摩擦测量装置

技术领域

本申请涉及摩擦测量技术领域，尤其涉及一种摩擦测量装置。

背景技术

摩擦测量装置是摩擦、磨损、载荷和润滑等摩擦学研究中最常用的设备，利用摩擦测量装置能够测定材料的摩擦特性，例如能够获取材料的摩擦系数。

现有技术中常用的摩擦测量装置通常为水平式结构，测定摩擦系数时，需要将待测样品水平放置，并在摩擦接触点的上方施加重物，依靠重物的重力提供测量所需的正压力。然而，摩擦测量装置自身也存在重量，其自身元件作用于待测样品上会影响正压力取值及摩擦系数测定的准确性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种摩擦测量装置，用于解决现有测量装置正压力取值不准、摩擦系数测定准确性低的技术问题。

为解决上述问题，本申请提供了一种摩擦测量装置，包括：

机架；

驱动机构，设于所述机架上，所述驱动机构包括固定组件和旋转驱动件，所述固定组件用于沿竖直方向固定待测样品，所述旋转驱动件连接于所述固定组件且用于驱动所述固定组件在竖直平面内转动；

检测机构，包括摆臂、摩擦球及测量件，所述摆臂转动连接于所述机架，所述摆臂与所述固定组件平行且间隔设置，所述摩擦球连接于所述摆臂的一端且用于按压所述待测样品，所述摩擦球与所述待测样品形成摩擦副，从而所述摆臂可随所述待测样品在竖直平面内转动；所述测量件用于依据所述摆臂的转动测量所述摩擦球与所述待测样品之间的摩擦力；

压力加载机构，设于所述机架上，所述压力加载机构连接于所述摆臂朝向所述固定组件的一侧，所述压力加载机构用于沿水平方向拉动所述摆臂以使所述摩擦球按压于所述待测样品上。

在一实施例中，所述测量件为拉压力传感器，所述拉压力传感器固定于所述机架上且位于所述摆臂远离所述摩擦球的一端，所述拉压力传感器用于与所述摆臂抵持。

在一实施例中，所述拉压力传感器靠近所述摆臂的一端设有凹槽，所述凹槽的侧壁上设有球头柱塞，所述摆臂伸入所述凹槽内且抵持于所述球头柱塞。

在一实施例中，所述机架上设有沿所述水平方向设置的滚珠轴套，所述检测机构还包括可转动地穿设于所述滚珠轴套中的连接杆，并且所述连接杆可沿所述滚珠轴套的轴向移动，所述连接杆的一端连接于所述摆臂，另一端连接于所述压力加载机构。

在一实施例中，所述压力加载机构包括滑轮座、滑轮、拉绳及砝码，所述滑轮座连接于所述机架，所述滑轮转动设于所述滑轮座上，所述拉绳的一端连接于所述摆臂，并且绕过所述滑轮后另一端连接于所述砝码。

在一实施例中，所述拉绳包括水平延伸段和竖直延伸段，所述水平延伸段沿所述水平方向延伸且用于连接所述摆臂，所述竖直延伸段沿所述竖直方向延伸且用于连接所述砝码。

在一实施例中，所述压力加载机构包括弹簧和连接绳，所述弹簧与所述连接绳沿水平方向设于所述机架上，所述连接绳的一端连接于所述弹簧，另一端连接于所述摆臂，并且所述连接绳张紧。

在一实施例中，所述固定组件包括转盘和固定件，所述转盘沿所述竖直方向延伸设置，所述转盘的一侧连接于所述旋转驱动件的输出轴，并且另一侧用于安装所述待测样品，所述固定件设于所述转盘上且用于固定所述待测样品。

在一实施例中，所述固定件为按压板，所述按压板可拆卸安装于所述转盘上，所述按压板中部设有开窗，所述开窗用于露出部分所述待测样品且所述摩擦球可伸入所述开窗内。

在一实施例中，所述固定组件还包括弹性垫片，所述弹性垫片压紧于所述转盘与所述按压板之间。

本申请提供的摩擦测量装置包括机架、驱动机构、检测机构及压力加载机构，一方面，驱动机构包括固定组件和旋转驱动件，固定组件用于沿竖直方向固定待测样品，旋转驱动件连接于固定组件且用于驱动固定组件在竖直平面内转动，如此设置，能够实现待测样品的竖直安装固定，以及能够在待测样品竖直设置的状态下测定待测样品的摩擦特性，适用于待测样品无法水平放置的特殊情形；另一方面，检测机构包括摆臂及摩擦球，摆臂与固定组件平行且间隔设置，摩擦球连接于摆臂的一端且用于按压待测样品，摩擦球与待测样品形成摩擦副，压力加载机构连接于摆臂朝向固定组件的一侧，压力加载机构用于沿水平方向拉动摆臂以使摩擦球按压于待测样品上，如此设置，压机加载机构施加于摆臂的拉力可以转化为沿水平方向的正压力并通过摩擦球作用于待测样品上，从而能够消除测量装置自身重力对正压力取值的影响，有效提高摩擦系数测定的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种摩擦测量装置的立体示意图；

图2为图1所示摩擦测量装置的正视图；

图3为图1所示摩擦测量装置的剖视图；

图4为图1所示摩擦测量装置去除保护外壳后的侧视图；

图5为图4所示摩擦测量装置的使用示意图；

图6为本申请实施例提供的又一种摩擦测量装置的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的再一种摩擦测量装置的结构示意图。

主要元件符号说明：

100、摩擦测量装置；

1、机架；11、保护外壳；

2、驱动机构；21、固定组件；211、转盘；212、固定件；2121、开窗；22、旋转驱动件；221、输出轴；

3、检测机构；31、摆臂；32、摩擦球；33、测量件；331、凹槽；332、贯穿槽；34、球头柱塞；

4、压力加载机构；41、滑轮座；42、滑轮；43、拉绳；44、砝码；45、弹簧；46、连接绳；

51、滚珠轴套；52、连接杆；53、轴套座。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以是直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征、结构或特性。

摩擦系数是研究摩擦材料损耗的重要参数。摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，摩擦系数的大小和材料表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。在摩擦系数测量中，如何获取准确的正压力及摩擦力，成为提高测量准确性的关键。

本申请提供了一种摩擦测量装置。参照图1和图2，摩擦测量装置100包括机架1、驱动机构2、检测机构3及压力加载机构4。驱动机构2设于机架1上，驱动机构2包括固定组件21和旋转驱动件22，固定组件21用于沿竖直方向（例如图2中Y所示方向）固定待测样品，旋转驱动件22连接于固定组件21且用于驱动固定组件21在竖直平面内转动。如图2和图3所示，检测机构3包括摆臂31、摩擦球32及测量件33，摆臂31转动连接于机架1，摆臂31与固定组件21平行且间隔设置，如图2、图4和图5所示，摩擦球32连接于摆臂31的一端且用于按压待测样品，摩擦球32与待测样品形成摩擦副，从而摆臂31可随待测样品在竖直平面内转动；测量件33用于依据摆臂31的转动测量摩擦球32与待测样品之间的摩擦力。压力加载机构4设于机架1上，压力加载机构4连接于摆臂31朝向固定组件21的一侧，压力加载机构4用于沿水平方向（例如图2中X所示方向）拉动摆臂31以使摩擦球32按压于待测样品上。

待测样品表面平整，在外力作用下，摩擦球32与待测样品间可发生相对滑动。摩擦球32通过紧固螺钉固定于摆臂31的一端，摆臂31在一定角度范围内转动，摆臂31的转动幅度与待测样品的摩擦系数的大小相关。

上述摩擦测量装置100用于摩擦系数测量实验中，能够在待测样品竖直设置的状态下测定待测样品的摩擦特性。具体使用方式如下：首先，将待测样品安装于固定组件21上，并使待测样品竖直设置；而后，调整摆臂31及摩擦球32位置，使得摩擦球32与待测样品相对；而后，利用压力加载机构4施加数值确定的拉力，拉力作用于摆臂31，通过在水平方向拉动摆臂31可使摩擦球32按压于待测样品上，其中，摩擦球32按压于待测样品上，拉力转换为施加于待测样品的正压力N；而后，利用旋转驱动件22驱动固定组件21及安装于固定组件21上的待测样品在竖直平面内转动，待测样品转动过程中与摩擦球32形成摩擦副，并且在摩擦力作用下，摩擦球32及摆臂31转动一定角度；而后，利用测量件33获取摩擦力F；而后，根据摩擦系数公式μ=F/N计算摩擦系数。

本申请提供的摩擦测量装置100包括机架1、驱动机构2、检测机构3及压力加载机构4，一方面，驱动机构2包括固定组件21和旋转驱动件22，固定组件21用于沿竖直方向固定待测样品，旋转驱动件22连接于固定组件21且用于驱动固定组件21在竖直平面内转动，如此设置，能够实现待测样品的竖直安装固定，以及能够在待测样品竖直设置的状态下测定待测样品的摩擦特性，适用于待测样品无法水平放置的特殊情形；另一方面，检测机构3包括摆臂31及摩擦球32，摆臂31与固定组件21平行且间隔设置，摩擦球32连接于摆臂31的一端且用于按压待测样品，摩擦球32与待测样品形成摩擦副，压力加载机构4连接于摆臂31朝向固定组件21的一侧，压力加载机构4用于沿水平方向拉动摆臂31以使摩擦球32按压于待测样品上，如此设置，压机加载机构施加于摆臂31的拉力可以转化为沿水平方向的正压力并通过摩擦球32作用于待测样品上，从而能够消除测量装置自身重力对正压力取值的影响，有效提高摩擦系数测定的准确性。

上述摩擦测量装置100可用于测定薄膜材料的摩擦系数，薄膜材料设置于基板上，并且随基板一同固定于固定组件21上。其中，基板可以为硅基板或其他材质的基板。

本申请提供的实施例中，如图2和图3所示，固定组件21包括转盘211和固定件212，转盘211沿竖直方向延伸设置，转盘211的一侧连接于旋转驱动件22的输出轴221，并且另一侧用于安装待测样品，固定件212设于转盘211上且用于固定待测样品。

可选的，旋转驱动件22的输出轴221连接于转盘211的旋转轴，旋转驱动件22可驱动转盘211整体及设于转盘211上的固定件212及待测样品一同转动。

采用上述设计，转盘211结构简单，稳定性高且使用方便。

本申请提供的实施例中，如图2和图4所示，固定件212为按压板，按压板可拆卸安装于转盘211上，按压板中部设有开窗2121，开窗2121用于露出部分待测样品且摩擦球32可伸入开窗2121内。

按压板设于转盘211背离旋转驱动件22的一侧，并且通过紧固件固定于转盘211上。按压板与转盘211之间形成用于安装待测样品的容置间隙，调节紧固件，能够实现按压板及待测样品与转盘211的拆装，以及能够实现待测样品的压紧固定。其中，紧固件可以为螺钉或螺栓等。

开窗2121尺寸大于摩擦球32尺寸，并且至少覆盖摩擦球32的移动轨迹，以确保摩擦球32能够与待测样品正常接触，以及确保摩擦力测量的准确性。

采用上述设计，按压板结构简单，固定效果好，并且待测样品拆装难度低。

可以理解，在一些实施例中，固定件212还可以为设置于转盘211上的固定夹，固定夹用于夹紧固定待测样品。

本申请提供的实施例中，转盘211与按压板相对设置，大小和结构相近。可选的，如图2和图4所示，转盘211为圆形转盘211，按压板为环形板。

采用上述设计，固定组件21结构合理，固定组件21转动过程中不易与其他结构发生干涉。

可以理解，根据待测样品结构的不同，转盘211和按压板还可为其他形状，具体可根据实际情况进行设计，在此不作限定。

本申请提供的实施例中，固定组件21还包括弹性垫片，弹性垫片压紧于转盘211与按压板之间。

弹性垫片的数量不唯一。可选的，在一些实施例中，转盘211与按压板之间设置一组弹性垫片，弹性垫片压紧于待测样品的一侧；或者，在一些实施例中，转盘211与按压板之间设置两组弹性垫片，两组弹性垫片分别压紧于待测样品的相对两侧。

弹性垫片可以采用硅胶材质制成。

采用上述设计，通过增设弹性垫片，有利于提升固定组件21对待测样品的固定效果，并且能够降低待测样品受压损坏的风险。

本申请提供的实施例中，旋转驱动件22为驱动电机。

采用上述设计，电机具有构造简单、体积小、控制方便等优点，利用电机驱动固定组件21转动，结构合理且可靠性高。

本申请提供的实施例中，如图2、图4和图5所示，测量件33为拉压力传感器，拉压力传感器固定于机架1上且位于摆臂31远离摩擦球32的一端，拉压力传感器用于与摆臂31抵持。

拉压力传感器又叫电阻应变式传感器，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置。摆臂31转动时，其端部能够抵持于拉压力传感器且能够使拉压力传感器发生变形，拉压力传感器的变形量可转化为表征摩擦力竖直的电信号输出。

采用上述设计，摩擦力测量方式简单，易于读取，并且准确性高。

可以理解，在一些实施例中，还可在机架1上设计用于表征力的大小的刻度，摆臂31偏转能够指向具体刻度，通过读取对应刻度值确定摩擦力大小，刻度的具体可根据实际情况进行设计，在此不作限定。

本申请提供的实施例中，如图2、图4和图5所示，拉压力传感器靠近摆臂31的一端设有凹槽331，凹槽331的侧壁上设有球头柱塞34，摆臂31伸入凹槽331内且抵持于球头柱塞34。

具体地，球头柱塞34的球珠可自由转动，并且球珠与摆臂31抵持。

采用上述设计，摆臂31抵持拉压传感器并使拉压传感器变形过程中，球头柱塞34的球珠能够发生旋转运动，从而有利于降低摆臂31与拉压传感器间的磨擦损耗，能够有效提高摩擦力测量的准确性。

本申请提供的实施例中，如图6所示，摆臂31伸入于凹槽331的一端还形成L形的折弯结构，以提高摆臂31与拉压传感器接触的可靠性。

本申请提供的实施例中，拉压力传感器为四桥臂传感器，四桥臂传感器的一端设有螺纹孔，并且通过穿设于螺纹孔内的紧固件安装于机架1上。四桥臂传感器的侧壁与机架1间形成1mm-2mm间隙，并且自由端不与其他部件接触，以形成悬臂状态。四桥臂传感器的中部设有贯穿槽332，以使四桥臂传感器可受压变形。

本申请提供的实施例中，如图1、图2和图3所示，机架1上设有沿水平方向设置的滚珠轴套51，检测机构3还包括可转动地穿设于滚珠轴套51中的连接杆52，并且连接杆52可沿滚珠轴套51的轴向移动，连接杆52的一端连接于摆臂31，另一端连接于压力加载机构4。

机架1上还设有轴套座53，滚珠轴套51安装于轴套座53上。

连接杆52与滚珠轴套51可以理解为圆柱连接，能够同时实现水平方向的滑动以及垂直于水平方向的转动。具体地，正压力加载机构4连接于连接杆52远离摆臂31的一端，正压力加载机构4作用时带动连接杆52沿滚珠轴套51的轴向移动；摆臂31可以理解为杠杆结构，连接杆52连接于摆臂31上远离两端的任意一点，摆臂31转动时带动连接杆52在滚珠轴套51内转动。

连接杆52与摆臂31可以为一体结构，或者，还可通过螺钉等紧固件连接。

采用上述设计，一方面，通过设计滚珠轴套51，能够提高连接杆52及摆臂31与机架1间的自由度，使得摆臂31能够在竖直平面内旋转，以及能够沿水平方向移动；另一方面，滚珠轴套51摩擦损耗小，有利于提高摩擦系数测定的准确性。

本申请提供的实施例中，压力加载机构4的类型不唯一。

在一实施例中，如图1、图2和图3所示，压力加载机构4包括滑轮座41、滑轮42、拉绳43及砝码44，滑轮座41连接于机架1，滑轮42转动设于滑轮座41上，拉绳43的一端连接于摆臂31，并且绕过滑轮42后另一端连接于砝码44。

拉绳43连接于连接杆52的一端。具体地，可以在连接杆52的端部开设连接孔，并将拉绳43穿设于连接孔内；或者，还可直接将拉绳43捆绑或胶粘于连接杆52的端部。

砝码44的选择与测量件33的量程及待测样品摩擦系数的大概范围相关，在此不作具体限定。

采用上述设计，砝码44的重力可通过拉绳43及滑轮42转化为对摆臂31的拉力，并最终传递至摩擦球32，作为正压力施加于待测样品上，一方面，由于砝码44提供的正压力为非接触式力，对待测样品的转动及摩擦副间的作用不产生影响，从而有利于提高摩擦系数测定的准确性；另一方面，砝码44提供拉力为确定值，不会随着待测样品的结构、厚度等而改变，适用性高。

进一步地，如图1和图2所示，拉绳43包括水平延伸段和竖直延伸段，水平延伸段沿水平方向延伸且用于连接摆臂31，竖直延伸段沿竖直方向延伸且用于连接砝码44。

具体地，如图2和图3所示，连接杆52中心轴线与滑轮42外圆相切，如此能够使得连接于连接杆52处的拉绳43保持水平，从而砝码44的重力能够完全转化为拉力施加于摆臂31上。

采用上述设计，能够提高正压力取值的准确性，从而有利于进一步提高摩擦系数测定的准确性。

需要说明的是，在一些实施例中，在滑轮42、滚珠轴套51等位置处，可能存在一定的摩擦损耗，此部分摩擦损耗可通过实验取值，最终以系数形式并入计算公式内。例如，理想情况下，μ=F/N

在一实施例中，如图6所示，压力加载机构4包括弹簧45和连接绳46，弹簧45与连接绳46沿水平方向设于机架1上，连接绳46的一端连接于弹簧45，另一端连接于摆臂31，并且连接绳46张紧。

弹簧45提供一数值确定的拉力F

弹簧45及连接绳46高度与连接杆52中心轴线高度一致。

采用上述设计，压力加载机构4结构简单，摩擦测量装置100加工制造方便。

可以理解，在一些实施例中，如图7所示，弹簧45还可直接连接于连接杆52，具体可根据实际情况进行设计，在此不作限定。

本申请提供的实施例中，机架1用于安装固定各组件，其具体结构不作限定，以及为减小摩擦测量装置100损坏风险，如图1、图2和图6所示，还可设计保护外壳11结构，以为测量件33等结构提供保护。

综上，本申请提供摩擦测量装置100，通过改进驱动组件结构，能够实现待测样品的竖直安装固定，以及能够在待测样品竖直设置的状态下测定待测样品的摩擦特性，适用于待测样品无法水平放置的特殊情形；以及，通过改进检测机构3及压力加载机构4的结构，能够消除测量装置自身重力对正压力取值的影响，有效提高摩擦系数测定的准确性。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。