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专利摘要

本发明公开了一种基于能量耗散的滚动摩擦测试装置及测定方法。其中该装置包括两转动自由度组件、平衡杠杆组件、样品台组件、弹簧和角度测量单元，两转动自由度组件包括相互垂直的水平转动轴和俯仰转动轴；平衡杠杆组件的平衡杠杆可俯仰转动地与俯仰转动轴相连，从而使得平衡杠杆组件可绕俯仰转动轴进行俯仰转动以及可与水平转动轴同步进行水平转动；第一平衡调节件和第二平衡调节件分别单独用于调节平衡杠杆处于水平状态；滚子用于放置在上试样和下试样之间；两根弹簧对称分布于平衡杠杆组件的相对两侧；角度测量单元与水平转动轴相连。本发明实现了对单个滚子与刚性平面之间的滚动摩擦的测定，可以精确测量0.0001cm量级的微小滚动摩擦系数。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202111101154.6
申请日期:
2021-09-18
专利申请人:
清华大学
分类号:
G01N19/02
发明/设计人:
田煜，李新新，李小松，李绿洲，孟永钢
权利要求: 1.一种基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，包括：底板；两转动自由度组件，所述两转动自由度组件安装在所述底板上，包括相互垂直的水平转动轴和俯仰转动轴；平衡杠杆组件，所述平衡杠杆组件位于所述底板的上方且包括平衡杠杆、加载砝码、第一平衡调节件和第二平衡调节件；所述平衡杠杆可俯仰转动地与所述俯仰转动轴相连，从而使得所述平衡杠杆组件可绕所述俯仰转动轴进行俯仰转动以及可与所述水平转动轴同步进行水平转动；所述加载砝码用于安放在所述平衡杠杆的一端上；所述第一平衡调节件和第二平衡调节件分别单独用于调节所述平衡杠杆处于水平状态；样品台组件，所述样品台组件包括样品台和滚动摩擦副；所述样品台安装在所述底板上且位于所述平衡杠杆的一端下方；所述滚动摩擦副包括上试样、下试样和滚子，所述上试样和所述下试样用于分别对应地安装在所述平衡杠杆的一端和所述样品台上，所述滚子用于放置在所述上试样和所述下试样之间；弹簧，所述弹簧有两根，两根所述弹簧对称分布于所述平衡杠杆组件的相对两侧，所述弹簧的一端分别与所述平衡杠杆组件相连且另一端与所述底板相连；角度测量单元，所述角度测量单元与所述水平转动轴相连。2.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述两转动自由度组件还包括：支承座，所述支承座安装在所述底板上，所述水平转动轴可水平转动地安装在所述支承座上；十字连接座，所述十字连接座连接所述俯仰转动轴和所述水平转动轴。3.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述平衡杠杆的一端上设置有第一螺杆，所述加载砝码用于通过螺纹配合安放在所述第一螺杆上。4.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述平衡杠杆的另一端上设置有第二螺杆，所述第一平衡调节件为配重块，所述配重块用于通过螺纹配合安放在所述第二螺杆上。5.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述第二平衡调节件包括张紧绳固定端和张紧绳，所述张紧绳固定端的下端与所述水平转动轴的上端相连，所述张紧绳的两端分别与所述张紧绳固定端的上端和所述平衡杠杆相连。6.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述滚动摩擦副组件可根据实验需要自由更换。7.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述样品台高度可调。8.根据权利要求1所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，其特征在于，所述弹簧为拉簧，所述拉簧具有拉伸量。9.一种基于能量耗散的滚动摩擦测试装置的测定方法，其特征在于，所述基于能量耗散的滚动摩擦测试装置为根据权利要求1-8中任意一项所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置，所述测定方法包括如下步骤：S1：将所述滚动摩擦副的所述上试样和所述下试样分别安装在所述平衡杠杆的一端和所述样品台上，调节所述第一平衡调节件以使所述平衡杠杆处于水平状态；S2：在所述平衡杠杆的一端上安放所述加载砝码，调节所述第二平衡调节件以使所述平衡杠杆再次处于水平状态；S3：将所述平衡杠杆组件水平偏转至指定角度后释放，直至所述平衡杠杆组件静止，由所述角度测量单元记录未放置所述滚子时的数据，并根据所述未放置所述滚子时的数据得到的第一角度曲线计算出未放置所述滚子时系统阻力矩M0；S4：将所述滚子置入所述上试样和所述下试样之间，取消所述第二平衡调节件的调节，所述平衡杠杆仍然处于水平状态，此时所述滚子受到的载荷为所述加载砝码的重量载荷，重复所述步骤S3的动作，由所述角度测量单元记录放置所述滚子时的数据，并根据所述放置所述滚子时的数据得到的第二角度曲线计算出包括滚子滚动摩擦在内的系统阻力矩M1；S5：计算所述滚子滚动摩擦带来的阻力矩M滚动，M滚动＝M1-M0，进而求得滚动摩擦系数k滚动。10.根据权利要求9所述的基于能量耗散的滚动摩擦测试装置的测定方法，其特征在于，所述未放置所述滚子时系统阻力矩M0、所述包括滚子滚动摩擦在内的系统阻力矩M1依据如下计算方法分别得到：考虑到系统阻力矩微分方程为：其中，J为系统的相对于所述水平转动轴的转动惯量；k为弹簧系数，k＝k1+k2，k1和k2为对称布置的两根弹簧的刚度系数；a为所述弹簧距所述水平转动轴的距离；M为系统摩擦转矩常数项；D为速度相关阻尼系数；θ、为所述平衡杠杆的角度位移、角速度和角加速度；为符号函数，代表所述平衡杠杆的转动方向，逆时针为1，顺时针为-1；由测得的角度曲线求导依次获得曲线，将所有的点集代入上述微分方程中，由最小二乘法可以拟合得到M，D和J的值；由上述的M和D两个参数，经过积分平均后可以获得其中，t、T均代表时间；因此，由所述第一角度曲线可以获得所述未放置所述滚子时系统阻力矩由所述第二角度曲线可以获得所述包括滚子滚动摩擦在内的系统阻力矩所述滚动摩擦系数k滚动的计算方法如下：k滚动＝dM滚动/lFN；其中，FN为所述加载砝码的重量；d为所述滚子的直径；l为所述滚子中心距所述水平转动轴的距离。