专利名称：一种模块化角接触球轴承静刚度试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机械设计制造技术领域，具体涉及一种模块化角接触球轴承静刚度试
验装置。
背景技术：
角接触球轴承以其能够同时承受轴向力及径向力、高速性、预紧力可调等优势，而 成为机械传动领域中应用最为广泛的支承元件，尤其在机床行业中，角接触球轴承是目前 高速机床主轴、滚珠丝杠的主要支承元件。由于机床主轴是执行部件，角接触球轴承的静、 动态性能将直接影响着机床加工质量及生产效率，因此研究角接触球轴承的特性具有重要
眉、o由于角接触球轴承的静、动态特性受轴承制造质量的影响很大，不同厂家生产的 同一种规格的轴承，其静、动态特性相差较大，而且轴承是作为一个单元件来使用，因此通 过试验方法获取轴承静、动态特性参数(静刚度、动刚度、阻尼等)具有重要意义。获取轴承的静、动态特性参数，可以为机床主轴部件的静动态特性预测、加工质量 预报、轴承合理选配等提供科学依据。静刚度是角接触球轴承一项很重要的性能参数，目 前国外轴承的样本只有极少部分提供轴承产品的静态刚度数据，而绝大部分轴承公司只在 企业内部做轴承产品静刚度试验，对外并不公布相关的轴承刚度参数；国内轴承厂家的轴 承样本几乎不提供相关的轴承产品的刚度参数，这样就给机床设计中合理选配轴承造成困 难。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化角接触球轴承静刚度试验装置，以克服现有技术 没有专门针对角接触球轴承进行静刚度的试验装置。本发明采用的技术方案为一种模块化角接触球轴承静刚度试验装置，包括方箱、 加载装置和位移测试单元；位移测试单元包括轴向位移测试单元和径向位移测试单元；加 载装置包括固定在方箱上端的加载套筒、穿过加载套筒的加载螺钉和力传感器；轴向位移 测试单元包括轴向刚度测试模拟轴和轴向位移传感器；方箱下端固定有定位环，轴向刚度 测试模拟轴的上端位于加载套筒中，下端位于定位环中，轴向刚度测试模拟轴的中轴线与 加载螺钉的中轴线位于同一条直线上；轴向刚度测试模拟轴上设置有被测角接触球轴承， 被测角接触球轴承外侧套有外环套A ；外环套A上设置有轴向位移传感器支架，轴向位移传 感器支架上设置有轴向位移传感器；力传感器位于加载螺钉与轴向刚度测试模拟轴顶端之 间；径向位移测试单元包括径向刚度测试模拟轴和径向位移传感器；径向刚度测试模拟轴 的中轴线与加载螺钉的中轴线垂直相交；径向刚度测试模拟轴上设置有两个被测角接触球 轴承，这两个被测角接触球轴承外侧套有外环套B ；两个被测角接触球轴承之间的径向刚 度测试模拟轴上套有内隔套，内隔套外部设置有外隔套，外隔套设置在外环套B内侧；外环 套B上设置有径向位移传感器支架，径向位移传感器支架上设置有径向位移传感器；力传感器位于加载螺钉与外环套B之间。其特点在于，加载螺钉与轴向刚度测试模拟轴顶端之间依次设置钢球A、垫块A、 力传感器、垫块B和钢球B，且加载螺钉、钢球A、钢球B和轴向刚度测试模拟轴的中轴线都 位于同一条直线上。其中，外环套A和被测角接触球轴承外圈的下端与方箱底部之间还设置有轴向承载套。其中，轴向位移传感器支架上设置有两个轴向位移传感器，且分别位于轴向刚度 测试模拟轴的左右两侧。其特点还在于，加载螺钉与外环套B之间依次设置钢球A、垫块A、力传感器、垫块 B和钢球B，且加载螺钉、钢球A和钢球B的中轴线位于同一条直线上，与径向刚度测试模拟 轴的中轴线垂直相交，即两条垂直的中轴线位于同一平面。其中，径向刚度测试模拟轴上设有两个螺母，两个被测角接触球轴承设置在径向 刚度测试模拟轴上且位于两个螺母之间，螺母与被测角接触球轴承之间设置有隔环。其中，方箱两侧分别固定有两个端套，两个端套上还分别设置有调节螺钉，径向刚 度测试模拟轴的两端分别位于两个端套中，且卡在两个调节螺钉之间。其中，外环套B通过轴承端盖与被测角接触球轴承外圈连接。其中，径向位移传感器支架上设置有两个径向位移传感器，这两个径向位移传感 器分别位于径向刚度测试模拟轴两端附近，且以加载螺钉的中轴线为对称线左右对称设 置。本发明的有益效果是，以角接触球轴承为试验对象，提供一种角接触球轴承静刚 度试验装置，从而可以获得角接触球轴承轴向刚度、及不同预紧力作用下的径向刚度曲线， 为角接触球轴承预紧力的合理选择及角接触球轴承的合理选配提供依据。本装置结构简 单，功能多，适用范围宽，可以获得真实的角接触球轴承刚度值，对研究角接触球轴承静态 性能及确定合理的轴承的预紧力具有重要意义。
图1是本发明的单个轴承的轴向静刚度试验装置结构示意图； 图2是本发明的两联轴承的轴向静刚度试验装置结构示意图； 图3是本发明的三联轴承的轴向静刚度试验装置结构示意图； 图4是本发明轴承径向静刚度试验装置结构示意图5是图4的A部放大图。图中，1.方箱，2.加载螺钉，3.钢球A，4.垫块A，5.力传感器，6.垫块B，7.钢球 B，8.加载套筒，9.轴向刚度测试模拟轴，10.被测角接触球轴承，11.外环套A，12.调节螺 钉，13.轴承端盖，14.轴向承载套，15.定位环，16.轴向位移传感器支架，17.轴向位移传 感器，18.垫环，19.径向刚度测试模拟轴，20.内隔套，21.外隔套，22.外环套B，23.径向 位移传感器支架，24.径向位移传感器，25.螺母，26.隔环，27.端套。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明公开了一种模块化角接触球轴承静刚度试验装置，包括方箱1、加载装置和 位移测试单元；位移测试单元包括轴向位移测试单元和径向位移测试单元。如图1所示，加载装置(反映轴承所受的轴向力)包括加载套筒8和穿过加载套筒 8的加载螺钉2，加载套筒8通过螺钉固定在方箱1上端；轴向位移测试单元包括轴向刚度 测试模拟轴9 (模拟轴承内孔与轴的连接)和轴向位移传感器17 ；方箱1的下端固定有定位 环15，轴向刚度测试模拟轴9的上端位于加载套筒8中，下端位于定位环15中，通过加载套 筒8和定位环15对轴向刚度测试模拟轴9的上端和下端进行定位，保证载荷通过轴向刚度 测试模拟轴9的轴心线；轴向刚度测试模拟轴9上设置有被测角接触球轴承10，被测角接 触球轴承10的外侧套有外环套All (模拟轴承外圆与箱体的连接)，外环套All和被测角接 触球轴承10外圈的下端与方箱1底部之间还设置有轴向承载套14，用于支撑被测角接触球 轴承10外圈；外环套All上设置有轴向位移传感器支架16，轴向位移传感器支架16上设 置有两个轴向位移传感器17，分别位于轴向刚度测试模拟轴9的左右两侧。加载螺钉2与 轴向刚度测试模拟轴9顶端之间依次设置钢球A3、垫块A4、力传感器5、垫块B6和钢球B7， 且加载螺钉2、钢球A3、钢球B7和轴向刚度测试模拟轴9的中轴线位于同一条直线上。在对角接触球轴承10轴向刚度试验中，加载螺钉2将作用力经过钢球A3、垫块 A4、力传感器5、垫块B6、钢球B7施加给轴向刚度测试模拟轴9的上端，从而实现轴向加载， 轴向载荷大小通过力传感器5测得。由于外环套All与被测角接触球轴承10的外圈接触， 轴向刚度测试模拟轴9的轴肩与被测角接触球轴承10的内圈接触，轴向位移传感器17固 定在轴向位移传感器支架16上，轴向位移传感器支架16固定在外环套All上，因此，通过 两个轴向位移传感器17测得的是被测角接触球轴承10内外圈之间的相对位移，这是被测 角接触球轴承10的轴向变形，通过对所测得的轴向载荷及对应的轴向位移值进行拟合，可 以得到轴向载荷与被测角接触球轴承10轴向变形之间的函数关系曲线，若对该函数进行 求导即可获得被测角接触球轴承10轴向刚度与轴向载荷之间的关系曲线。这里采用两个 轴向位移传感器17，且分别位于轴向刚度测试模拟轴9的左右两侧，目的是可以监测被测 角接触球轴承10在加载过程中是否发生倾斜，从而保证测量值的有效性。如图2、3所示，再对两联组配、三联组配的被测角接触球轴承10轴向刚度试验中， 只需要更换外环套All，使得外环套All套在两联组配、三联组配的被测角接触球轴承10外 侧；另外在加载套筒8与方箱1之间可以设置垫环18，来垫高加载套筒8的高度，从而将轴 向刚度测试模拟轴9向上提升一定的高度，以适应多联组配轴承的刚度测试。所以只需更 换外环套All及垫环18，就可以实现两联组配、三联组配轴承的轴向刚度测试。如图4所示，加载装置(反映轴承所受的径向力)包括加载套筒8和穿过加载套筒 8的加载螺钉2，加载套筒8通过螺钉固定在方箱1上端。径向位移测试单元包括径向刚度 测试模拟轴19 (模拟轴承内孔与轴的连接)和径向位移传感器24 ；方箱1左右两侧分别固 定有两个端套27，两个端套27上还分别设有调节螺钉12，径向刚度测试模拟轴19的两端 分别位于两个端套27中，且卡在两个调节螺钉12之间。径向刚度测试模拟轴19的中轴线 与加载螺钉2的中轴线垂直相交，两条垂直的中轴线位于同一平面；径向刚度测试模拟轴 19上设置有两个被测角接触球轴承10 ；径向刚度测试模拟轴19上拧有两个螺母25，两个 被测角接触球轴承10设置在两个螺母25之间的径向刚度测试模拟轴19上，且螺母25与 被测角接触球轴承10之间设置有隔环26，在径向刚度测试模拟轴19上设置两个螺母25的目的是将两个被测角接触球轴承10固定在径向刚度测试模拟轴19上。两个被测角接触球 轴承10外侧套有外环套B22 (模拟轴承外圆与箱体的连接)，外环套B22通过两个轴承端盖 13与被测角接触球轴承10外圈连接；如图5所示，两个被测角接触球轴承10之间的径向 刚度测试模拟轴19上套有内隔套20、外环套B22内侧设有外隔套21，外隔套21和内隔套 20同时位于两个被测角接触球轴承10之间且呈内外设置。外环套B22上设置有径向位移 传感器支架23，径向位移传感器支架23上设置有两个径向位移传感器24，这两个径向位移 传感器24分别位于径向刚度测试模拟轴19两端附近，且以加载螺钉2的中轴线为对称线 呈左右对称设置。加载螺钉2与外环套B22之间依次设置钢球A3、垫块A4、力传感器5、垫 块B6和钢球B7，且加载螺钉2、钢球A3和钢球B7的中轴线位于同一条直线上，与径向刚度 测试模拟轴19的中轴线垂直相交，即两条垂直的中轴线位于同一平面。在对被测角接触球轴承10径向刚度试验中，由于被测角接触球轴承10接触角的 存在，单个被测角接触球轴承10的径向刚度难以测量，本装置对两个相同被测角接触球轴 承10进行对称安装(两个相同被测角接触球轴承10是以加载螺钉2的中轴线为对称线在 径向刚度测试模拟轴19上左右对称安装)，测试其径向刚度，取其一半作为单个被测角接触 球轴承10的径向刚度，这时的两个被测角接触球轴承10的预紧力直接影响其径向刚度值， 如图5所示，在两个被测角接触球轴承10之间设置内隔套20和外隔套21，通过内外隔套的 厚度差值(内隔套20的厚度为h2，外隔套21的厚度为hl，内外隔套的厚度差值也就是hi 与h2的差值)控制预紧力大小。通过加载螺钉2将作用力经过钢球A3、垫块A4、力传感器 5、垫块B6和钢球B7施加给外环套B22，径向载荷大小通过力传感器5测得，被测角接触球 轴承10的径向位移通过径向位移传感器24测得。由于径向位移传感器24通过径向位移 传感器支架23固定在外环套B22上，被测角接触球轴承10的内圈与径向刚度测试模拟轴 19接触，因此两个径向位移传感器24测得的径向相对位移是被测角接触球轴承10轴承本 身、被测角接触球轴承10与外环套B22结合部、被测角接触球轴承10与径向刚度测试模拟 轴19结合部三者的变形之和(为了叙述方便，称之为轴承径向位移)，这与实际情况是相符 合的，原因是轴承使用时必须与箱体(外环套)、轴相互接触。在角接触球轴承径向刚度试验中，通过测试不同预紧力作用下的轴承径向位移与 被测角接触球轴承10承径向载荷，可以拟合出该两者之间的函数关系曲线，再通过对该函 数求导，进一步得到不同预紧力作用下，被测角接触球轴承10承径向载荷与径向刚度之间 的关系曲线。径向刚度测试模拟轴19安装在两个端套27上是以加载螺钉2的中轴线为对称线 的对称结构，且径向刚度测试模拟轴19的中轴线与加载螺钉2的中轴线垂直相交。两个相 同的被测角接触球轴承10也是以加载螺钉2的中轴线为对称线对称安装在径向刚度测试 模拟轴19上的。两个径向位移传感器24分别位于径向刚度测试模拟轴19两端附近，且以 加载螺钉2的中轴线为对称线呈左右对称设置。因此两套径向位移传感器24可以监测径 向刚度测试模拟轴19是否发生偏转；通过调节两个调节螺钉12可以调整径向刚度测试模 拟轴19的轴向(水平)相对位置，以保证径向加载通过两个被测角接触球轴承10之间的中 心位置，使两个被测角接触球轴承10承受相同径向力。通过更换轴承外环套B22、径向刚度测试模拟轴19及内外隔套20、21，可以实现不 同规格轴承在不同预紧力下的径向刚度测试。
本发明装置中，由于轴向位移测试单元和径向位移测试单元共用一个加载装置， 所以在一个方箱1中不能同时对被测角接触球轴承10的轴向刚度和径向刚度进行测试，比 如先完成对被测角接触球轴承10的轴向刚度测试后再拆除轴向位移测试单元，然后在方 箱1中安装径向位移测试单元对被测角接触球轴承10进行径向刚度测试。本发明装置采用模块化结构，在一个方箱1内不仅可以进行多种规格系列的角接 触球轴承刚度试验，而且可以进行轴向及径向刚度试验。
权利要求
一种模块化角接触球轴承静刚度试验装置，其特征在于包括方箱(1)、加载装置和位移测试单元；所述位移测试单元包括轴向位移测试单元和径向位移测试单元；所述加载装置包括固定在方箱(1)上端的加载套筒(8)、穿过加载套筒(8)的加载螺钉(2)和力传感器(5)； 所述轴向位移测试单元包括轴向刚度测试模拟轴(9)和轴向位移传感器(17)；所述方箱(1)下端固定有定位环(15)，轴向刚度测试模拟轴(9)的上端位于加载套筒(8)中，下端位于定位环(15)中，轴向刚度测试模拟轴(9)的中轴线与加载螺钉(2)的中轴线位于同一条直线上；轴向刚度测试模拟轴(9)上设置有被测角接触球轴承(10)，被测角接触球轴承(10)外侧套有外环套A(11)；所述外环套A(11)上设置有轴向位移传感器支架(16)，轴向位移传感器支架(16)上设置有轴向位移传感器(17)；所述力传感器(5)位于加载螺钉(2)与轴向刚度测试模拟轴(9)顶端之间；所述径向位移测试单元包括径向刚度测试模拟轴(19)和径向位移传感器(24)；径向刚度测试模拟轴(19)的中轴线与加载螺钉(2)的中轴线垂直相交；径向刚度测试模拟轴(19)上设置有两个被测角接触球轴承(10)，这两个被测角接触球轴承(10)外侧套有外环套B(22)；所述两个被测角接触球轴承(10)之间的径向刚度测试模拟轴(19)上套有内隔套(20)，内隔套(20)外部设置有外隔套(21)，外隔套(21)设置在外环套B(22)内侧；所述外环套B(22)上设置有径向位移传感器支架(23)，径向位移传感器支架(23)上设置有径向位移传感器(24)；所述的力传感器(5)位于加载螺钉(2)与外环套B(22)之间。
2.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于所述的加载螺钉(2)与轴向刚 度测试模拟轴(9)顶端之间依次设置钢球A (3)、垫块A (4)、力传感器(5)、垫块B (6)和 钢球B (7)，且加载螺钉(2)、钢球A (3)、钢球B (7)和轴向刚度测试模拟轴(9)的中轴线 都位于同一条直线上。
3.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于所述外环套A(11)和被测角 接触球轴承(10)外圈的下端与方箱(1)底部之间还设置有轴向承载套(14)。
4.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于轴向位移传感器支架(16)上 设置有两个轴向位移传感器(17)，且分别位于轴向刚度测试模拟轴(9)的左右两侧。
5.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于所述加载螺钉(2)与外环套 B (22)之间依次设置钢球A (3)、垫块A (4)、力传感器(5)、垫块B (6)和钢球B (7)，且加 载螺钉(2)、钢球A (3)和钢球B (7)的中轴线位于同一条直线上，与径向刚度测试模拟轴 (19)的中轴线垂直相交，即两条垂直的中轴线位于同一平面。
6.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于所述径向刚度测试模拟轴 (19)上设有两个螺母(25)，两个被测角接触球轴承(10)设置在径向刚度测试模拟轴(19) 上且位于两个螺母(25)之间，螺母(25)与被测角接触球轴承(10)之间设置有隔环(26)。
7.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于所述方箱(1)两侧分别固定 有两个端套(27)，两个端套(27)上还分别设置有调节螺钉(12)，径向刚度测试模拟轴(19) 的两端分别位于两个端套(27)中，且卡在两个调节螺钉(12)之间。
8.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于外环套B(22)通过轴承端盖 (13)与被测角接触球轴承(10)外圈连接。
9.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于径向位移传感器支架(23)上设置有两个径向位移传感器(24)，这两个径向位移传感器(24)分别位于径向刚度测试模 拟轴(19)两端附近，且以加载螺钉(2)的中轴线为对称线左右对称设置。
全文摘要
本发明提供的一种模块化角接触球轴承静刚度试验装置，包括固定试验装置的方箱，由模拟轴支承轴承，轴承外套有外环套，轴向和径向加载装置，轴向位移和径向位移测量装置；轴向位移测量采用两套位移传感器，可检测轴承是否发生偏转；径向位移测量采用两套位移传感器，可以检测两轴承所承受的径向载荷是否相同；通过定位环及加载套筒实现轴向刚度测试时的模拟轴定位。采用模块化结构设计，可以实现不同尺寸系列角接触球轴承的静刚度测试，同时可以进行轴向刚度、径向刚度的测试。本装置结构简单，功能多，适用范围宽，可以获得真实的角接触球轴承刚度值，对研究角接触球轴承静态性能及确定合理的轴承的预紧力具有重要意义。
文档编号G01M13/04GK101893512SQ20101021701
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者张广鹏, 段耀东, 谢永康, 郭纯, 黄玉美 申请人:西安理工大学