓周表面的中部有徑向凸出的定位臺；該錐形套內表面為錐段一端的外圓周表面亦為錐面，以便于安裝調心滾子軸承。

所述試件銷軸長度方向的中部為等徑段，該等徑段即為試驗區(qū)；所述等徑段的外徑與試件軸套的內徑相同。所述試件銷軸的兩端為螺紋段，用于安裝壓緊螺母。在所述等徑段與螺紋段之間為外徑逐漸向兩端收縮的錐段，該錐段與錐形套的內錐面配合，用于保證試件銷軸和錐形套同軸。

所述的搖臂包括搖臂搖桿和搖臂連桿，并且搖臂連桿的一端的端面與所述搖臂搖桿上端的端面固連，搖臂連桿的另一端固定在夾具內圈的一個端面上。為實現(xiàn)該搖臂連桿與所述搖臂搖桿頂端端面的固連，在該搖臂連桿該端端面有螺紋連接孔；該搖臂連桿的另一端有90°的折板，該折板上有與夾具內圈固連的螺紋連接孔。所述搖臂搖桿的上端為矩形的板條，該板條的頂端有用于連接所述連桿的通孔；所述搖臂搖桿的下端為半圓形塊，用于平衡搖臂的偏心轉動慣量，消除轉動過程中的搖臂離心力對試件所受載荷的干擾。所述半圓形塊與所述板條結合處有用于連接扭矩傳感器的連接孔。

所述安裝板的橫截面為“凹”字形，并且該凹槽的槽底面為第二支撐與第一支撐的安裝面，在該安裝面的幾何中心有貫通該安裝板上下表面的作動筒安裝通孔，在該作動筒安裝通孔的兩側、靠近該安裝板的兩個長邊處分別有位移傳感器的安裝孔。

所述安裝板的安裝面上開有多個第二支撐與第一支撐的安裝通孔，以滿足不同尺寸試件的試驗要求。所述的各安裝通孔的中心均對稱于該安裝面寬度方向的中心線，以滿足所述第二支撐與第一支撐的定位。

本發(fā)明針對運動機構中廣泛應用的關節(jié)軸承和鉸鏈提出的摩擦磨損試驗機能夠分別實現(xiàn)銷軸和軸套的轉動，并能實現(xiàn)徑向載荷的加載和實時監(jiān)測，以及磨損量和摩擦力矩的實時監(jiān)測。另外，試驗機應具有試件安裝和拆卸方便，磨損量和摩擦力矩測量精度高的特點。

本發(fā)明中，試件夾持模塊采用雙耳片支撐的結構形式，由第一支撐、第二支撐、調心滾子軸承、錐形套、夾具外圈、滾珠軸承、夾具內圈、脹緊連接套、壓緊螺母構成。其中，第一支撐和第二支撐的內側分別設置有一個內側支板，用于為銷軸提供支撐。為保證銷軸安裝的對中性，第一支撐和第二支撐的內側支板上分別裝有一個調心滾子軸承。

本發(fā)明中，銷軸的中部是凸出的臺階，為試驗區(qū)，軸套即安裝于此處。臺階兩側為錐形面，用于與錐形套配合；兩個錐形面的外側分別為螺紋，用于安裝壓緊螺母；螺紋外側，面向銷軸驅動模塊的一端為與扭矩傳感器相匹配的端頭。軸套的標準試樣形狀為圓餅形，中部有銷軸孔，為試驗區(qū)。為便于銷軸的安裝和拆卸，調心滾子軸承內分別安裝有錐形套，錐度與銷軸兩端的錐形面相同。銷軸安裝于錐形套的內部的錐形孔后，利用壓緊螺母使銷軸兩端的錐形面分別與兩個錐形套內部的錐形面緊密配合。

本發(fā)明中，軸套的轉動由伺服電機驅動。軸套驅動模塊由伺服電機、減速機、聯(lián)軸器、驅動軸、扭矩傳感器、搖臂構成。其中，伺服電機和減速機由螺栓連接在一起，組成一套驅動單元。減速機安裝在第二支撐的外側，其內側的輸出端依次安裝有聯(lián)軸器、傳動軸、扭矩傳感器和搖臂，搖臂的內側與夾具內圈固接。試驗前標定滾珠軸承的摩擦力矩，試驗過程中，扭矩傳感器的讀數(shù)減去滾珠軸承的摩擦力矩，即為試件的摩擦力矩。

本發(fā)明在夾具外圈的兩側設置有位移傳感器的測量基準塊。在安裝板上對應兩個測量基準塊的位置分別固接有一個位移傳感器。試驗過程中，試件磨損量采用雙通道測量的方式，即：分別通過兩個位移傳感器測量試件磨損量，以兩個測量值的均值表示試件的實際磨損量，可消除因夾具外圈在伺服電機扭矩作用下輕微而轉動造成的測量誤差。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明中的試件銷軸通過兩個調心滾子軸承分別與第一支撐和第二支撐連接，試件軸套通過一個滾珠軸承與夾具外圈連接，試件銷軸和試件軸套均能在伺服電機的驅動下獨立轉動。采用作動筒載荷通過夾具外圈、滾珠軸承等零件傳遞到試件軸套上，實現(xiàn)試件徑向載荷的加載。因此，本發(fā)明能同時模擬銷軸和軸套的周向轉動，并能同時加載徑向載荷，所模擬的工況較為真實。采用雙通道獨立測量并求平均的方式監(jiān)測磨損量，可消除因夾具外圈在電機扭矩作用下發(fā)生輕微偏轉而帶來的誤差；試件軸套的安裝采用脹緊連接套，銷軸安裝采用錐形套，可實現(xiàn)試件的便捷安裝和拆卸；銷軸采用雙耳片支撐的結構形式，在相同試件銷軸直徑的情況下，相對于發(fā)明專利201010276423.8具有更高的強度和剛度；銷軸兩端的支撐采用調心滾子軸承，對試件安裝精度要求低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是圖1的正視圖；

圖3是試件夾持模塊的裝配示意圖；

圖4是圖3的剖視圖；

圖5是夾具的立體分解示意圖；

圖6是軸套夾具與搖臂的連接示意圖；

圖7是夾具與扭矩傳感器的連接示意圖；

圖8是夾具與扭矩傳感器的連接示意圖；

圖9是安裝板的俯視圖。圖中：

1.底座；2.立柱；3.安裝板；4.伺服電機；5.減速機；6.第一支撐；7.聯(lián)軸器；8.扭矩傳感器；9.夾具外圈；10.滾珠軸承；11.夾具內圈；12.脹緊連接套；13.試件軸套；14.試件銷軸；15.壓緊螺母；16.錐形套；17.調心滾子軸承；18.搖臂；19.傳動軸；20.第二支撐；21.位移傳感器；22.作動筒；23.拉壓力傳感器。

具體實施方式

本實施例是一種關節(jié)軸承與鉸鏈的摩擦磨損試驗機，包括臺架、兩個伺服電機4、兩個扭矩傳感器8、兩個調心滾子軸承17、兩個減速機5、第一支撐6、第二支撐20、夾具、試件銷軸14、搖臂18、傳動軸19、位移傳感器21、拉壓力傳感器23和作動筒22。

所述長方體臺架的安裝板3的幾何中心有作動筒安裝孔。作動筒22固定在該臺架的底座1的上表面；作動筒22的作動桿穿過所述作動筒安裝孔。第一支撐6和第二支撐20分別安裝在作為臺架上表面的安裝板3的上表面，并沿臺架長邊方向分布在所述作動筒安裝孔的兩側。在所述第一支撐6的內側支板上和第二支撐20的內側支板上分別有通孔，兩個錐形套16分別通過調心滾子軸承17安裝在所述第一支撐6和第二支撐20的內側支板上的通孔中。試件銷軸14的兩端的錐形面分別裝入所述兩個錐形套內，并通過壓緊螺母15固緊。所述試件銷軸14安裝在夾具的中心，夾具的夾具外圈9通過螺紋安裝在拉壓力傳感器23的上端，拉壓力傳感器23通過螺紋安裝在作動筒22的作動桿頂端，如圖7所示。所述作動筒22固定在底座1底板的上表面。兩個位移傳感器21分別安裝在所述安裝板的兩個長邊上，并位于夾具的兩側。

在所述第一支撐6的外側支板與內側支板之間安裝有一個扭矩傳感器8。該扭矩傳感器8的一端與位于第一支撐內側支板內側的試件銷軸14連接，如圖4所示；該扭矩傳感器8的另一端通過聯(lián)軸器7與安裝所述第一支撐6的外側支板外表面一個減速機5固接。所述減速機與伺服電機4固連。

在所述第二支撐20的外側支板與內側支板之間亦安裝有一個扭矩傳感器8。該扭矩傳感器8的一端與位于第二支撐內側支板內側的搖臂18中的搖臂搖桿下端的半圓形塊以軸孔配合的方式固連；該扭矩傳感器8的另一端通過聯(lián)軸器7與安裝在所述第二支撐20的外側支板外表面另一個減速機5固接。所述減速機與伺服電機4固連。所述搖臂搖桿的上端與搖臂連桿的一端固連；該搖臂連桿另一端與夾具內圈11通過螺栓固接。

所述的兩個伺服電機4中一個伺服電機位于所述第一支撐的外側支板外側，另一個伺服電機位于所述第二支撐的外側支板外側。

如圖5所示。所述的夾具包括夾具外圈9、夾具內圈11、試件軸套13、脹緊連接套12和滾珠軸承10，按照試件軸套13、脹緊連接套12、夾具內圈11、滾珠軸承10和夾具外圈9的順序依次由內向外套裝在一起，并使所述試件軸套13位于最內圈，使夾具外圈9位于最外圈。當所述試件軸套、脹緊連接套和夾具內圈套裝在一起后，通過該脹緊連接套實現(xiàn)試件軸套與夾具內圈的緊配合。所述夾具外圈與滾珠軸承之間、滾珠軸承與夾具內圈之間均為過盈配合。

所述夾具內圈11為中空回轉體。該夾具內圈的內徑與脹緊連接套12的外徑相同，并使二者之間緊配合；在該夾具內圈的一個端面上有搖臂18的安裝孔。所述脹緊連接套12的內徑與試件軸套13的外徑相同，并使二者之間緊配合。

所述夾具外圈9的內徑與滾珠軸承10的外徑相同。所述夾具外圈9的外圓周表面加工為八方，在該夾具外圈9的外表面上對稱的分布有一對凸塊，該凸塊為位移傳感器的測量基準塊，并且該位移傳感器的測量基準塊分別與所述兩個位移傳感器21的位置對應。

所述的第一支撐6為“u”字形，由該第一支撐的兩側立板分別構成了外側支板與內側支板，并且在裝配時使該內側支板與所述夾具相鄰。在所述外側支板上有減速機5輸出軸的過孔；在該過孔的周邊有安裝孔。在所述內側支板上有調心滾子軸承的安裝孔。

所述的第二支撐20與所述的第一支撐6的結構相同。由于在該第二支撐一側安裝有搖臂18，故該第二支撐底板上表面加工有避讓的凹面。

所述錐形套16有兩個。該錐形套一端的內表面為外擴的錐段，該錐段與試件銷軸上外圓周表面的錐面配合；該錐形套另一端為等徑段。所述錐形套16外圓周表面的中部有徑向凸出的定位臺；該錐形套內表面為錐段一端的外圓周表面亦為錐面，以便于安裝調心滾子軸承17。

所述試件銷軸14長度方向的中部為等徑段，該等徑段即為試驗區(qū)；所述等徑段的外徑與試件軸套的內徑相同。所述試件銷軸的兩端為螺紋段，用于安裝壓緊螺母。在所述等徑段與螺紋段之間為外徑逐漸向兩端收縮的錐段，該錐段與錐形套的內錐面配合，用于保證試件銷軸和錐形套同軸。

所述的搖臂18包括搖臂搖桿和搖臂連桿，并且搖臂連桿的一端的端面與所述搖臂搖桿上端的端面固連，搖臂連桿的另一端固定在夾具內圈11的一個端面上。為實現(xiàn)該搖臂連桿與所述搖臂搖桿頂端端面的固連，在該搖臂連桿該端端面有螺紋連接孔；該搖臂連桿的另一端有90°的折板，該折板上有與夾具內圈11固連的螺紋連接孔。所述搖臂搖桿的上端為矩形的板條，該板條的頂端有用于連接所述連桿的通孔；所述搖臂搖桿的下端為半圓形塊，用于平衡搖臂的偏心轉動慣量，消除轉動過程中的搖臂離心力對試件所受載荷的干擾。所述半圓形塊與所述板條結合處有用于連接扭矩傳感器的連接孔。

所述臺架由一個底座1、4根立柱2，以及一個安裝板3焊接而成，四根立柱2分別固定在所述底座1上表面的四個角上；安裝板3固定在所述各立柱的上端面。所述安裝板的橫截面為“凹”字形，并且該凹槽的槽底面為第二支撐20與第一支撐6的安裝面，在該安裝面的幾何中心有貫通該安裝板上下表面的作動筒22安裝通孔，在該作動筒安裝通孔的兩側、靠近該安裝板3的兩個長邊處分別有位移傳感器21的安裝孔。

所述安裝板的安裝面上開有多個第二支撐20與第一支撐6的安裝通孔，以滿足不同尺寸試件的試驗要求。所述的各安裝通孔的中心均對稱于該安裝面寬度方向的中心線，以滿足所述第二支撐與第一支撐的定位。

在圖1和圖3中，作動筒下端安裝在臺架底座上，上端安裝有拉壓力傳感器，拉壓力傳感器的上端與夾具外圈連接。夾具外圈的兩側設置有位移傳感器的測量基準塊。在安裝板上對應兩個測量基準塊的位置分別安裝有一個位移傳感器。所述的作動筒和脹緊連接套均為標準件。

試件安裝過程中，需要拆卸第一支撐6和第二支撐20，并需要根據(jù)試件的尺寸調整第一支撐6和第二支撐20之間的距離。第一支撐6和第二支撐20分別安裝在安裝板槽內，并可沿安裝板滑動。通過機加等方式，可輕易使第一支撐6和第二支撐20與安裝板之間具有較高的配合精度，保證第一支撐6和第二支撐20上的兩個調心滾子軸承17具有較高的同軸性。

試驗過程中，試件磨損量采用雙通道測量的方式，即：分別通過兩個位移傳感器測量試件磨損量，以兩個測量值的均值表示試件的實際磨損量，可消除因夾具外圈在伺服電機扭矩作用下輕微轉動造成的測量誤差。同理，試件摩擦力矩同樣采用雙通道測量的方式，即：以兩個扭矩傳感器分別測量銷軸端和軸套端的摩擦力矩，然后以兩個測量值的均值來表征試件的實際摩擦力矩。