基于低速動態(tài)摩擦力矩的精密軸承預載荷測量方法

精密軸承作為3C機床、高性能電主軸、新能源汽車、航天器慣性執(zhí)行機構等設備的旋轉支承關鍵部件,其性能直接決定著整機運轉精度和壽命。軸承預載荷是將成對軸承安裝到軸上后,通過預先調(diào)整兩軸承內(nèi)外圈之間的相對位置而使軸承受到的初始載荷,其目的是消除軸承圓周方向和軸向的間隙,獲得高的運轉穩(wěn)定性和定位精度。預載荷過大,會造成軸承動態(tài)摩擦力矩增加,同時伴隨著溫度升高,影響使用壽命;預載荷過小,會造成軸承旋轉精度降低,軸系剛度不足,影響設備旋轉精度。隨著精密軸承應用經(jīng)驗和設計理論的累積,最優(yōu)預載荷的確定和加載方式的選取已經(jīng)成熟,但在預載荷測量方面仍然存在測量精度及重復性不足的問題。傳統(tǒng)的預載荷測量方法主要包括拉力換算法和剛度換算法:拉力換算法通過測量外隔圈與2套軸承之間發(fā)生相對滑動時的瞬時拉力,結合兩端面之間的摩擦因數(shù)換算得到預載荷,但摩擦因數(shù)會隨潤滑狀況的變化而變化,最大時可有一個數(shù)量級的變化,因此拉力換算法存在測量誤差及重復性差的問題;剛度換算法通過成對軸承的載荷-位移曲線換算得到預載荷,但在實際測量中會因載荷-位移曲線拐點不明顯而造成測量誤差及重復性差的問題。本文針對傳統(tǒng)測量方法存在的問題,基于摩擦理論對低速下軸承動態(tài)摩擦力矩的影響因素進行分析,提出一種新的基于低速動態(tài)摩擦力矩的精密軸承預載荷測量方法,并通過試驗驗證該方法的有效性。1基本原理軸承摩擦包含滾動體與滾道之間的滾動摩擦和滑動摩擦,主要由載荷項和速度項組成,低速動態(tài)摩擦力矩不會隨速度項的變化而變化,可忽略不計。當軸承采用微量油潤滑時,可忽略潤滑油的黏性摩擦對軸承摩擦力矩的影響,即可利用低速動態(tài)摩擦力矩與載荷項的函數(shù)關系換算得出軸承預載荷。低速下,對于僅受軸向載荷的軸承,其彈性滯后引起的摩擦力矩Mx、自旋滑動引起的摩擦力矩Ms以及差動滑動引起的摩擦力矩Mc為式中:Q為接觸載荷;μ為軸承的摩擦因數(shù);a為接觸橢圓長半軸;b為接觸橢圓短半軸;L(k)為第二類橢圓積分;Ra為赫茲接觸半徑;Y為兩純滾動點間距離與接觸橢圓長軸的比值;na,nb為與接觸點主曲率差函數(shù)有關的系數(shù);∑ρ為接觸點的主曲率和函數(shù);

η為綜合彈性常數(shù)。精密軸承密合度取值較小,差動滑動引起的摩擦力矩Mc可忽略不,則總摩擦力矩M=Mx+Ms,由(1),(2)式可得由(4)式可知M與Q4/3相關,則成對軸承摩擦力矩Mba與單套軸承摩擦力矩Mb1,Mb2之間的關系可表示為2測量方法基于低速動態(tài)摩擦力矩的精密軸承預載荷測量流程如圖1所示。圖1基于低速動態(tài)摩擦力矩的精密軸承預載荷測量流程Fig.1Measuringprocessforpreloadofprecisionbearingbasedonlowspeeddynamicfrictiontorque根據(jù)傳感器電磁力矩和被測軸承摩擦力矩相平衡的原理制成了動態(tài)摩擦力矩測量儀,主要由驅(qū)動裝置、加載裝置、測量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等組成,如圖2所示,其主要參數(shù)見表1。3關鍵參數(shù)確定由圖1可知,可能影響測量結果的關鍵參數(shù)為轉速n和施加在單套軸承上的載荷Qb0。為提高測量結果的精度和重復性,需減小速度項(轉速n)對軸承動態(tài)摩擦力矩的影響,同時保證摩擦力矩與載荷之間的函數(shù)關系。3.1轉速采用動態(tài)摩擦力矩測量儀測量單套軸承(表2)在不同轉速下的摩擦力矩,結果如圖3所示。

表2B7005C軸承主要參數(shù)Tab.2MainparametersofB7005Cbearing圖3單套B7005C軸承摩擦力矩與轉速的關系Fig.3RelationshipbetweenfrictiontorqueandrotationalspeedofsingleB7005Cbearing由圖3可知:當轉速n為1～10r/min時,軸承動態(tài)摩擦力矩幾乎不隨轉速變化而變化,當轉速n大于10r/min時,軸承動態(tài)摩擦力矩隨轉速升高而明顯增大。為減小速度項對軸承動態(tài)摩擦力矩的影響,本文轉速n取5r/min。3.2施加在單套軸承上的載荷在5r/min轉速下,采用動態(tài)摩擦力矩測量儀對施加不同載荷Qb0的單套軸承(表2)摩擦力矩進行測量,結果如圖4所示:當施加在單套軸承上的載荷Qb0大于25N時,軸承摩擦力矩與載荷之間的關聯(lián)性較強,在該載荷范圍內(nèi)兩者之間的函數(shù)關系式具有一定的適用性。為保證摩擦力矩與載荷之間的函數(shù)關系,本文施加在單套軸承上的載荷Qb0取35N。圖4單套軸承摩擦力矩與載荷的關系Fig.4Relationshipbetweenfrictiontorqueandloadofsinglebearing4試驗驗證成對B7005C軸承軸系結構如圖5所示,采用基于低速動態(tài)摩擦力矩的精密軸承預載荷測量方法對成對軸承(表2)進行了10次預載荷測量,結果如圖6所示。圖5成對B7005C軸承軸系結構Fig.5ShaftingstructureofpairedB7005Cbearing圖6成對B7005C軸承摩擦力矩和預載荷Fig.6FrictiontorqueandpreloadofpairedB7005Cbearing由圖6可知,單套軸承的摩擦力矩數(shù)值基本相同,最大相差1.45g·cm;不同試驗次數(shù)下單套軸承的摩擦力矩變化范圍分別為8.16～9.03g·cm,7.58～8.5g·cm,測量結果波動范圍小;不同試驗次數(shù)下成對軸承的摩擦力矩為26.91～27.55g·cm,具有較高的一致性;不同試驗次數(shù)下成對軸承預載荷的計算值在較小范圍內(nèi)變化,最大相差2.9N。分別采用拉力換算法和剛度換算法計算該成對軸承的預載荷,并以10次測量結果的均值、差值和方差為評價指標,與基于低速動態(tài)摩擦力矩的精密軸承預載荷測量結果對比,結果如圖7所示。

圖7不同測量方法測量的軸承預載荷及評價指標Fig.7Bearingpreloadmeasuredbydifferentmethodsandevaluationindexes由圖7可知:通過低速動態(tài)摩擦力矩法、拉力換算法和剛度換算法得到成對軸承預載荷的均值分別為52.56,52.04,53.54N,3種測量方法的預載荷均值大致相同;剛度換算法和拉力換算法測得的預載荷差值分別為為12.0,8.3N,方差分別為12.31,5.62,而本文方法測得的預載荷差值為2.9N,方差為1.01,一致性最好。5結束語分析了低速下軸承動態(tài)摩擦力矩的影響因素,得到了低速動態(tài)摩擦力矩與軸承預載荷之間的關系,提出了一種新的基于低速動態(tài)摩擦力矩