微摩擦力测量机构的研制

　　一、概论

　　为研究零件的摩擦和润滑性能,通常需要测量润滑膜厚度、摩擦系数、磨损量等,其中摩擦力或摩擦系数是最受关注的一个参数。通常的测量设备有环块销盘摩擦力仪、SRV磨损测量仪、四球磨损测量仪等。这些仪器主要适用于典型零件试样的宏观摩擦研究,所加的载荷与所测量的力通常为几个到几百个牛顿。虽然,目前的一些微观测量仪如AFM、FFM等可以测量纳米量级的摩擦力,但它们只能测量局部几个分子的特性,不能反映零件工作时的整体特性,因此不能满足实际摩擦系数测量的需要。同时,上述测量仪器只能测量滑动磨损,不能测量滚动下的摩擦力。目前,摩擦学的研究不断向薄膜方向发展,润滑膜厚度的测量已经达到了纳米量级,但微摩擦力测量还不尽如人意。发展微摩擦力测量机构是实际研究的需要。

　　在弹流或薄膜润滑条件下微摩擦测试中,一般工作载荷都较大,对测量机构的刚度有较高的要求。然而,由于润滑剂形成的润滑膜很薄,实际的摩擦力却很小,通常在mN的量级上。对这样大小的摩擦力的测量而言,若采用传统的应力应变传感方式要测量到mN级的力,不能简单地将原有的测量机构的刚度和结构尺寸简单地减小。因为,这可能无法使测试机达到足够的强度。对于强度和精度之间的矛盾,本文通过对测试机构结构刚度进行分析和设计,采用垂直薄壁梁结构,并利用应力应变传感的方式研制成功了可用于微摩擦力的测试机构。该机构具有测力精度高、测量载荷范围大等特点。

　　二、测试机构的总体设计

　　1.测试机构的方案设计　在测试机构中,采用杠杆浮动加载的方式。该加载方式有自适应性,即使被测表面有高低起伏,杠杆臂也会随着起伏,而不会改变载荷的大小。球盘滚动弹流润滑的试验受力如图1。

　　滚动弹流润滑的摩擦系数很小,杠杆梁在X向的受力f远比Y向的受力F要小。如果考虑选用图2所示的薄片梁作为测力臂,在Y方向承受载荷F,在X方向承受微摩擦力f。由于它在X方向的刚度远小于Y方向的刚度,可在f作用下产生一较大的应变以满足测试的要求。因此,选用薄片梁代替原来粗大的杠杆的一端作为测力臂。测力臂可以选择单臂型,也可以选择两平行梁作为一组来测量横向摩擦力。考虑到薄片梁容易失稳如图2所示,故优先选择双梁来测量横向力,而且每个梁正、反面可以贴两片应变片,组成全桥回路。

　　根据实验的需要,还在测试机构中设计了油杯,油杯支架和升降台等。测试机构示意图如图3所示。

　　2.测试机构的结构设计　在测试机构中,测力臂是关键环节,其结构尺寸直接影响到测试的精度。测力臂可选用薄钢带直接按尺寸切割加工而成。从理论分析可知,测力臂的宽度越小、长度越长、高度越小,则测试精度越高。但是,当宽度过小和长度过长时,臂的稳定性将变差。这里选用宽度h=0.3mm的钢带。由于受原实验台结构的限制,臂的长度l取为200mm。测力臂的高度b需要通过计算确定,高度越小,测试精度越高,但承载能力也越小。