一种基于柔性铰链的复合式摩擦磨损试验机的制作方法

本发明涉及一种摩擦试验机，具体涉及一种基于柔性铰链的复合式摩擦磨损试验机。

背景技术：

摩擦磨损存在于绝大多数的机械设备中，由于润滑方式的不当或对摩擦学机理的研究不透彻，导致了大量资源的浪费，同时也极大的降低了生产效率，为了研究摩擦材质的性能、环境对摩擦磨损的影响和不同摩擦副的摩擦机理等，试验机是必不可少的设备，并且市面上的试验机价格昂贵、体型庞大且功能单一，故现有技术有待进一步改善。

技术实现要素：

鉴于上述试验机存在的问题，有必要提供一种基于柔性铰链的复合式摩擦磨损试验机，该试验机工作原理是：减速电机带动圆柱凸轮传动，使下试件轴与上试件做半圆柱副的往复摩擦运动，采用双头螺柱连接上试件和柔性铰链，上试件通过加载砝码进行加载，通过应变片将柔性铰链形变转化为电信号测量往复摩擦力。借助可拆卸的圆柱凸轮传动和滑移齿轮组实现旋转摩擦方式的切换，加载方式与往复式相同。同时设置有端面摩擦轴与下试件轴作端面摩擦，端面摩擦方式采用丝杠传动进行加载，并设置有两个压力传感器用于测量端面摩擦的加载力和摩擦力矩。

为了达到上述目的，本发明采取的的技术方案是：

一种基于柔性铰链的复合式摩擦磨损试验机，其特征在于：包括往复摩擦组件、旋转摩擦组件和端面摩擦组件；

所述往复摩擦组件包括第一电机、圆柱凸轮、随动滚子、滑杆、圆盘、下试件轴、支架、柔性铰链、第一心轴、上试件、工作台、第二心轴和加载砝码，所述第一电机的电机主轴平键连接有圆柱凸轮，所述圆柱凸轮通过凹槽型几何轮廓与随动滚子传动连接，所述圆盘的中心开有通孔，并与下试件轴过盈配合连接，所述上试件支撑在下试件轴的上方，且上试件通过半圆柱面与下试件轴相互贴合，所述上试件的上端与双头螺柱的一端螺旋连接，所述双头螺柱另一端与柔性铰链的内螺纹孔螺旋连接，且在柔性铰链的上方设置有加载砝码，所述加载砝码压在柔性铰链的上表面，所述柔性铰链两端通过第一心轴和第二心轴支撑在两侧滑移块的通孔内，所述支架竖直方向开有导轨轨道，所述滑移块与导轨轨道移动副连接，所述支架下部开有弹簧孔，所述弹簧一端安装在弹簧孔内，一端套在滑移块下部的限位短轴上；

所述旋转摩擦组件包括第一齿轮、第二齿轮、第一滑移齿轮、中间轴和第二滑移齿轮，所述第一齿轮平键连接在圆柱凸轮外伸轴端上，所述第二齿轮平键连接在下试件轴的右轴端，所述中间轴上开有一定长度的滑移键槽，所述第一滑移齿轮与滑键ⅱ过盈配合，所述第二滑移齿轮与滑键ⅰ过盈配合，且滑键ⅰ和滑键ⅱ与滑移键槽移动副连接，在所述滑键ⅰ和滑键ⅱ之间有定位平键，定位平键两端分别能与滑键ⅰ和滑键ⅱ的一端面贴合，所述第一滑移齿轮滑到键槽最右端刚好能与第一齿轮啮合传动，所述第二滑移齿轮滑到键槽最左端刚好能与第二齿轮啮合传动。

所述端面摩擦组件包括销轴、第二电机、第三电机、推杆，所述第二电机的电机轴平键连接有旋转轴，所述旋转轴上过盈连接有第四齿轮，所述第四齿轮与安装在端面摩擦轴上的第三齿轮啮合传动，所述第三电机通过联轴器连接加载丝杠，所述推杆中间开有内螺纹孔ⅱ，两侧底部开有滑移槽ⅱ，所述推杆通过内螺纹孔ⅱ与加载丝杠44形成螺旋传动，所述推杆通过两侧滑移槽ⅱ与限位导轨移动副连接，所述限位导轨移动副连接有滑移座，所述滑移座开有通孔，所述销轴分别穿过下试件轴上的通孔和两侧滑移座的通孔。

作为本发明的一种优选技术方案，所述随动滚子与滑杆刚性连接，所述滑杆与方形螺母刚性连接，所述丝杠上下两端固定安装在圆盘的内部，仅可做定轴的转动，所述丝杠的外伸部分由内向外依次螺旋连接有方形螺母和锁紧螺母，所述随动滚子、滑杆、方形螺母和锁紧螺母均上下对称布置两个。

作为本发明的一种优选技术方案，所述下试件轴两端通过直线轴承支撑在轴承座上，所述中间轴两端通过滚动轴承支撑在滚动轴承座上，所述端面摩擦轴两端通过滚动轴承支撑在滚动轴承座上，所述加载丝杠支撑在丝杠座上做定轴转动，所述直线轴承座固定在工作台上；所述滚动轴承通过滚动轴承座和固定在工作台上；所述第一电机通过电机座固定在工作台上，所述第二电机通过电机座固定在工作台上，所述第三电机通过电机座固定在工作台上；所述支架、加载丝杠座和限位导轨均通过螺栓固定在工作台上，所述工作台的四角通过螺栓连接有支脚。

作为本发明的一种优选技术方案，所述柔性铰链由两端刚性板、中间刚性板所以及与两个刚性板相连的柔性板所组成，所述两端刚性板开有水平方向的通孔与第一心轴和第二心轴转动连接，所述柔性板的厚度远小于刚性板，且受水平方向的力具有弹性变形的能力，所述柔性铰链中心竖直方向开有内螺纹孔ⅰ与双头螺柱螺旋连接，所述柔性板的两侧均贴有应变片。

作为本发明的一种优选技术方案，所述上试件与下试件轴的摩擦部位的外侧设置有温度传感器，所述下试件轴和圆盘连接处设置有速度传感器，所述温度传感器和速度传感器均固定在工作台上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滑移块由上端盖和下座体组成，并通过螺钉连接上下部分，所述下座体内部通过阶梯孔安装有第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器的延长线相交于接线孔的轴线，所述滑移块底部开有滑移槽ⅰ与限位导轨移动副连接，所述第一压力传感器安装在竖直方向上的槽内，且所述销轴压在第一传感器上，用于测量销轴传递的压力，所述第二压力传感器安装在水平方向上的槽内，且安装在推杆的中心线上，用于测量推杆的压力。

作为本发明的一种优选技术方案，所述端面摩擦轴与下试件轴同轴线布置。

本发明的有益效果是：

一、可实现旋转、往复和端面三种摩擦方式的切换，且切换方式简单，成本低廉，实用性强。

二、采用双边柔性铰链挠度形变而间接测量摩擦力的方法，并能通过两边应变片的信号差别，及时检查加载力是否偏移中心线，从而提高输出数据的稳定性。

附图说明

图1为本发明试验机整体结构轴侧示意图；

图2为本发明试验机整体结构俯视示意图；

图3为本发明试验机整体结构侧视示意图；

图4为本发明试验机整体结构另一视角示意图；

图5为本发明试验机的端面摩擦加载系统结构示意图；

图6为本发明圆柱凸轮与圆盘连接方式结构示意图；

图7为本发明滑移齿轮组传动方式示意图；

图8为本发明柔性铰链支撑结构示意图；

图9为本发明柔性铰链的结构示意图；

图10为本发明滑移座内部局部剖视示意图；

图11为本发明滑移座轴侧结构示意图；

图12为本发明推杆结构示意图。

图中：1、第一电机；2、圆柱凸轮；3、随动滚子；4、第一齿轮；5、滑杆；6、第二齿轮；7、圆盘；8、下试件轴；9、直线轴承座；10、滚动轴承座；11、第一滑移齿轮；12、中间轴；13、第二滑移齿轮；14、支架；15、滑移块；16、柔性铰链；17、第一心轴；18、应变片；19、上试件；20、第一电机座；21、工作台；22、支脚；23、支脚螺母；24、第二心轴；25、双头螺柱；26、加载砝码；27、加载丝杠座；28、销轴；29、温度传感器；30、速度传感器；31、方形螺母；32、第一丝杠；33、锁紧螺母；34、导轨；35、端面摩擦轴；36、第三齿轮；37、轴承座；38、第二电机座；39、第二电机；40、第四齿轮；41、旋转轴；42、第三电机；43、联轴器；44、加载丝杠；45、滑移座；46、推杆；47、第三电机座；48、滑键ⅰ；49、滑键ⅱ；50、定位平键；51、弹簧；201、圆柱凸轮外伸轴段；1401、导轨轨道；1402、弹簧孔；1501、限位短轴；1502、滑移块通孔；1601、两端刚性板；1602、柔性板；1603、中间刚性板；1604、通孔；1605、螺纹孔ⅰ；4501、滑移座上端盖；4502、滑移座下座体；4503、第一压力传感器；4504、第二压力传感器；4505、接线孔；4506、螺钉；4507、滑移槽ⅰ；4601、螺纹孔ⅱ；4602、滑移槽ⅱ。

具体实施方式

以下参照附图，给出本发明的具体实施方式，用来说明本发明的工作原理。

一种基于柔性铰链的复合式摩擦磨损试验机，其特征在于：包括往复摩擦组件、旋转摩擦组件和端面摩擦组件；

如图1、图2、图3、图4、图6、图7、图8和图9所示，所述往复摩擦组件包括第一电机1、圆柱凸轮2、随动滚子3、滑杆5、圆盘7、下试件轴8、支架14、柔性铰链16、第一心轴17、上试件19、工作台21、第二心轴24和加载砝码26，所述第一电机1的电机主轴平键连接有圆柱凸轮2，所述圆柱凸轮2通过凹槽型几何轮廓与随动滚子3传动连接，所述圆盘7的中心开有通孔，并与下试件轴8过盈配合连接，所述上试件19支撑在下试件轴8的上方，且上试件19通过半圆柱面与下试件轴8相互贴合，所述上试件19的上端与双头螺柱25的一端螺旋连接，所述双头螺柱25另一端与柔性铰链16的内螺纹孔1605螺旋连接，且在柔性铰链16的上方设置有加载砝码26，所述加载砝码26压在柔性铰链16的上表面，所述柔性铰链16两端通过第一心轴17和第二心轴24支撑在两侧滑移块15的通孔1502内，所述支架14竖直方向开有导轨轨道1401，所述滑移块15与导轨轨道1401移动副连接，所述支架14下部开有弹簧孔1402，所述弹簧51一端安装在弹簧孔1402内，一端套在滑移块15下部的限位短轴1501上。上试件19和下试件轴8构成摩擦副，弹簧51给柔性铰链提供竖直方向的自由度，使砝码26的加载力通过与柔性铰链连接的双头螺柱传递给上试件19。

如图1、图2、图4和图7所示，所述旋转摩擦组件包括第一齿轮4、第二齿轮6、第一滑移齿轮11、中间轴12和第二滑移齿轮13，所述第一齿轮4平键连接在圆柱凸轮2外伸轴端201上，所述第二齿轮6平键连接在下试件轴的右轴端，所述中间轴12上开有一定长度的滑移键槽，所述第一滑移齿轮11与滑键ⅱ49过盈配合，所述第二滑移齿轮13与滑键ⅰ48过盈配合，且滑键ⅰ48和滑键ⅱ49与滑移键槽移动副连接，在所述滑键ⅰ48和滑键ⅱ49之间有定位平键50，定位平键50两端分别能与滑键ⅰ48和滑键ⅱ49的一端面贴合，所述第一滑移齿轮11滑到键槽最右端刚好能与第一齿轮4啮合传动，所述第二滑移齿轮13滑到键槽最左端刚好能与第二齿轮6啮合传动。通过滑移齿轮组的啮合，通过中间轴12传递扭矩，定位平键50用于固定滑移齿轮，使其传动平稳可靠，且方便脱离啮合。

如图1、图2、图4、图5、图10、图11和图12所示所述端面摩擦组件包括销轴28、第二电机39、第三电机42、推杆46，所述第二电机39的电机轴平键连接有旋转轴41，所述旋转轴41上过盈连接有第四齿轮40，所述第四齿轮40与安装在端面摩擦轴35上的第三齿轮36啮合传动，所述第三电机42通过联轴器连接加载丝杠44，所述推杆46中间开有内螺纹孔ⅱ4601，两侧底部开有滑移槽ⅱ4602，所述推杆46通过内螺纹孔ⅱ4601与加载丝杠44形成螺旋传动，所述推杆46通过两侧滑移槽ⅱ4602与限位导轨34移动副连接，所述限位导轨34移动副连接有滑移座45，所述滑移座45开有通孔，所述销轴28分别穿过下试件轴8上的通孔和两侧滑移座45的通孔。第二电机39和加载丝杠44提供加载力，通过推杆46推动滑移座45，因销轴28分别穿过下试件轴8上的通孔和两侧滑移座45的通孔，使下试件轴8紧紧压在端面摩擦轴35上，滑移座第三电机42提供转动扭矩，使端面摩擦轴35作旋转运动，从而与固定的下试件轴8作端面摩擦运动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述随动滚子3与滑杆5刚性连接，所述滑杆5与方形螺母31刚性连接，所述丝杠32上下两端固定安装在圆盘7的内部，仅可做定轴的转动，所述丝杠32的外伸部分由内向外依次螺旋连接有方形螺母31和锁紧螺母33，所述随动滚子3、滑杆5、方形螺母31和锁紧螺母33均上下对称布置两个。通过刚性连接传递力，圆柱凸轮2传动将动力传递给圆盘7，圆盘7下试件轴8过盈连接，从而使下试件轴8作往复运动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述下试件轴8两端通过直线轴承支撑在轴承座9上，所述中间轴12两端通过滚动轴承支撑在滚动轴承座10上，所述端面摩擦轴35两端通过滚动轴承支撑在滚动轴承座37上，所述加载丝杠44支撑在丝杠座27上做定轴转动，所述直线轴承座9固定在工作台21上；所述滚动轴承通过滚动轴承座10和37固定在工作台21上；所述第一电机1通过电机座20固定在工作台21上，所述第二电机39通过电机座38固定在工作台21上，所述第三电机42通过电机座47固定在工作台21上；所述支架14、加载丝杠座27和限位导轨34均通过螺栓固定在工作台21上，所述工作台的四角通过螺栓23连接有支脚22。

作为本发明的一种优选技术方案，所述柔性铰链16由两端刚性板1601、中间刚性板1603所以及与两个刚性板相连的柔性板1602所组成，所述两端刚性板1601开有水平方向的通孔1604与第一心轴17和第二心轴24转动连接，所述柔性板1602的厚度远小于刚性板1601，且受水平方向的力具有弹性变形的能力，所述柔性铰链16中心竖直方向开有内螺纹孔ⅰ1605与双头螺柱螺旋连接，所述柔性板1602的两侧均贴有应变片18。通过往复摩擦力使柔性板1602产生挠度形变，柔性板1602的两侧均贴有应变片18的信号大小可标定摩擦力的大小。

作为本发明的一种优选技术方案，所述上试件19与下试件轴8的摩擦部位的外侧设置有温度传感器29，所述下试件轴8和圆盘7连接处设置有速度传感器30，所述温度传感器29和速度传感器30均固定在工作台21上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滑移块45由上端盖4501和下座体4502组成，并通过螺钉4506连接上下部分，所述下座体4502内部通过阶梯孔安装有第一压力传感器4503和第二压力传感器4504，所述第一压力传感器4503和第二压力传感器4504的延长线相交于接线孔4505的轴线，所述滑移块45底部开有滑移槽ⅰ4507与限位导轨34移动副连接，所述第一压力传感器4503安装在竖直方向上的槽内，且所述销轴28压在第一传感器上4503，用于测量销轴传递的压力，所述第二压力传感器4503安装在水平方向上的槽内，且安装在推杆46的中心线上，用于测量推杆的压力。

作为本发明的一种优选技术方案，所述端面摩擦轴35与下试件轴8同轴线布置。

具体使用时，针对三种不同摩擦方式的切换，以下给出实现不同摩擦方式的相应使用方法。

若要做往复摩擦试验，此时应将第一滑移齿轮通过中间轴上键槽滑移，与第一齿轮退出啮合，第二滑移齿轮通过中间轴上键槽滑移，与第二齿轮退出啮合，圆柱凸轮和随动滚子传动配合，将销轴插入，限制轴的旋转运动，启动第一电机带动圆柱凸轮和随动滚子直线传动，因随动滚子刚性连接滑杆，滑杆刚性连接经过锁紧螺母锁紧的方形螺母，将作用力传递到与螺母螺旋副连接的丝杠上，丝杠固定安装在圆盘内部，通过丝杠带动与下试件轴过盈连接的圆盘，使下试件轴做往复运动，加载砝码的加载力通过两侧滑移块与支架的导轨轨道的滑移副和双头螺柱，通过螺旋副将压力传递到上试件，使上下试件产生挤压作用，并在下试件轴的往复运动下实现圆柱副的往复摩擦试验。

若要做旋转摩擦试验，此时应将第一滑移齿轮通过轴上键槽滑移，与第一齿轮进入啮合，第二滑移齿轮通过轴上键槽滑移，与第二齿轮进入啮合，旋转锁紧螺母退出锁紧状态并拆卸下来，旋转定轴转动的丝杠，使方形螺母带动随动滚子做直线运动，随动滚子与圆柱凸轮退出啮合并拆卸下来，将销轴拨出滑移座和下试件轴的通孔，启动第一电机经过中间轴的过渡传递扭矩，带动下试件轴做旋转运动，载荷加载方式同往复式加载，实现圆柱副旋转摩擦的试验。

若要做端面摩擦试验，此时应将第一滑移齿轮通过中间轴上键槽滑移，与第一齿轮退出啮合，第二滑移齿轮通过中间轴上键槽滑移，与第二齿轮退出啮合，旋转锁紧螺母退出锁紧状态并拆卸下来，旋转定轴转动的丝杠，使方形螺母带动随动滚子做直线运动，随动滚子与圆柱凸轮退出啮合并拆卸下来，将销轴插入滑移座和下试件轴的通孔内，第一电机关闭，第三电机启动，通过丝杠和推杆推动滑移座，压力经第二压力传感器、滑移座和销轴传递到下试件轴，使下试件轴与端面摩擦轴接触并产生正压力，启动第二电机，经第三齿轮和第四齿轮的啮合传递扭矩，使端面摩擦轴做定轴的旋转运动，与下试件轴的端面进行端面摩擦试验。

在做往复运动时，上、下试件之间的摩擦力的反作用力导致柔性铰链柔性板发生形变，并经变形处贴的应变片转化为电信号，可通过摩擦力标定测得摩擦力大小。端面摩擦时，滑移座内部的第二压力传感器可测量出加载力的大小，转动时通过销轴将端面摩擦力矩传递到第一压力传感器，利用杠杆定理可近似求得端面摩擦力矩的大小。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应、当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。