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1、 延 边 大 学 本科毕业设计说明书本科毕业设计题 目： 姓 名：学 院：工学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级：指导老师：二一三年 六月摘 要微振摩擦发生在两接触表面之间有极小振幅运动的情况下。微振摩擦不仅可以导致接触表面间的摩擦磨损，而且会加速裂纹的产生和扩展，最终使得构件的疲劳寿命大大降低。目前，工业领域中因微振摩擦而造成的损伤相当普遍。因此，深入开展微振摩擦学的研究，对预防和控制工业微动损伤有重要的指导意义，且具有广阔的工程应用前景。而且在机械工程及其相关领域不断发展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏观转向微观发展，所以对微振磨损试验机的设计和深入研究有利于在实际的工程生产中正确的选
2、择材料，避免了一些不必要的浪费。本文概述了微振摩擦磨损试验机的发展概况、分类、特点等，并简要分析了验机的要求明细表、功能结构图。该试验机性能稳定，测试系统准确可靠,且试验数据充分。关键词：微振摩擦；位移缩小机构；弹性梁；试验机AbstractFretting occurs on the contact surface between two components which are placed in a small amplitude vibration circumstance. Fretting wear is one of the most important phenomena fo
3、r inducing a dramatic reduction of fatigue strength. The damage induced by fretting is very common in industry and possible catastrophic consequence occurs. Thus, studies on fretting wear not only have science significance of exploring the unknown, but also show a broad prospect of engineering appli
4、cation in many fields, which have important guidance to palliate fretting damages in industry. And with the development of mechanical engineering and the related fields, the tribology research is turning macroscopic development to microscopic development. So the design and researches on fretting tes
5、ting machine are useful for choosing the right materials in the actual engineering production that avoids some unnecessary waste.The paper mainly introduces the development situation, classification, and characteristics of fretting testing machine and briefly analyzes its request in details and func
6、tion structure chart. The apparatus has stable performance, accurate and reliable testing system and the testing data is sufficient.Keywords: fretting wear, displacement narrow institutions, elastic beam, testing machine目录摘 要1Abstract2目录3引 言5第一章 绪论61.1 论文的研究背景61.2 微振摩擦磨损试验机的研究现状7第二章 微振摩擦磨损试验机简介92.1主
7、要用途与适用范围92.2主要技术规格、技术参数和技术指标92.3工作条件102.4试验机结构及工作原理102.4.1 试验机结构102.4.2 工作原理：（参看图1：工作原理图）102.4.3 主轴及往复运动系统112.4.4 位移缩小机构系统112.4.5 摩擦副及摩擦力测量系统122.4.6测力传感器的选择132.4.7测力传感器的设计14第三章 摩擦磨损实验机设计准则153.1 实验机的材料性能153.2 实验机性能153.2.1试件接触形式和运动状态153.2.2 调节试件的能力163.3 实验机的设计和选择原则163.3.1首先确定磨损类型173.3.2磨损试件的接触条件和运动形式要
8、与实际零件工作情况相同173.4 经济性17第四章 试验条件因素18第五章 微振摩擦磨损实验机的主体结构设计195.1 驱动部分195.2 传动部分205.3 摩擦磨损测试组件部分225.3.1 弹性梁的设计225.3.2 弹性梁夹具设计235.4 试件夹具的设计245.4.1平面试件的夹具245.4.2球试件的夹具255.5箱体设计265.5.1设计方法265.5.2箱体主要结构参数的选择265.6 实验参数的选择265.6.1 实验时间275.6.2 实验载荷和偏心轮的转速275.6.3实验次数275.6.4控制试件摩擦表面所处的状态275.7 摩擦磨损的计算方法275.7.1磨损量的计算
9、275.7.2摩擦系数的计算285.8 试验机整体结构28第六章 结论29参考文献30谢 辞31引 言随着科学技术的发展，现代金属材料的应用范围日益宽广，使用条件日益苛刻，不仅要求宏观上的性能指标，而且对微观上的要求也十分严格，因而本设计就是研究材料在微动工况下的摩擦磨损的性能，来方便工程人员合理的选材，避免造成不必要的浪费。所以微动摩擦磨损试验机就能够检测出在微动情况下材料抵抗摩擦磨损的能力。本设计旨在综合已有研究成果的基础上，设计一种使用方法简单、结构合理，并且符合标准试验法要求的微动摩擦磨损试验机，以便在某些特殊情况下自行设计、制造及改装使用。在设计和研制过程中，遵循了试验机设计和选择原
10、则，并严格按照机械设计的设计步骤进行设计，突出体现了简捷、精确的特点。在学习、体会、忙碌与运用中，我的毕业设计结束了，我的学生生涯也要随之逝去。我已经做了自己最大努力去完成设计，但我知道仍然还有许多不足之处，希望各位老师批评并指正。第一章 绪论1.1 论文的研究背景微动是指在一个振动环境下，发生在近似紧配合的接触表面之间的微米量级振幅的运动。微动现象由于没有宏观的相对运动，因此从设计到失效分析几乎未引起相关学者的重视。但是，微动摩擦不仅可以造成接触表面间的摩擦磨损，引起构件咬合、松动或形成污染源等等，而且可以加速裂纹的萌生、扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。在许多工业重要部门，微动已成为一些配合
11、零部件失效的主要原因之一。微动摩擦研究中，存在着许多形式不一和研究对象不一的微动试验设备，从获得微动位移幅度和交变应力的动力源的角度看，目前微动摩擦磨损试验机可以分为以下三类：机械式、电磁式和电液伺服式。采用以上3种驱动方式的微动试验机在实际应用中均存在不利因素，例如，机械式：自动化程度低、精度差；电磁式：振幅不高、激振力小；电液伺服式：体积大、成本高等。在机械工程及其相关领域不断发展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏观转向微观，其试验也向着微观领域和动态测试方面发展。由于现有微动摩擦磨损试验机均存在自身的不利因素，使得微动摩擦学的研究受到了一定限制。因此，以微动摩擦磨损试验的目的和基本方法为基
12、础，结合现代驱动技术、计算机技术、自动化技术和智能控制技术等设计开发新型微动摩擦磨损试验机，对深入开展微动摩擦磨损试验机及试验技术的研究有着重要意义。摩擦学是由多学科组成的综合研究领域，研究以机械学、表面科学与技术、摩擦学材料、摩擦化学为主，同时也涉及流体力学、固体力学、非线性动力学、工程热物理、流变学、应用数学、物理学、化学、材料科学、信息理论等一系到学术领域。摩擦学研究的任务是从机械学、材料科学与表面科学的角度出发，不断吸取相关学科的知识和最新研究成果，在更深的层次上揭示摩擦与润滑的实质，探索新原理、新功能，推动摩擦学设计和减摩抗磨损技术的发展，并努力在实际中应用，以达到节省能量、提高磨损
13、寿命和机械工作性能、解决极端工况条件下的摩擦、磨损、润滑问题的目的。1.2 微振摩擦磨损试验机的研究现状自1911年Eden首次报道微动这一现象以来，微振摩擦学的发展经历了90年，大致可分为4个阶段 1)微振摩擦学的建立(1911年40年代)1911年Eden等发现微动现象后，一直到1927年才又引起重视，Tomlinson首次专门设计设备对微动的过程进行研究，由于在他的试件上出现了红色a-Fc203氧化磨屑，因此他创造了“微动腐蚀”一词。此后，随研究的增多，人们又发现了微动疲劳现象，并注意到微动可以加速疲劳破坏，而且经常出现的微动和疲劳的联合作用才更危险，甚至可以使强度降低因子增至25或更大
14、。2)微振摩擦学早期理论的建立(40年代末60年代末和70年代初)1949年Mindlin提出了在一定条件下微动接触区存在滑移区和粘着区，并最早计算了接触应力分布，这标志着微动摩擦学的研究进入了一个新阶段。随战后现代工业的发展，微动损伤的危害日益突出，相关研究迅速增加。50年代初在美国Philadelphia召开了首届微动摩擦学会议并出版了第一本文集，这一时期Feng和Rightmire，tnaigh等提出了不同的微动磨损理论。1969年Nishioka等提出了一种早期的微动疲劳模型，1970年Hurriek在他的一篇综述论文中将微动分为3个过程，1972年Waterhouse发表了首部有关微
15、动的专著FrettingCorrosion)。3)微振摩擦学的重要发展阶段(70年代80年代)进入70年代以后，新学科之间的相互交叉和科学技术的迅速发展，微动摩擦学也得到了迅猛的发展。新的学术思想不断地引入微动摩擦学的研究，例如，Hoeppncr，Endo和Goto等将断裂力学方法引入微动疲劳的研究，Waterhouse等人将Suh的大位移滑动磨损的剥层理论引入微动磨损的研究。随着分析方法和测试技术的不断发展，一些新的理论模型被先后提出，如80年代末Berthier、Vincent和Godet提出了微动运动调节理论，Godet提出了微动的三体理论等。4)微振摩擦学的崭新发展阶段(上世纪90年代
16、以来)上世纪90年代以来，微动摩擦学的研究日趋活跃，研究论文迅猛增加，国际交流频繁，在新材料、复合材料、表面工程、润滑、新型接触方式、计算机模拟、高新技术领域的应用等方面都取得了显著进展。Zhou和Vincent提出的二类微动图理论，揭示了微动运行机制和损伤机制之间的内在规律，为微动摩擦学的研究提供了有效工具，是近十年来微动摩擦学的重要进展之一。根据文献研究可知，近二十年来微动摩擦学学科的发展状况和未来趋势主要可以概括为6个方面：(1)基础研究从简单的工业微动破坏现象观察、单一试验参数影响、平移微动模式分别走向破坏机理试验分析、综合机械与材料，如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构和力学性
17、能等参数的影响、其它如径向、滚动、扭动、冲击等微动模式的微动特性研究。Zhou和Vincent在大量不同参数和材料的试验基础上，建立的二类微动图理论是最具代表性的进展。(2)理论分析一理论分析不再局限于Hertz弹性接触理论，借助于大型计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法和能量分析等研究手段，模拟微动的运行和破坏过程已成为微动摩擦学理论研究的重要特型31。例如，Hill等和Dang van等在微动疲劳力学计算方面对裂纹的起源和扩展等进行了大量研究；Fouvry、Kapsa和Vmcent等发展了一种利用耗散能方法分析微动滑动的过程口。(3)新材料过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合
18、金，现在已有不少研究者开始致力于各种新材料，如高分子材料、金属基复合材料、高分子基复合材料、连续纤维复合材料、先进陶瓷材料、粉末冶金材料、机械合金化材料、金属间化合物等几乎所有热门的材料研究领域的微动损伤规律的研究，而且研究数量呈迅速增加的趋势。(4)环境影响由于现代科技发展的需要，工程构件的工况条件越来越苛刻，微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之外，诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也得到积极开展。(5)防护措施对微动破坏机理的研究正在向机理与抗微动破坏研究并重的阶段发展，各种减缓技术如表面处理、
19、润滑和机械结构设计改进等均有很大的进展，尤其是表面工程技术和润滑的研究受到了广泛的关注，并与工业应用密切结合。(6)工业应用早期微动破坏的研究主要集中在航空部门，其实微动同样存在于许多重要的工业部门。近年来，核电站i高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入、电接触等工业领域的微动损伤已日益成为研究热点。第二章 微振摩擦磨损试验机简介2.1 主要用途与适用范围该机主要是以机械式微动摩擦磨损试验机进行设计的，利用该试验机进行了微动摩擦磨损试验，分析了位移幅值、法向载荷、运动频率等基本参数对微动摩擦副间摩擦系数的影响；通过金相显微镜，考察了不同试验条件下试件表面的磨斑形貌，研究了切向微动的运行和损伤机理
20、。试验结果表明，试验数据和理论分析结果基本符。2.2 主要技术规格、技术参数和技术指标 序号项 目 名 称1模拟运动微振磨损2摩擦副形式球面摩擦3运动形式往复运动4试验力20120N5行程4mm13mm6主轴转速范围（无级可调）01000r/min7主轴转速误差5 r/min 8摩擦副温度控制范围室温25C9摩擦副温度控制误差2C10试验时间控制范围1秒99小时11介面介质无液体介质12外型尺寸459mm301mm331mm13净重约30kg14试验用钢球15mm 15试验机驱动偏心驱动2.3 工作条件1) 室温1035C范围内；2) 相对湿度不大于80%；3) 周围无震动，无腐蚀性介质和无较
21、强电磁场干扰的环境中；4)电源电压的波动范围不应超过额定电压的10%，频率的波动范围不应超过额定频率的2%，三相电压的不平衡电压不应超过10V；5) 在稳固的基础上正确安装，水平度不超过0.2/1000.2.4试验机结构及工作原理2.4.1 试验机结构该试验机主要由动力系统、加载系统、磨损测试组件和摩擦力测试组件组成。2.4.2 工作原理：（参看图1：工作原理图）图1 本系统通过电动机带动可调凸轮做旋转运动，凸轮带动连杆上下运动，再经三角形位移缩小机构将较小幅值的位移传递给导轨，导轨拖动平面试件夹具一同实现小幅的往复运动，球试件和平面试件在砝码重力作用下形成一对微动摩擦副，从而构成整个微动摩擦
22、磨损试验装置。弹性梁在摩擦力作用下产生变形，在小幅情况下，变形量与摩擦力成正比，利用在弹性梁上贴应变片的方法测量摩擦力，即通过弹性梁的变形而使贴在上面的应变片伸长或缩短，再通过动态应变仪将应变片电阻的变化转变为电压的变化，然后将电压信号乘以标定系数即为摩擦力。工作时，平面试件夹具体与导轨中需加注润滑油。为使试验机在高频情况下运动平稳、轻快，并具有较长的使用寿命，因而采用了精密直线导轨。2.4.3 主轴及往复运动系统本实验为微动摩擦磨损实验，所以电动机的转速不能过高，而且要求电动机的转速恒定，这样能减小振动，保证了实验结果的准确性。综合以上考虑，我选择了转速可调的伺服电机。并且采用凸轮连杆机构，
23、实现实验平台的往复运动，综上所述本试验机采用盘形凸轮机构将电机的回转运动转化成往复运动通过调节电机的转速从而改变往复速度采用带反馈的可调电机保证了电机转速恒定其转速可在580r/min之间连续自由调节 （如图2所示）图22.4.4 位移缩小机构系统微位移器根据工作原理可以分为六大类：机械传动、弹性变形、受热变形、磁致伸缩、电磁型、压电陶瓷。现将上述几类微位移机构的特点进行分析。（1）机械传动微位移机构机械传动式微位移机构在精密机械和仪器中应用广泛。其结构形式比较多，主要有螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等，以及它们之间的组合机构。机械传动式微位移机构存在间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等，
24、其运动灵敏度、精度很难达到微米级精度，故只适用于中等精度的微位移系统。（2）弹性变性微位移机构弹性缩小机构主要利用两个弹簧的刚度比进行位移缩小，该缩小机构的缺点是当微动台承受外力或部分摩擦力时，它将直接成为定位误差的因素，而且对于步进状态的输入位移，容易产生过渡性的振荡；杠杆式位移缩小机构是微动机构中常见的一种形式。这种机构虽然能够通过数级杠杆得到大的缩小比，但其定位精度易受末级杠杆回转支点和着力点的结构、加工精度的影响。（3）电热式微位移机构电热式微位移是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种机构结构简单，操作方便。但由于传动杆与周围介质之间有热交换，从而影响位移精度。由于热惯性的存在，不适于
25、高速位移。当隔热不合理时，相邻的零部件由于受热变形，以致影响整机的精度，这些原因限制了它的应用。（4）磁致伸缩微位移机构磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移的。但由于铁磁材料在磁场的作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸长，因此其应用受到了限制。（5）电磁铁驱动的微位移机构这种机构利用电磁原理，通过控制线圈中的电流大小来控制电磁力的大小，使具有弹性支承的工作台产生精密微位移。它的缺点是电磁铁中始终要通过一定的电流，结果由于发热而影响精度。此外这种机构的位移阶跃响应存在瞬间的振荡，灵敏度高时系统难于稳定。（6）压电陶瓷微位移机构压电电致伸缩陶瓷驱动的柔性支承
26、微位移机构是利用某些晶体的逆压电效应来工作的。它的特点是结构紧凑，体积很小，无机械摩擦，无间隙，具有很高的位移分辨率。使用压电或电致伸缩器件驱动，由于机电耦合效应进行的速度很快，来不及与外界热交换，因此不存在发热问题，同时没有噪声，适用于各种介质环境工作，是一种理想的微位移器。 综合以上考虑，在结合经济性的要求，本试验机采用机械传动微位移机构，三角形位移缩小机构，如上图所示的连杆机构。2.4.5 摩擦副及摩擦力测量系统该试验机主要是以球-面摩擦副来模拟工程中的摩擦磨损现象的，摩擦球通过夹具夹持在弹性梁上，通过与夹在导轨上的摩擦平面进行摩擦，产生的摩擦力使弹性梁变形，从而测出弹性梁的变形量，求出
27、摩擦力的大小。如图3所示图3作用在试件上的载荷Fn由砝码重力产生，为固定值，作用在摩擦副间的摩擦力为Ft，若两个试件间的摩擦系数为，则有：=Ft/Fn故只要预先确定加载砝码的重力，再测出传感器受力大小，即可计算出摩擦系数。2.4.6测力传感器的选择测力传感器的精度分辨力对测试仪器的性能至关重要并与测力方法密切相关微力测量方法常见有如下几种：(1) 力平衡法是用一个已知的力来平衡待测的未知力例如机械杠杆式测力计。(2) 光学反射法是一种广泛应用于微纳米测试仪器中测量方法由激光器发出的束红光经过光学透镜照射到一个对力非常敏感的背面带光滑镜面的微悬臂上激光经镜面反射后最终照射到四象限光敏检测器上微悬
28、臂与样品的接触导致微悬臂弯曲变形从而影响激光反射最终使照射到光敏检测器上的激光光斑位置发生移动光敏检测器将光斑位移信号转换成电信号从而得到作用在悬臂上力的大小。(3) 压电法利用晶体的压电效应将力转换成电荷并通过二次仪表转换成电压(4) 应变片法其原理是把检测力转变成弹性元件的应变再利用电阻应变效应将应变转化为电阻变化继而通过电桥进一步转换成电压信号从而间接地测出力的大小。(5) 位移法,是通过位移传感器间接测量力。上述方法中力平衡法精度较低不适合微摩擦测试，光学法具有最高的精度但是需要的投资较大，压电式测量法其缺点是仅适用于动态力的测量，电阻应变片法测试电路相对简单结构紧凑工作稳定其实践应用
29、也相当成熟虽然其分辨力无法与光学法相比但已能满足测试系统的精度要求。 2.4.7测力传感器的设计（1）综合上述分析本实验通过电阻应变片来间接测量摩擦力。力的测量基于应变片法将四个箔式应变片贴在弹性梁薄壁处如图4所示 图4（2）该试验机采用全桥电路来测量摩擦力，使用全桥回路一方面可提高传感器的灵敏度另一方面可消除温度影响实现温度自补偿。如图5所示图5第三章 摩擦磨损实验机设计准则3.1 实验机的材料性能实验摩擦副的材料要尽可能使实验的几何形状简单，容易制造。而且能够满足实验的刚度和强度要求，便与大批量生产，如钢球，环块或块状。3.2 实验机性能3.2.1试件接触形式和运动状态试件的接触形式和运动
30、状态要和实际零件工作情况相同，实际的工作零件可能出现的运动方式有滑动，滚动，滚动兼滑动，冲击，其中有连续运动和往复运动。接触形式分为只有一个设计表面和有两个设计表面。其中有点接触，面接触和线接触。不同的接触形式对摩擦磨损产生不同的影响，这里设计的两试件的接触为点接触，是滑动现象。摩擦副工作的环境因素对其摩擦磨损性能有显著影响。在和实际工作环境不同的情况下进行实验，常导致不正确的结果。本设计模拟无润滑时摩擦。如图6所示图6 3.2.2 调节试件的能力实验设备必须具有足够的机械稳定性，在摩擦磨损实验机上，测定摩擦系数时，由于机构内的摩阻，常常导致数值不稳定。实验机的精度不够，影响数据的正确性；寿命
31、短，影响实验的长期进行；有震动，使得测得的数据之间误差较大。试件的调节能力，对实验参数选择很重要。实验机应调节方便，实验结果的分散度很小，重复性很高，实验精度也就很高。为了简单，方便，而且能满足实验条件的要求，本实验机采用应变片通过测量弹性梁的变形来计算出摩擦力的大小，采用砝码实现法向载荷的加载，其结构如图7所示：图7 如上图中的调平螺母，试验开始前，首先使用螺母调整弹性梁的平衡，使法相载荷从零开始依次递增。3.3 实验机的设计和选择原则试验机的种类繁多，目前还没有标准化。模拟性的试验应根据实验目的和要求设计和选择。一般性的摩擦磨损试验机已倾向标准化，但看法不完全一致，一般必须遵守的基本原则如
32、下：3.3.1首先确定磨损类型这是设计和选择试验机的主要根据之一。按摩擦副表面磨损的过程分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和微动磨损等。微动摩擦试验机属于粘着磨损。3.3.2磨损试件的接触条件和运动形式要与实际零件工作情况相同实际的工作零件可能出现的运动形式有滑动、滚动、滚动兼滑动和冲击，其中有连续运动（如转动）和往复运动（大振幅和小振幅运动）。接触形式分为只有一个设计表面（如受液体或固体颗粒冲击的零件）和有两个设计表面。其中，有点接触、面接触和线接触。不同的接触形式对摩擦磨损产生不同的影响，必须仔细考虑。微动摩擦磨损试验机属于点接触，如上图6所示：3.4 经济性在分析设计高真空摩擦实验机的同时
33、，还必须要考虑各种零部件的造价，尽量在节约资金的同时，完成设计任务。试验机应调整方便，试验结果的分散度小，重复性好，试验精度高。第四章 试验条件因素1. 试样的表面性质：包括材料种类（化学成分及组织）、机械性能和表面光洁度，它们明显的影响磨损。2. 试样的形状和尺寸：它影响试样的接触型式和重迭系数，而且它们还对润滑状态、压力大小、相对运动速度以及磨损量等都有影响。有些试样试验机规定了试样的形状和尺寸。3. 试样中的固定件与运动件材料不同时，一般不宜倒转装配，特别是在干摩擦或固体润滑的情况下。4. 运动形式：试样相对运动所形成的滑动、滚动或复合摩擦形式不同，对润滑状态或破坏特征等都有影响。5.
34、速度：速度对磨损影响比较复杂，速度改变，摩擦系数一般发生变化；摩擦材料变形速度和接触区的温度也发生变化；甚至改变了磨损形式和润滑状态。6. 温度：温度与速度一样，对磨损影响同样是比较复杂的。温度升高到一定程度，材料的摩擦系数和磨损量都将变化；温度升高，润滑油的粘度下降，严重时甚至破坏油膜，改变润滑状态。7. 压力：压力改变，摩擦副的摩擦磨损特性随之改变，润滑状态也随之改变。8. 周围环境介质：周围环境的水汽、空气、灰尘以及其它气体的改变，对摩擦副材料和润滑材料都有影响。摩擦表面的状态控制不严，将引起摩擦磨损测量结果无规律的变化。因此，试验过程应防止摩擦表面被异物污染，防止微粒侵入，以及在装卸试
35、件时保证重装的位置精度。第五章 微振摩擦磨损实验机的主体结构设计5.1 驱动部分本实验机采用伺服电动机作为原动机，电机转速: n=1000r/min综合考虑电动机和传动装置的尺寸，重量，价格和减速器的传动比，选择转速为1000的电动机。 由于试验机要求速度可调且保证稳定精确，经过计算：首先设最大摩擦系数 =1，电动机速度控制在580r/min，最大偏心距离为9mm，承受最大法向载荷为120N。通过受力分析，可以计算出主轴的阻力矩，从而可以估算出电动机的功率。如下图6 Ft=Fn=120N T=3310.009=2.97NM 额定功率 P=Tw=25W图8参看机械设计手册这里选用电机110MB0
36、40A-001000示意图 如下：电机主要参数 如下：额定功率W转 速r/min电 压V频 率Hz额定电流A效 率20010005502.064功率因数cos堵转电流A堵转转矩Nm最大转矩Nm最小转矩Nm0.6662.22.41.4JD1A-11S（40S）电磁调速电动机装置配置的主要技术参数 如下：电源电压：220V 50Hz调速范围：01000r/min转速精度：1（注：在大于8A或小于12A的情况下，工作时间不得大于3小时）5.2 传动部分本实验机的传动部分采用凸轮连杆机构，并且传动机构需要具备位移缩小的功能，参考机械设计手册，采用三角形位移缩小机构来实现较小位移的传动如图9图9根据以往
37、的设计经验，初步选择连杆长度为128mm、64mm、64mm，偏心距e=10mm，经过计算得到滑块的最大位移为4mm。该试验机采用的是可调偏心轮，调整偏心轮的偏心距，就能改变摩擦面的往复运动距离，经设计偏心轮的偏心距为10-25mm，得到的往复移动距离为4mm-13mm。如图8偏心轮设计图10三角形位移缩胸机构的一端固定，另一端通过连接块与导轨连接，从而进行往复运动如上图2所示，偏心轮上的凹槽就是为调节偏心距所设计的。5.3 摩擦磨损测试组件部分5.3.1 弹性梁的设计摩擦力的值是通过测量弹性梁的变形间接获取的，因此弹性梁的设计至关重要。弹性梁的结构初步结构为，如图11所示。该结构为柔性铰链式
38、弹性梁。试验时，应变片贴在弹性梁的薄壁或瓶颈处。在摩擦力的作用下，弹性梁会产生弯曲变形，如果变形量相对于凸轮连杆的输出位移量过大，则无法保证摩擦副之间的相对位移量。为满足试验要求，保证试验机的可靠性及精确度，需要对弹性梁的结构进行优化，尽可能的减少弹性梁在摩擦力作用下弹性变形，柔性铰链式弹性结构梁在其瓶颈处应力分布均匀。由材料力学可知，均匀的应力分布产生均匀的变形，在变形分布均匀的情况下，可选择黏贴应变片的区域较大，并能采集到较稳定的信号，可保证试验数据准确可靠。综合以上的有限元计算结果分析和试验的要求，为保证试验机试验数据得可靠性，本文所述试验机采用铰链式结构弹性梁。图11 5.3.2 弹性
39、梁夹具设计在整机设计过程中，为保证弹性梁与阶梯轴之间没有相对滑动，采用了过盈配合连接方式。阶梯轴通过轴两端的深沟球轴承固定在支座上，如图12所示。考虑到在摩擦试验过程中，弹性梁用于测量摩擦副间的摩擦力，本设计由于弹性梁与支座连为一体，在摩擦力作用下支座同样会发生形变。因此为防止弹性梁及其支座在试验过程中因受摩擦力作用而产生较大变形，进而影响摩擦副间的相对位移量，所以由杠杆效应可知，弹性梁载荷施加处的位移量等于弹性梁自身的变形量与若干倍支座变形量的叠加。因此，严格控制支座的弹性变形将大大减小弹性梁载荷施加处的位移量，从而大大提高试验机的性能。图125.4 试件夹具的设计5.4.1平面试件的夹具本
40、实验的平面实验材料为45号钢，如图13图13 根据实验材料设计夹具如下图14中的夹具盖板用来加紧试件，防止试件在实验过程中发生松动，影响实验结果，试件下边的顶块用来实现平面试件底部的支撑，从而防止平面试件在法向载荷作用下产生的弯曲变形对整个微动运动过程的影响。图14 5.4.2球试件的夹具球试样为直径为15毫米的45滚珠轴承钢；，球试件夹具设计为螺旋加紧装置，使用圆螺母加紧试件从而进行试验摩擦，如图15。图15图13中的球试件夹具和夹紧装置是螺纹连接的，用螺纹旋紧 加紧球试件，防止球试件在实验时滑动，并且夹具是通过紧定螺钉固定在弹性梁上，通过调整夹具柄的高度来调整球试件和平面试件的垂直距离。5
41、.5箱体设计5.5.1设计方法箱体的结构设计通常采用结构包容法，即根据箱体内部零件尺寸和它们之间的相互关系，采用包容的方法来构造箱体的结构形状及确定其结构尺寸。与此同时，还应考虑外部有关零部件对箱体和尺寸的要求。然后从美学角度进行修正。5.5.2箱体主要结构参数的选择箱体的一些结构参数，如壁厚、凸台及孔等对箱体的工作能力、材料消耗、质量及成本影响很大，设计时须处理好。壁厚、凸台的布置和尺寸的确定可采用类比法，对同类产品进行比较，并参照设计手册等资料提供的经验数据及设计者的经验。本试验机为小型摩擦磨损试验机，设计的机座质量较大，以减少试验时震动对实验数据的影响。箱体用于安装电动机，承载试验装置以
42、及在其表面附带线路控制板。其大小尺寸参考试验仪器及使用方便而定。 用于安装电动机，承载试验装置以及在其表面附带线路控制板。其具体尺寸参考试验仪器及使用方便而定。如下图16所示图165.6 实验参数的选择影响摩擦磨损的因素很多，很复杂。温度、速度、压力、摩擦表面的性质、尺寸和形状，试验时间、周围环境、润滑方式等对摩擦磨损都有很大影响，而且对不同的摩擦磨损类型影响的规律也不同。所以，必须按实验目的要求仔细分析，哪些因素是次要的，可在一定范围内变化。试验过程中必须严格控制影响试验结果重复性的那些参数，并精确地保证在重复试验时摩擦条件恒定不变。5.6.1 实验时间选定合适的试验机后，试验时间要认真选取
43、。应先作出时间与磨损的关系曲线，作为正确确定试验时间的根据。其中，要注意以下几点：磨损类型，疲劳磨损有两个过程，产生疲劳磨损有较长的孕育期，因此试验时间是不可避免的。要考虑测量仪器的精确度，为了使测定磨损的精度在允许范围内，从试验获得的磨损量应该比可能的测量误差要大得多。5.6.2 实验载荷和偏心轮的转速对于模拟性的实验室实验，载荷和速度要根据实际摩擦副情况而定。速度对温度，速度对润滑条件影响比较大，在实验试件中，经常采用比实际系统高的载荷和速度进行加速实验。显然，这只有在对磨损过程没有太大影响时才是使用的。5.6.3实验次数因为摩擦磨损实验的离散性很大，实验所取得的数据之间往往存在误差，主要
44、是系统误差造成的，多次重复一种实验是必要的。一般取35次测量的算术平均值作为实验的结果，必要时可增加实验次数，或用统计方法进行数据处理，根据实验要求，确定有效数字，得出实验结果。5.6.4控制试件摩擦表面所处的状态摩擦表面的状态控制不严，引起摩擦磨损测量结果无规律的变化。因此，实验过程应防止摩擦表面被子异物污染，防止磨粒侵入，以及在装卸试件时保证重装位置精度。5.7 摩擦磨损的计算方法5.7.1磨损量的计算将直径为15mm的钢球和平面试件分别固定在各自的夹具上，先用调平螺母调整弹性梁的平衡，然后加载实验所需的法向载荷，最后启动电机，开始计算电动机的转算，达到预定的实验转数后，停机，卸下平面试件
45、试件，用放大镜测量下它的的磨痕长度和宽度，按规定程序反复试验，最终确定出平均的磨损量。5.7.2摩擦系数的计算摩擦系数测定必须先对弹性梁的变形进行标定，标定前，先调平弹性梁，使弹性梁保持水平状态，保证其垂直方向不受力。用细铜线一端系于半球试件夹具底端并保证所系位置与摩擦副接触面在同一平面上，另一端通过滑轮与砝码相连。标定过程中，砝码按照ON、20N、40N、60N、80N依次增加，再从80N、60N、40N、20N、ON依次递减，标定过程中使用动态信号测试仪进行数据采集。 之后在实验过程中记录应变片的变形量，在对应着标定的结果就能求出摩擦力的大小。 5.8 试验机整体结构第六章 结论本文的主要特色就是为了设计在不同的载荷以及滑动速度条件下，分析各种材料的摩擦磨损特性。微动摩擦磨损试验机，其结构原理简明，调试和操作简单方便、结构新颖、测试实验数据容易。如果加以应用，可以培养学生实际动手能力，巩固所学专业知识，锻炼学生分析问题和解决问题的能力。该试验机可用于实验教学，又可用于教师科研试验。希望该试
