一种角接触球轴承角刚度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及角接触球轴承刚度测试技术领域，尤其涉及一种角接触球轴承角刚度测量装置及测量方法。

背景技术

众所周知，轴承是现代机械设备中应用比较广泛的部件之一，用以支撑轴以及轴上零件，减少运动副之间的摩擦和磨损。轴承的刚度是影响轴承动态特性的主要因素之一，其刚度特性会直接影响到主轴整体性能，对机械加工造成很大的影响。

轴承的刚度主要包括轴向刚度、径向刚度及角刚度。目前对角接触球轴承刚度的测量多集中在径向刚度和轴向刚度，这两项指标评价了轴承沿X方向和Y方向的位置稳定性，而角刚度用于描述沿轴线方向抵抗偏摆的能力，可以评价转子的姿态稳定性。但目前对角接触球轴承角刚度的测量方法较少。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种角接触球轴承角刚度测量装置及测量方法，该装置可精确测量角接触球轴承的角刚度，并具有结构简单、可靠性强的优点。

本发明采用的技术方案是：一种角接触球轴承角刚度测量装置，包括底座和设置在底座上的轴承固定装置、测量装置以及弯矩加载装置；

所述的轴承固定装置包括一主轴组件，通过主轴组件中的主轴和设置在底座上圆柱孔对待检测角接触球轴承的内外圈进行固定；

所述的弯矩加载装置包括一直线驱动机构和加载杆，所述直线驱动机构的输出端通过传动组件与加载杆连接，加载杆的一端与主轴组件中的主轴相接触并将直线驱动机构输出的径向加载力施加在主轴上，所述的弯矩加载装置中还包括一用于实时测量径向加载力大小的力传感器；

所述的测量装置包括分布在待检测角接触球轴承上方和下方的上位移传感器和下位移传感器，所述上位移传感器和下位移传感器的检测端分别用于检测并反馈对应高度的主轴径向位移的变化量。

进一步优化，所述的主轴组件包括主轴、用于安装主轴的轴承组件和固定导轨，所述主轴通过轴承组件设置在固定导轨中的滑块上。

进一步优化，所述的轴承组件为调心轴承和调心轴承座，所述主轴通过调心轴承安装在调心轴承座内。

进一步优化，所述的弯矩加载装置包括直线驱动机构、传动组件、力传感器和加载杆，所述直线驱动机构的输出端依次通过传动组件、力传感器和加载杆相连接。

进一步优化，所述的直线驱动机构为伺服电缸，所述伺服电缸通过垫板以及加载导轨设置在底座上。

进一步优化，所述的传动组件包括第一连接器、弹性元件和第二连接器，直线驱动机构的输出端依次通过第一连接器、弹性元件以及第二连接器与力传感器相连接，并将径向加载力传递给加载杆上。

进一步优化，所述的第一连接器、弹性元件、第二连接器和力传感器通过滑台设置在底座上。

进一步优化，所述的弹性元件为弹簧。

进一步优化，所述测量装置，其中上位移传感器通过上传感器支架和上传感器导轨设置在底座上，下位移传感器通过下传感器支架和下传感器导轨设置在底座上。

利用上述装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、将待检测的角接触球轴承通过竖直设置主轴和设置在底座上的圆柱孔进行固定，固定后，将上位移传感器和下位移传感器的检测端分布在待检测角接触球轴承的上方和下方，其中设定：上位移传感器的检测点到待检测角接触球轴承径向中心平面的距离为X

S2、通过直线驱动机构对主轴输出径向加载力，其中力作用点到待检测角接触球轴承径向中心平面的距离为X1，输出一定的径向加载力后，使角接触球轴承沿着轴线方向产生一个偏摆角，同时上位移传感器和下位移传感器分别获得主轴的径向位移的变化值为Y

本发明的有益效果是：

其一、本方案通过优化设计，将轴承固定装置、测量装置以及弯矩加载装置整体构成对角接触球轴承的角刚度进行测量的装置，可精确测量角接触球轴承的角刚度，同时还具有结构简单，可靠性较强的优点；具体分析如下：其中、采用的轴承固定装置中，用于固定待检测轴承内圈的主轴通过调心轴承和调心轴承座设置在固定导轨上，当施加径向力后，主轴下端会连同调心轴承、调心轴承座一起沿固定导轨微量移动，避免影响主轴的偏摆，可有效保证测量结果的准确性。

其二、本方案中，弯矩加载装置中，用于传递径向加载力的传动组件包含第一连接器、弹簧、第二连接器以及力传感器，直线驱动机构输出的径向力依次通过上述组件进行传递，弹簧可保证施加的径向力变化平稳，力传感器可以实时测量径向加载力的大小，径向加载力的测量值一方面可实时送入计算机中进行处理，另一方面可反馈至弯矩加载装置，方便实时调整径向加载力的大小。

其三、本方案中，轴承固定装置、测量装置以及弯矩加载装置均设有可调整位置的导轨组件，可实现上述装置在底座上位置的调整，方便检测后角接触球轴承的拆装。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的测量方法的原理示意图。

附图标记：1、底座，2、弯矩加载装置,201、加载导轨，202、垫板，203、直线驱动机构，204、第一连接器，205、弹性元件，206、第二连接器,207、力传感器，208、滑台，209、加载杆，3、待检测角接触球轴承，4、测量装置、401、上位移传感器，402、上传感器支架，403、上传感器导轨，404、下位移传感器,405、下传感器支架，406、下传感器导轨，5、主轴组件，501、主轴，502、调心轴承，503、调心轴承座，504、固定导轨。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。

需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他元件或者物件。

一种角接触球轴承角刚度测量装置，包括底座1和设置在底座1上的轴承固定装置、测量装置4以及弯矩加载装置3；

所述的轴承固定装置包括一主轴组件5，通过主轴组件5中的主轴501和设置在底座1上圆柱孔对待检测角接触球轴承3的内外圈进行固定；

所述的弯矩加载装置2包括一直线驱动机构203和加载杆209，所述直线驱动机构203的输出端通过传动组件与加载杆209连接，加载杆209的一端与主轴组件中的主轴501相接触并将直线驱动机构输出的径向加载力施加在主轴上，所述的弯矩加载装置中还包括一用于实时测量径向加载力大小的力传感器207，力传感器可以实时测量径向加载力的大小，径向加载力的测量值一方面可实时送入计算机中进行处理，另一方面可反馈至弯矩加载装置，方便实时调整径向加载力的大小；

所述的测量装置4包括分布在待检测角接触球轴承3上方和下方的上位移传感器401和下位移传感器404，所述上位移传感器401和下位移传感器404的检测端分别用于检测并反馈与其对应高度的主轴501径向位移的变化值。

利用上述装置对角接触球轴承的角刚度进行测量的方法，步骤如下：S1、将待检测的角接触球轴承通过竖直设置主轴和设置在底座上的圆柱孔进行固定，固定后，将上位移传感器和下位移传感器的检测端分布在待检测角接触球轴承的上方和下方，其中设定：上位移传感器的检测点到待检测角接触球轴承径向中心平面的距离为X

S2、通过直线驱动机构对主轴输出径向加载力，其中力作用点到待检测角接触球轴承径向中心平面的距离为X

需要说明的是：在布置上位移传感器和下位移传感器时，可将上位移传感器和下位移传感器分布在主轴的同一侧并与主轴相隔一定距离设置，保证上位移传感器和下位移传感器与主轴的间距相等。

本方案中，所述的主轴组件5包括主轴501、用于安装主轴的轴承组件和固定导轨504，所述主轴501通过轴承组件设置在固定导轨504中的滑块上，可通过滑块对主轴501的位置进行调整。所述的轴承组件为调心轴承502和调心轴承座503，所述主轴通过调心轴承安装在调心轴承座内。

本方案中，所述的弯矩加载装置包括直线驱动机构203、传动组件、力传感器207和加载杆209，所述直线驱动机构的输出端依次通过传动组件、力传感器和加载杆相连接；所述的直线驱动机构为伺服电缸，所述伺服电缸通过垫板以及加载导轨设置在底座上；所述的传动组件包括第一连接器204、弹性元件205和第二连接器206，直线驱动机构的输出端依次通过第一连接器204、弹性元件205以及第二连接器206与力传感器207相连接，并将径向加载力传递给加载杆209上；所述的第一连接器、弹性元件、第二连接器和力传感器通过滑台208设置在底座上。上述弹性元件可以采用弹簧。

本方案中，所述测量装置4，其中上位移传感器401通过上传感器支架402和上传感器导轨403设置在底座1上，下位移传感器404通过下传感器支架405和下传感器导轨406设置在底座上。

实施例1、

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图1-3，对本发明中各装置的组成部分进行详细描述：

如图所示，一种角接触球轴承角刚度测量装置，包括底座1、弯矩加载装置2、角接触球轴承3、测量装置4和主轴组件5。

弯矩加载装置2、角接触球轴承3、主轴固定装置5和测量装置4设置在底座1上。弯矩加载装置2包括加载导轨201、垫板202、伺服电缸203、第一连接器204、弹簧205、第二连接器206、力传感器207、滑台208和加载杆209。

在本实施例中，角接触球轴承角刚度测量装置通过弯矩加载装置2向主轴5施加径向力，径向力相对于待检测角接触球轴承3会产生一个弯矩，通过伺服电缸203实现加载，伺服电缸203的活塞杆通过第一连接器204和弹簧205连接，弹簧205保证施加的径向力变化平稳。弹簧205通过第二连接器206和力传感器207连接，力传感器207可以实时测量径向加载力的大小，径向加载力的测量值一方面可实时送入计算机中进行处理，另一方面可反馈至弯矩加载装置2，方便实时调整径向加载力的大小。加载杆209一端加工有外螺纹，与力传感器207上的螺纹孔连接，加载杆209与主轴501连接，从而把径向力施加到主轴501上。第一连接器204、弹簧205、第二连接器206和力传感207器放置在滑台208上，可实现前后移动。

需要说明的是：为了方便加载杆209将径向加载力传递给主轴上，可以在主轴上端部分加工出一个平面，方便加载杆的端部顶紧在主轴的平面上。

伺服电缸203经垫板202与加载导轨201滑块连接，加载导轨201经螺栓固定在底座1上。垫板202上开有四个长条孔，测量时，经螺栓把伺服电缸203固定在底座1上；测量结束时拧松螺栓，伺服电缸203可以在加载导轨201上延长条孔向后滑动，不干涉待检测角接触球轴承3的拆装。

测量装置4包括上传感器导轨403、下传感器导轨406、上传感器支架402、下传感器支架405、上位移传感器401和下位移传感器404。

在本实施例中，上位移传感器401和下位移传感器404分别用来测量主轴501上下径向位移的变化。把上位移传感器401和下位移传感器404分别放置在上传感器支架402和下传感器支架405上，上传感器支架402和下传感器支架405经螺栓分别固定在上传感器导轨403滑块和下传感器导轨406滑块上，上传感器导轨403和下传感器导轨406分别经螺栓固定在底座1上。测量结束后，上位移传感器401和下位移传感器404分别随着上传感器导轨403和下传感器导轨406向后移动，防止干涉角接触球轴承3的拆装。

主轴组件5包括主轴501、调心轴承502、调心轴承座503和固定导轨504。

在本实施例中，主轴501的下端由调心轴承502支撑，调心轴承502的外圈由调心轴承座503固定，调心轴承座503利用螺栓和水平放置的固定导轨504滑块固定在一起，固定导轨504固定在底座1上。施加径向力后，主轴501会产生偏摆，主轴501下端会连同调心轴承502、调心轴承座503一起沿固定导轨504微量移动，避免影响主轴501的偏摆，保证测量结果的准确性。

具体实施过程如下：将待检测角接触球轴承3套设在主轴501上，其外圈固定在底座的圆柱孔内，固定后，控制伺服电缸对主轴501距离径向平面X

具体测量方法如下：如图3所示，力传感器208测得施加的径向力F,力作用点到角接触球轴承3径向中心平面的距离X

由上述公式(1)和公式(2)可求出待检测角接触球轴承3角刚度的值K。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。