一种模块化交叉滚子轴承温升及静刚度测试装置的制作方法

本实用新型属于机械设备技术领域，涉及一种模块化交叉滚子轴承温升及静刚度测试装置。

背景技术：

交叉滚子轴承是一种精密回转单元，不仅其结构尺寸小，而且可以同时承受轴向力、径向力及颠覆力矩，广泛应用于数控机床等设备的数控转台、机器人关节的结构中。交叉滚子轴承的温升及静刚度直接影响到机床、机器人的整机系统性能，因此，采用有效的试验方法精确测试交叉滚子轴承在不同负载和转速下温升特性以及轴向、径向刚度和角刚度特性具有重要意义。

交叉滚子轴承的热态、静态特性参数是数控机床、机器人等整机性能预测、轴承合理选配等的基础，因此温升及静刚度特性是交叉滚子轴承一项很重要的性能参数。目前国内外轴承样本只有极少部分提供这些数据，而且参数不全，这样给机床、机器人结构设计中合理选择交叉滚子轴承造成困难，迫切需要一套能够实测交叉滚子轴承的静刚度和热态特性的设备与方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种模块化交叉滚子轴承温升及静刚度测试装置，解决了现有技术没有专门针对交叉滚子轴承进行温升及静刚度测试的设备，使得轴承样本数据缺乏，准确性差，影响其使用的问题。

本实用新型采用的技术方案是，

第一种，一种交叉滚子轴承温升测试机构，包括配重块，配重块固定安装在转台轴心孔上端，转台通过交叉滚子轴承支撑在底座上部环槽中，交叉滚子轴承外圈由上压板通过一圈螺栓固定在底座上，交叉滚子轴承内圈由下压板通过另一圈螺栓固定在转台上；转台轴心孔下端与连接轴通过螺纹固定连接，连接轴向下通过联轴器与电机的输出轴连接，电机固定在底座内腔中；

底座上端面开有热电偶安装槽，热电偶安装槽中对称安装有多个热电偶，各个热电偶与交叉滚子轴承外圈接触。

第二种，一种交叉滚子轴承角刚度测试机构，在底座下部圆周径向开有一个法兰孔，该法兰孔中安装有加载套筒，加载套筒外沿安装边通过螺栓与底座外壁固定，加载套筒内孔中通过螺纹套装有加载螺栓；转台轴心孔中向下套装有力矩测量轴，加载螺栓与力矩测量轴之间依次顶接有钢球一、传感器连接轴和力传感器；加载套筒、加载螺栓、钢球一传感器连接轴、力传感器一起称为加载模块，此处的加载模块为径向安装；

底座上端面还沿直径方向对称设置有位移传感器支架一和位移传感器支架二，位移传感器支架一上设置有位移传感器一，位移传感器支架二上设置有位移传感器二。

第三种，一种交叉滚子轴承轴向刚度测试机构，在底座上端面通过螺钉固定安装有支架套筒，支架套筒上顶面轴心孔中通过螺栓固定安装有加载套筒，加载套筒内孔中通过螺纹套装有加载螺栓；在转台轴心孔上端套装有连接平台，加载螺栓向下与连接平台之间依次设置有钢球一、传感器连接轴、力传感器。

第四种，一种交叉滚子轴承径向刚度测试机构，包括轴承座和径向中间轴，交叉滚子轴承外圈支撑在轴承座的台阶孔中，交叉滚子轴承外圈上的上压板与轴承座固定连接，交叉滚子轴承内圈通过下压板与转台固定；转台轴心孔中套装有径向中间轴，径向中间轴上下两端均通过压块安装在径向支座中；

还包括径向加力底座，径向加力底座内孔中设置有加载螺栓，加载螺栓与轴承座外壁之间依次设置有钢球一、传感器连接轴、径向力传感器、径向力传感器连接块、钢球二，该部分一起称为径向力的加载模块；

径向轴承座设置有位移测量平面，即由径向中间轴的中轴线与加载螺栓的中轴线所组成的平面，在该位移测量平面安装有位移测试单元。

本实用新型的有益效果是，采用模块化结构设计，结构简单，功能多，不仅可以开展交叉滚子轴承的温升测试，而且可以通过加载试验获得三项刚度值，对研究和测试交叉滚子轴承的热态、静态特性具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型的交叉滚子轴承温升测试机构安装示意图；

图2是本实用新型的交叉滚子轴承角刚度测试机构安装示意图；

图3是本实用新型的交叉滚子轴承轴向刚度测试机构安装示意图；

图4是本实用新型的交叉滚子轴承径向刚度测试机构安装示意图；

图5是本实用新型的交叉滚子轴承角刚度测试原理图。

图中，1.上压板，2.交叉滚子轴承，3.下压板，4.转台，5.底座，6.电机，7.联轴器，8.连接轴，9.热电偶，10.配重块，11.位移传感器一，12.位移传感器支架一，13.力矩测量轴，14.力传感器，15.传感器连接轴，16.钢球一，17.加载螺栓，18.加载套筒，19.位移传感器二，20.位移传感器支架二，21.支架套筒，22.连接平台，23.位移传感器三，24.位移传感器四，25.位移传感器五，26.径向中间轴，27.轴承座，28.径向力传感器连接块，29.径向加力底座，30.径向支座，31.压块，32.钢球二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

如图1，本实用新型的交叉滚子轴承温升测试机构的结构是，包括可调节质量的配重块10，配重块10固定安装在转台4轴心孔上端，转台4通过交叉滚子轴承2支撑在底座5上部环槽中，交叉滚子轴承2外圈由上压板1通过一圈螺栓固定在底座5上，交叉滚子轴承2内圈由下压板3通过另一圈螺栓固定在转台4上；转台4轴心孔下端与连接轴8通过螺纹固定连接，连接轴8向下通过联轴器7与电机6的输出轴连接，电机6固定在底座5内腔中；

上述的配重块10、转台4、交叉滚子轴承2、连接轴8、联轴器7及电机6的输出轴回转轴线均在同一直线上；底座5上端面开有热电偶安装槽，热电偶安装槽中对称安装有多个热电偶9，各个热电偶9与交叉滚子轴承2外圈接触，以便检测交叉滚子轴承2的温度参数。

如图2，本实用新型的交叉滚子轴承角刚度测试机构的结构是，在图1的基础上，拆除电机6、连接轴8和联轴器7，在底座5下部圆周径向开有一个法兰孔，该法兰孔中安装有加载套筒18，加载套筒18外沿安装边通过螺栓与底座5外壁固定，加载套筒18内孔中通过螺纹套装有加载螺栓17；转台4轴心孔中向下套装有力矩测量轴13，加载螺栓17与力矩测量轴13之间依次顶接有钢球一16、传感器连接轴15和力传感器14；加载套筒18、加载螺栓17、钢球一16、传感器连接轴15、力传感器14一起称为加载模块，此处的加载模块为径向安装；

底座5上端面还沿直径方向对称设置有位移传感器支架一12和位移传感器支架二20，位移传感器支架一12上设置有位移传感器一11，位移传感器支架二20上设置有位移传感器二19，位移传感器一11和位移传感器二19用于检测交叉滚子轴承2内外圈之间的相对位移参数。

如图3，本实用新型的交叉滚子轴承轴向刚度测试机构的结构是，在图2的基础上，拆卸径向安装的加载模块及力矩测量轴13，

在底座5上端面通过螺钉固定安装有支架套筒21，支架套筒21上顶面轴心孔中通过螺栓固定安装有加载套筒18，加载套筒18内孔中通过螺纹套装有加载螺栓17；在转台4轴心孔上端套装有连接平台22，加载螺栓17向下与连接平台22之间依次设置有钢球一16、传感器连接轴15、力传感器14；

传感器连接轴15一半光滑套装在加载套筒18内孔中，即加载套筒18对传感器连接轴15起导向作用；钢球一16放在传感器连接轴15上表面中心的锥孔内；加载套筒18、加载螺栓17、传感器连接轴15、连接平台22及转台4的回转轴线在同一直线上；

此处的加载模块为轴向安装，位移传感器一11和位移传感器二19用于检测交叉滚子轴承2内外圈之间的轴向相对位移参数；

如图4，本实用新型的交叉滚子轴承径向刚度测试机构结构是，将图1中的转台4、交叉滚子轴承2、夹紧轴承的上压板1与下压板3整套取下，

包括轴承座27和径向中间轴26，交叉滚子轴承2外圈支撑在轴承座27的台阶孔中，交叉滚子轴承2外圈上的上压板1与轴承座27固定连接，交叉滚子轴承2内圈通过下压板3与转台4固定；转台4轴心孔中套装有径向中间轴26，径向中间轴26上下两端均通过压块31安装在径向支座30中；

还包括径向加力底座29，径向加力底座29内孔中设置有加载螺栓17，加载螺栓17与轴承座27外壁之间依次设置有钢球一16、传感器连接轴15、径向力传感器14、径向力传感器连接块28、钢球二32，该部分一起称为径向力的加载模块；

径向轴承座27设置有位移测量平面，即由径向中间轴26的中轴线与加载螺栓17的中轴线所组成的平面，在该位移测量平面安装有位移测试单元，位移测试单元包括位移传感器三23、位移传感器四24和位移传感器五25，该三个位移传感器均设置在各自的磁座上，三个磁座吸附在工作台上，位移传感器三23位于转台4的上端面，位移传感器五25位于转台4的下端面，位移传感器四24位于径向轴承座27侧面，位移传感器四24与钢球二32沿直径方向相对；位移传感器三23和位移传感器五25用于测量交叉滚子轴承2内圈的位移量，位移传感器四24用于测量交叉滚子轴承2外圈的位移量。

本实用新型上述的四种测试机构，采用模块化结构，根据测试需要，安装不同的加载模块，灵活组配出相应的结构，实现交叉滚子轴承温升测试、交叉滚子轴承角刚度测试、轴向刚度测试以及径向刚度测试。

以下步骤过程中，将交叉滚子轴承2简称为轴承，交叉滚子轴承2外圈与底座5采用小间隙配合，交叉滚子轴承2内圈与转台4采用过渡配合。

利用本实用新型上述的装置，分别进行轴承温升测试、轴承角刚度测试、轴承轴向刚度测试及轴承径向刚度测试，按照以下步骤实施：

1、轴承温升测试：

1.1)按照图1组装测试机构，固定好热电偶9；

1.2)启动电机6，保持转速值不变，改变配重块10的质量大小，运行5小时，读取各个热电偶9的温度值，取平均值，绘制不同载荷条件下的轴承温升与转速之间的关系曲线，得到轴承的温升与转速变化规律。

1.3)保持配重块10质量不变，改变电机6的转速大小，运行5小时，读取各个热电偶9的温度值，取平均值，绘制不同转速条件下的轴承温升与载荷之间的关系曲线，得到轴承的温升与载荷变化规律。

2、轴承角刚度测试：

按照图2，将加载模块安装在底座5下部侧壁的法兰孔内，拧转加载螺栓17调节加载力的大小来改变加载力矩的大小，记录不同力矩作用下位移传感器一11和位移传感器二19的读数，分别计算出对应的力矩载荷大小、轴承的偏转角度值，然后绘制力矩与偏转角度之间的关系曲线，拟合获取其函数关系式，通过求导得到如下的轴承角刚度值。如图5所示，轴承角刚度值计算公式如下：

Mt＝Ft·L (2)

式中，θ是轴承的偏转角度，δ1、δ1为两个位移传感器测量值，D为两个位移传感器之间的距离，Mt是倾覆力矩，Ft为外载荷，L为力矩作用的力臂长度，Kt为轴承角刚度。

3、轴承轴向刚度测试：

3.1)按照图3，安装好轴向的加载模块，并将力传感器14归零；

3.2)将位移传感器一11和位移传感器二19分别安装在位移传感器支架一12、位移传感器支架二20上，调整参数使其在传感器的测量范围内；

3.3)开始加载，通过改变加载螺栓17的进给量，调节轴向力的大小，记录不同轴向力作用下位移传感器一11和位移传感器二19的读数；以轴向力为纵坐标、两个位移传感器读数的平均值为横坐标，绘制变化曲线，通过拟合得到函数关系式，通过对该函数关系式求导，得到轴承轴向刚度，计算公式如下：

式中，Kn为轴向刚度值，Fn为加载的轴向力，Xn为传感器测得位移值，即可求出轴承轴向刚度值。

4、轴承径向刚度测试：

4.1)按照图4组装径向力的加载模块，并且将三个磁力表座吸附到工作台上的测量位置，安装好位移传感器三23、位移传感器四24和位移传感器五25，使之位于测量面内，设置好位移传感器参数；

4.2)开始加载，通过改变加载螺栓17的进给量，改变径向力的大小，记录不同径向力作用下的三个位移传感器的读数，根据三个位移传感器的读数换算出轴承径向变形的大小，绘制径向力与径向变形之间的关系曲线，拟合成函数关系式，求导得到轴承的径向刚度值，计算公式是：

X＝|Xr1-Xr2| (5)

式中，Xr1为位移传感器三和位移传感器五的读数平均值，代表轴承内圈的位移值；Xr2为轴承外圈的位移值；Fr为径向力，Kr为径向刚度。