弹性悬臂梁摩擦力测量机构的设计

　　机械设备中的摩擦学问题已经引起工程界越来越多的重视。在进行摩擦学相关的摩擦、磨损和润滑的测试中,摩擦磨损试验机是必不可少的设备。它们最重要的任务之一是测量摩擦力。设计时,涉及测量原理、机构的选择及设计计算等一系列问题。文献[1]采用Kistler三向压电力传感器同时测量正压力和摩擦力,造价昂贵,温度不高时效果比较理想,但由于压电传感器的特性,不适用于温度大于100℃工况。文献[2,3]采用自己粘贴电阻应变片,测量杆或梁的变形,换算出摩擦力。作者最近设计了一台模拟发动机缸套/活塞环运动的一套试验设备,进行相关的失效研究,其中采用了弹性悬臂梁配合力传感器进行摩擦力测试。本文先从理论上推导摩擦力测试公式,再介绍用有限元技术分析梁变形,确定梁的截面形状,最后给出试验结果。

　　1　自制摩擦试验机功能简介

　　我们研制的试验机用来模拟发动机缸套/活塞环摩擦副之间的摩擦、磨损相关的胶合失效等现象,涉及温度、润滑、材料特性等因素的综合影响。采用上试样(活塞环)固定和下试样(缸套)往复运动的形式,往复运动由变频调速电机拖动冲程为50 mm的单缸发动机来提供,文献[4]也采用类似的运动转换机构研究缸套/活塞环的胶合失效问题。单缸机活塞推动直线导轨上的滑块,滑块上装有加热器和试样台,缸套试样切割成条状固定在试样台上。一段活塞环试样装在夹具上,由步进电机带动丝杠压缩弹簧把载荷施加到活塞环夹具上。试验机安装有测量载荷和摩擦力的电阻应变式力传感器和测量下试样位移的位移传感器,并配置了具有30段曲线功能的温控仪,编制了通讯控制和采样程序。试验机行程固定为50 mm,下试样往复频率2 Hz~10 Hz,载荷0~500 N连续可调,要求最高加热温度为300℃。图1是试验机主体部分照片。

　　2　摩擦力测量机构的设计

　　摩擦力的测量是一台研究摩擦学性能的试验机的最重要的一个部分。基本运动形式采用上试样固定,下试样往复运动的方式,同时,下试样及相邻零件工作在高温状态,所以传感器必须远离热区。摩擦力的测量采用如图2 的结构方案,其中弹性臂1前端既与上试样夹具5固定, 又通过刚性杆与应变式拉压力传感器2相连,完成摩擦力的测量。悬臂梁也承担了部分摩擦力。悬臂梁的刚度越大,分担的力也越大,传感器的输出就会减小,灵敏度则降低。但是如果悬臂梁弹性太大,起不到固定试样的目的,因此需要进行适当的设计计算确定梁的刚度。

　　2.1　理论推导

　　2.1.1　悬臂梁受集中力作用时的挠度

　　如图3(a)所示,设等截面悬臂梁,在端部A点作用一垂直于梁的力F,点A到梁根部B的距离为L,则由材料力学知,A点的挠度