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本科畢業(yè)設(shè)計說明書
本科畢業(yè)設(shè)計
題 目：
姓 名：
學(xué) 院：
專 業(yè)：
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指導(dǎo)老師：
摘 要
微振摩擦發(fā)生在兩接觸表面之間有極小振幅運動的情況下。微振摩擦不僅可以導(dǎo)致接觸表面間的摩擦磨損，而且會加速裂紋的產(chǎn)生和擴展，最終使得構(gòu)件的疲勞壽命大大降低。目前，工業(yè)領(lǐng)域中因微振摩擦而造成的損傷相當(dāng)普遍。因此，深入開展微振摩擦學(xué)的研究，對預(yù)防和控制工業(yè)微動損傷有重要的指導(dǎo)意義，且具有廣闊的工程應(yīng)用前景。而且在機械工程及其相關(guān)領(lǐng)域不斷發(fā)展的形勢下，摩擦學(xué)的研究領(lǐng)域正由宏觀轉(zhuǎn)向微觀發(fā)展，所以對微振磨損試驗機的設(shè)計和深入研究有利于在實際的工程生產(chǎn)中正確的選擇材料，避免了一些不必要的浪費。
本文概述了微振摩擦磨損試驗機的發(fā)展概況、分類、特點等，并簡要分析了驗機的要求明細(xì)表、功能結(jié)構(gòu)圖。該試驗機性能穩(wěn)定，測試系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠,且試驗數(shù)據(jù)充分。
關(guān)鍵詞：微振摩擦；位移縮小機構(gòu)；彈性梁；試驗機
Abstract
Fretting 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 for 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 application 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 testing 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 function 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
目錄
摘 要 1
Abstract 2
目錄 3
引 言 5
第一章 緒論 6
1.1 論文的研究背景 6
1.2 微振摩擦磨損試驗機的研究現(xiàn)狀 7
第二章 微振摩擦磨損試驗機簡介 9
2.1 主要用途與適用范圍 9
2.2 主要技術(shù)規(guī)格、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo) 9
2.3 工作條件 10
2.4 試驗機結(jié)構(gòu)及工作原理 10
2.4.1 試驗機結(jié)構(gòu) 10
2.4.2 工作原理：（參看圖1：工作原理圖） 10
2.4.3 主軸及往復(fù)運動系統(tǒng) 11
2.4.4 位移縮小機構(gòu)系統(tǒng) 11
2.4.5 摩擦副及摩擦力測量系統(tǒng) 12
2.4.6測力傳感器的選擇 13
2.4.7測力傳感器的設(shè)計 14
第三章 摩擦磨損實驗機設(shè)計準(zhǔn)則 15
3.1 實驗機的材料性能 15
3.2 實驗機性能 15
3.2.1試件接觸形式和運動狀態(tài) 15
3.2.2 調(diào)節(jié)試件的能力 16
3.3 實驗機的設(shè)計和選擇原則 16
3.3.1首先確定磨損類型 17
3.3.2磨損試件的接觸條件和運動形式要與實際零件工作情況相同 17
3.4 經(jīng)濟性 17
第四章 試驗條件因素 18
第五章 微振摩擦磨損實驗機的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 19
5.1 驅(qū)動部分 19
5.2 傳動部分 20
5.3 摩擦磨損測試組件部分 22
5.3.1 彈性梁的設(shè)計 22
5.3.2 彈性梁夾具設(shè)計 23
5.4 試件夾具的設(shè)計 24
5.4.1平面試件的夾具 24
5.4.2球試件的夾具 25
5.5箱體設(shè)計 26
5.5.1設(shè)計方法 26
5.5.2箱體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 26
5.6 實驗參數(shù)的選擇 26
5.6.1 實驗時間 27
5.6.2 實驗載荷和偏心輪的轉(zhuǎn)速 27
5.6.3實驗次數(shù) 27
5.6.4控制試件摩擦表面所處的狀態(tài) 27
5.7 摩擦磨損的計算方法 27
5.7.1磨損量的計算 27
5.7.2摩擦系數(shù)的計算 28
5.8 試驗機整體結(jié)構(gòu) 28
第六章 結(jié)論 29
參考文獻 30
謝 辭 31
引 言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代金屬材料的應(yīng)用范圍日益寬廣，使用條件日益苛刻，不僅要求宏觀上的性能指標(biāo)，而且對微觀上的要求也十分嚴(yán)格，，因而本設(shè)計就是研究材料在微動工況下的摩擦磨損的性能，來方便工程人員合理的選材，避免造成不必要的浪費。所以微動摩擦磨損試驗機就能夠檢測出在微動情況下材料抵抗摩擦磨損的能力。
本設(shè)計旨在綜合已有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種使用方法簡單、結(jié)構(gòu)合理，并且符合標(biāo)準(zhǔn)試驗法要求的微動摩擦磨損試驗機，以便在某些特殊情況下自行設(shè)計、制造及改裝使用。在設(shè)計和研制過程中，遵循了試驗機設(shè)計和選擇原則，并嚴(yán)格按照機械設(shè)計的設(shè)計步驟進行設(shè)計，突出體現(xiàn)了簡捷、精確的特點。
在學(xué)習(xí)、體會、忙碌與運用中，我的畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了，我的學(xué)生生涯也要隨之逝去。我已經(jīng)做了自己最大努力去完成設(shè)計，但我知道仍然還有許多不足之處，希望各位老師批評并指正。
第一章 緒論
1.1 論文的研究背景
微動是指在一個振動環(huán)境下，發(fā)生在近似緊配合的接觸表面之間的微米量級振幅的運動。微動現(xiàn)象由于沒有宏觀的相對運動，因此從設(shè)計到失效分析幾乎未引起相關(guān)學(xué)者的重視。但是，微動摩擦不僅可以造成接觸表面間的摩擦磨損，引起構(gòu)件咬合、松動或形成污染源等等，而且可以加速裂紋的萌生、擴展，使構(gòu)件的疲勞壽命大大降低。在許多工業(yè)重要部門，微動已成為一些配合零部件失效的主要原因之一。微動摩擦研究中，存在著許多形式不一和研究對象不一的微動試驗設(shè)備，從獲得微動位移幅度和交變應(yīng)力的動力源的角度看，目前微動摩擦磨損試驗機可以分為以下三類：機械式、電磁式和電液伺服式。采用以上3種驅(qū)動方式的微動試驗機在實際應(yīng)用中均存在不利因素，例如，機械式：自動化程度低、精度差；電磁式：振幅不高、激振力??；電液伺服式：體積大、成本高等。在機械工程及其相關(guān)領(lǐng)域不斷發(fā)展的形勢下，摩擦學(xué)的研究領(lǐng)域正由宏觀轉(zhuǎn)向微觀，其試驗也向著微觀領(lǐng)域和動態(tài)測試方面發(fā)展。由于現(xiàn)有微動摩擦磨損試驗機均存在自身的不利因素，使得微動摩擦學(xué)的研究受到了一定限制。因此，以微動摩擦磨損試驗的目的和基本方法為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和智能控制技術(shù)等設(shè)計開發(fā)新型微動摩擦磨損試驗機，對深入開展微動摩擦磨損試驗機及試驗技術(shù)的研究有著重要意義。摩擦學(xué)是由多學(xué)科組成的綜合研究領(lǐng)域，研究以機械學(xué)、表面科學(xué)與技術(shù)、摩擦學(xué)材料、摩擦化學(xué)為主，同時也涉及流體力學(xué)、固體力學(xué)、非線性動力學(xué)、工程熱物理、流變學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、信息理論等一系到學(xué)術(shù)領(lǐng)域。摩擦學(xué)研究的任務(wù)是從機械學(xué)、材料科學(xué)與表面科學(xué)的角度出發(fā)，不斷吸取相關(guān)學(xué)科的知識和最新研究成果，在更深的層次上揭示摩擦與潤滑的實質(zhì)，探索新原理、新功能，推動摩擦學(xué)設(shè)計和減摩抗磨損技術(shù)的發(fā)展，并努力在實際中應(yīng)用，以達(dá)到節(jié)省能量、提高磨損壽命和機械工作性能、解決極端工況條件下的摩擦、磨損、潤滑問題的目的。
1.2 微振摩擦磨損試驗機的研究現(xiàn)狀
自1911年Eden首次報道微動這一現(xiàn)象以來，微振摩擦學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了90年，大致可分為4個階段
1)微振摩擦學(xué)的建立(1911年~40年代)
1911年Eden等發(fā)現(xiàn)微動現(xiàn)象后，一直到1927年才又引起重視，Tomlinson首次專門設(shè)計設(shè)備對微動的過程進行研究，由于在他的試件上出現(xiàn)了紅色a-Fc203氧化磨屑，因此他創(chuàng)造了“微動腐蝕”一詞。此后，隨研究的增多，人們又發(fā)現(xiàn)了微動疲勞現(xiàn)象，并注意到微動可以加速疲勞破壞，而且經(jīng)常出現(xiàn)的微動和疲勞的聯(lián)合作用才更危險，甚至可以使強度降低因子增至2～5或更大。
2)微振摩擦學(xué)早期理論的建立(40年代末—60年代末和70年代初)
1949年Mindlin提出了在一定條件下微動接觸區(qū)存在滑移區(qū)和粘著區(qū)，并最早計算了接觸應(yīng)力分布，這標(biāo)志著微動摩擦學(xué)的研究進入了一個新階段。隨戰(zhàn)后現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，微動損傷的危害日益突出，相關(guān)研究迅速增加。50年代初在美國Philadelphia召開了首屆微動摩擦學(xué)會議并出版了第一本文集，這一時期Feng和Rightmire，tnaigh等提出了不同的微動磨損理論。1969年Nishioka等提出了一種早期的微動疲勞模型，1970年Hurriek在他的一篇綜述論文中將微動分為3個過程，1972年Waterhouse發(fā)表了首部有關(guān)微動的專著{FrettingCorrosion))。
3)微振摩擦學(xué)的重要發(fā)展階段(70年代～80年代)
進入70年代以后，新學(xué)科之間的相互交叉和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，微動摩擦學(xué)也得到了迅猛的發(fā)展。新的學(xué)術(shù)思想不斷地引入微動摩擦學(xué)的研究，例如，Hoeppncr，Endo和Goto等將斷裂力學(xué)方法引入微動疲勞的研究，Waterhouse等人將Suh的大位移滑動磨損的剝層理論引入微動磨損的研究。隨著分析方法和測試技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的理論模型被先后提出，如80年代末Berthier、Vincent和Godet提出了微動運動調(diào)節(jié)理論，Godet提出了微動的三體理論等。
4)微振摩擦學(xué)的嶄新發(fā)展階段(上世紀(jì)90年代以來)
上世紀(jì)90年代以來，微動摩擦學(xué)的研究日趨活躍，研究論文迅猛增加，國際交流頻繁，在新材料、復(fù)合材料、表面工程、潤滑、新型接觸方式、計算機模擬、高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用等方面都取得了顯著進展。Zhou和Vincent提出的二類微動圖理論，揭示了微動運行機制和損傷機制之間的內(nèi)在規(guī)律，為微動摩擦學(xué)的研究提供了有效工具，是近十年來微動摩擦學(xué)的重要進展之一。
根據(jù)文獻研究可知，近二十年來微動摩擦學(xué)學(xué)科的發(fā)展?fàn)顩r和未來趨勢主要可以概括為6個方面：
(1)基礎(chǔ)研究——從簡單的工業(yè)微動破壞現(xiàn)象觀察、單一試驗參數(shù)影響、平移微動模式分別走向破壞機理試驗分析、綜合機械與材料，如位移、壓力、頻率、往復(fù)次數(shù)、材料組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等參數(shù)的影響、其它如徑向、滾動、扭動、沖擊等微動模式的微動特性研究。Zhou和Vincent在大量不同參數(shù)和材料的試驗基礎(chǔ)上，建立的二類微動圖理論是最具代表性的進展。
(2)理論分析一理論分析不再局限于Hertz彈性接觸理論，借助于大型計算機、彈
塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、有限元法和能量分析等研究手段，模擬微動的運行和破壞過程已成為微動摩擦學(xué)理論研究的重要特型31。例如，Hill等和Dang van等在微動疲勞力學(xué)計算方面對裂紋的起源和擴展等進行了大量研究；Fouvry、Kapsa和V'mcent等發(fā)展了一種利用耗散能方法分析微動滑動的過程口。
(3)新材料——過去的研究主要集中在金屬材料，尤其是各種鋼和鋁合金，現(xiàn)在已有不少研究者開始致力于各種新材料，如高分子材料、金屬基復(fù)合材料、高分子基復(fù)合材料、連續(xù)纖維復(fù)合材料、先進陶瓷材料、粉末冶金材料、機械合金化材料、金屬間化合物等幾乎所有熱門的材料研究領(lǐng)域的微動損傷規(guī)律的研究，而且研究數(shù)量呈迅速增加的趨勢。
(4)環(huán)境影響——由于現(xiàn)代科技發(fā)展的需要，工程構(gòu)件的工況條件越來越苛刻，微動的研究不再局限于普通工況，除在傳統(tǒng)的高溫、真空和腐蝕氣氛等環(huán)境下進行研究之外，諸如流動空氣、水蒸氣介質(zhì)、生物性腐蝕介質(zhì)、超低溫和強磁場等特殊環(huán)境下的微動破壞機理的研究也得到積極開展。
(5)防護措施——對微動破壞機理的研究正在向機理與抗微動破壞研究并重的階段發(fā)展，各種減緩技術(shù)如表面處理、潤滑和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計改進等均有很大的進展，尤其是表面工程技術(shù)和潤滑的研究受到了廣泛的關(guān)注，并與工業(yè)應(yīng)用密切結(jié)合。
(6)工業(yè)應(yīng)用——早期微動破壞的研究主要集中在航空部門，其實微動同樣存在于許多重要的工業(yè)部門。近年來，核電站i高空電纜、鋼絲繩索、大型軸、人工植入、電接觸等工業(yè)領(lǐng)域的微動損傷已日益成為研究熱點。
第二章 微振摩擦磨損試驗機簡介
2.1 主要用途與適用范圍
該機主要是以機械式微動摩擦磨損試驗機進行設(shè)計的，利用該試驗機進行了微動摩擦磨損試驗，分析了位移幅值、法向載荷、運動頻率等基本參數(shù)對微動摩擦副間摩擦系數(shù)的影響；通過金相顯微鏡，考察了不同試驗條件下試件表面的磨斑形貌，研究了切向微動的運行和損傷機理。試驗結(jié)果表明，試驗數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果基本符。
2.2 主要技術(shù)規(guī)格、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)
序號
項 目 名 稱
1
模擬運動
微振磨損
2
摩擦副形式
球面摩擦
3
運動形式
往復(fù)運動
4
試驗力
20~120N
5
行程
4mm~13mm
6
主軸轉(zhuǎn)速范圍（無級可調(diào)）
0~1000r/min
7
主軸轉(zhuǎn)速誤差
±5 r/min
8
摩擦副溫度控制范圍
室溫~25○C
9
摩擦副溫度控制誤差
±2○C
10
試驗時間控制范圍
1秒~99小時
11
介面介質(zhì)
無液體介質(zhì)
12
外型尺寸
459mm×301mm×331mm
13
凈重
約30kg
14
試驗用鋼球
φ15mm
15
試驗機驅(qū)動
偏心驅(qū)動
2.3 工作條件
1) 室溫10~35○C范圍內(nèi)；
2) 相對濕度不大于80%；
3) 周圍無震動，無腐蝕性介質(zhì)和無較強電磁場干擾的環(huán)境中；
4)電源電壓的波動范圍不應(yīng)超過額定電壓的±10%，頻率的波動范圍不應(yīng)超過額定頻率的2%，三相電壓的不平衡電壓不應(yīng)超過10V；
5) 在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上正確安裝，水平度不超過0.2/1000.
2.4試驗機結(jié)構(gòu)及工作原理
2.4.1 試驗機結(jié)構(gòu)
該試驗機主要由動力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、磨損測試組件和摩擦力測試組件組成。
2.4.2 工作原理：（參看圖1：工作原理圖）
圖1
本系統(tǒng)通過電動機帶動可調(diào)凸輪做旋轉(zhuǎn)運動，凸輪帶動連桿上下運動，再經(jīng)三角形位移縮小機構(gòu)將較小幅值的位移傳遞給導(dǎo)軌，導(dǎo)軌拖動平面試件夾具一同實現(xiàn)小幅的往復(fù)運動，球試件和平面試件在砝碼重力作用下形成一對微動摩擦副，從而構(gòu)成整個微動摩擦磨損試驗裝置。彈性梁在摩擦力作用下產(chǎn)生變形，在小幅情況下，變形量與摩擦力成正比，利用在彈性梁上貼應(yīng)變片的方法測量摩擦力，即通過彈性梁的變形而使貼在上面的應(yīng)變片伸長或縮短，再通過動態(tài)應(yīng)變儀將應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，然后將電壓信號乘以?biāo)定系數(shù)即為摩擦力。工作時，平面試件夾具體與導(dǎo)軌中需加注潤滑油。為使試驗機在高頻情況下運動平穩(wěn)、輕快，并具有較長的使用壽命，因而采用了精密直線導(dǎo)軌。
2.4.3 主軸及往復(fù)運動系統(tǒng)
本實驗為微動摩擦磨損實驗，所以電動機的轉(zhuǎn)速不能過高，而且要求電動機的轉(zhuǎn)速恒定，這樣能減小振動，保證了實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜合以上考慮，我選擇了轉(zhuǎn)速可調(diào)的伺服電機。并且采用凸輪連桿機構(gòu)，實現(xiàn)實驗平臺的往復(fù)運動，綜上所述本試驗機采用盤形凸輪機構(gòu)將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成往復(fù)運動通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速從而
改變往復(fù)速度采用帶反饋的可調(diào)電機保證了電機轉(zhuǎn)速恒定其轉(zhuǎn)速可在5~80r/min之間連續(xù)自由調(diào)節(jié) （如圖2所示）
圖2
2.4.4 位移縮小機構(gòu)系統(tǒng)
微位移器根據(jù)工作原理可以分為六大類：機械傳動、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷?，F(xiàn)將上述幾類微位移機構(gòu)的特點進行分析。
（1）機械傳動微位移機構(gòu)
機械傳動式微位移機構(gòu)在精密機械和儀器中應(yīng)用廣泛。其結(jié)構(gòu)形式比較多，主要有螺旋機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、楔塊凸輪機構(gòu)等，以及它們之間的組合機構(gòu)。機械傳動式微位移機構(gòu)存在間隙、傳動誤差、摩擦損耗以及爬行現(xiàn)象等，其運動靈敏度、精度很難達(dá)到微米級精度，故只適用于中等精度的微位移系統(tǒng)。
（2）彈性變性微位移機構(gòu)
彈性縮小機構(gòu)主要利用兩個彈簧的剛度比進行位移縮小，該縮小機構(gòu)的缺點是當(dāng)微動臺承受外力或部分摩擦力時，它將直接成為定位誤差的因素，而且對于步進狀態(tài)的輸入位移，容易產(chǎn)生過渡性的振蕩；杠桿式位移縮小機構(gòu)是微動機構(gòu)中常見的一種形式。這種機構(gòu)雖然能夠通過數(shù)級杠桿得到大的縮小比，但其定位精度易受末級杠桿回轉(zhuǎn)支點和著力點的結(jié)構(gòu)、加工精度的影響。
（3）電熱式微位移機構(gòu)
電熱式微位移是利用物體的熱膨脹來實現(xiàn)微位移的。這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。但由于傳動桿與周圍介質(zhì)之間有熱交換，從而影響位移精度。由于熱慣性的存在，不適于高速位移。當(dāng)隔熱不合理時，相鄰的零部件由于受熱變形，以致影響整機的精度，這些原因限制了它的應(yīng)用。
（4）磁致伸縮微位移機構(gòu)
磁致伸縮微位移機構(gòu)是利用鐵磁材料在磁場的作用下產(chǎn)生微伸長運動來實現(xiàn)微位移的。但由于鐵磁材料在磁場的作用下，除產(chǎn)生磁致伸縮外，還伴隨著受熱伸長，因此其應(yīng)用受到了限制。
（5）電磁鐵驅(qū)動的微位移機構(gòu)
這種機構(gòu)利用電磁原理，通過控制線圈中的電流大小來控制電磁力的大小，使具有彈性支承的工作臺產(chǎn)生精密微位移。它的缺點是電磁鐵中始終要通過一定的電流，結(jié)果由于發(fā)熱而影響精度。此外這種機構(gòu)的位移階躍響應(yīng)存在瞬間的振蕩，靈敏度高時系統(tǒng)難于穩(wěn)定。
（6）壓電陶瓷微位移機構(gòu)
壓電／電致伸縮陶瓷驅(qū)動的柔性支承微位移機構(gòu)是利用某些晶體的逆壓電效應(yīng)來工作的。它的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，體積很小，無機械摩擦，無間隙，具有很高的位移分辨率。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動，由于機電耦合效應(yīng)進行的速度很快，來不及與外界熱交換，因此不存在發(fā)熱問題，同時沒有噪聲，適用于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是一種理想的微位移器。
綜合以上考慮，在結(jié)合經(jīng)濟性的要求，本試驗機采用機械傳動微位移機構(gòu)，——三角形位移縮小機構(gòu)，如上圖所示的連桿機構(gòu)。
2.4.5 摩擦副及摩擦力測量系統(tǒng)
該試驗機主要是以球-面摩擦副來模擬工程中的摩擦磨損現(xiàn)象的，摩擦球通過夾具夾持在彈性梁上，通過與夾在導(dǎo)軌上的摩擦平面進行摩擦，產(chǎn)生的摩擦力使彈性梁變形，從而測出彈性梁的變形量，求出摩擦力的大小。如圖3所示
圖3
作用在試件上的載荷Fn由砝碼重力產(chǎn)生，為固定值，作用在摩擦副間的摩
擦力為Ft，若兩個試件間的摩擦系數(shù)為μ，則有：
μ=Ft/Fn
故只要預(yù)先確定加載砝碼的重力，再測出傳感器受力大小，即可計算出摩擦系數(shù)μ。
2.4.6測力傳感器的選擇
測力傳感器的精度分辨力對測試儀器的性能至關(guān)重要并與測力方法密切相關(guān)微力測量方法常見有如下幾種：
(1) 力平衡法是用一個已知的力來平衡待測的未知力例如機械杠桿式測力計。
(2) 光學(xué)反射法是一種廣泛應(yīng)用于微納米測試儀器中測量方法由激光器發(fā)出的束紅光經(jīng)過光學(xué)透鏡照射到一個對力非常敏感的背面帶光滑鏡面的微懸臂上激光經(jīng)鏡面反射后最終照射到四象限光敏檢測器上微懸臂與樣品的接觸導(dǎo)致微懸臂彎曲變形從而影響激光反射最終使照射到光敏檢測器上的激光光斑位置發(fā)生移動光敏檢測器將光斑位移信號轉(zhuǎn)換成電信號從而得到作用在懸臂上力的大小。
(3) 壓電法利用晶體的壓電效應(yīng)將力轉(zhuǎn)換成電荷并通過二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓
(4) 應(yīng)變片法其原理是把檢測力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化繼而通過電橋進一步轉(zhuǎn)換成電壓信號從而間接地測出力的大小。
(5) 位移法,是通過位移傳感器間接測量力。
上述方法中力平衡法精度較低不適合微摩擦測試，光學(xué)法具有最高的精度
但是需要的投資較大，壓電式測量法其缺點是僅適用于動態(tài)力的測量，電阻應(yīng)變片
法測試電路相對簡單結(jié)構(gòu)緊湊工作穩(wěn)定其實踐應(yīng)用也相當(dāng)成熟雖然其分辨力無法與光學(xué)法相比但已能滿足測試系統(tǒng)的精度要求。
2.4.7測力傳感器的設(shè)計
（1）綜合上述分析本實驗通過電阻應(yīng)變片來間接測量摩擦力。力的測量基于應(yīng)變片法將四個箔式應(yīng)變片貼在彈性梁薄壁處如圖4所示
圖4
（2）該試驗機采用全橋電路來測量摩擦力，使用全橋回路一方面可提高傳感器的靈敏度另一方面可消除溫度影響實現(xiàn)溫度自補償。如圖5所示
圖5
第三章 摩擦磨損實驗機設(shè)計準(zhǔn)則
3.1 實驗機的材料性能
實驗?zāi)Σ粮钡牟牧弦M可能使實驗的幾何形狀簡單，容易制造。而且能夠滿足實驗的剛度和強度要求，便與大批量生產(chǎn)，如鋼球，環(huán)塊或塊狀。
3.2 實驗機性能
3.2.1試件接觸形式和運動狀態(tài)
試件的接觸形式和運動狀態(tài)要和實際零件工作情況相同，實際的工作零件可能出現(xiàn)的運動方式有滑動，滾動，滾動兼滑動，沖擊，其中有連續(xù)運動和往復(fù)運動。接觸形式分為只有一個設(shè)計表面和有兩個設(shè)計表面。其中有點接觸，面接觸和線接觸。不同的接觸形式對摩擦磨損產(chǎn)生不同的影響，這里設(shè)計的兩試件的接觸為點接觸，是滑動現(xiàn)象。
摩擦副工作的環(huán)境因素對其摩擦磨損性能有顯著影響。在和實際工作環(huán)境不同的情況下進行實驗，常導(dǎo)致不正確的結(jié)果。
本設(shè)計模擬無潤滑時摩擦。如圖6所示
圖6
3.2.2 調(diào)節(jié)試件的能力
實驗設(shè)備必須具有足夠的機械穩(wěn)定性，在摩擦磨損實驗機上，測定摩擦系數(shù)時，由于機構(gòu)內(nèi)的摩阻，常常導(dǎo)致數(shù)值不穩(wěn)定。實驗機的精度不夠，影響數(shù)據(jù)的正確性；壽命短，影響實驗的長期進行；有震動，使得測得的數(shù)據(jù)之間誤差較大。試件的調(diào)節(jié)能力，對實驗參數(shù)選擇很重要。實驗機應(yīng)調(diào)節(jié)方便，實驗結(jié)果的分散度很小，重復(fù)性很高，實驗精度也就很高。
為了簡單，方便，而且能滿足實驗條件的要求，本實驗機采用應(yīng)變片通過測量彈性梁的變形來計算出摩擦力的大小，采用砝碼實現(xiàn)法向載荷的加載，其結(jié)構(gòu)如圖7所示：
圖7
如上圖中的調(diào)平螺母，試驗開始前，首先使用螺母調(diào)整彈性梁的平衡，使法相載荷從零開始依次遞增。
3.3 實驗機的設(shè)計和選擇原則
試驗機的種類繁多，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)化。模擬性的試驗應(yīng)根據(jù)實驗?zāi)康暮鸵笤O(shè)計和選擇。一般性的摩擦磨損試驗機已傾向標(biāo)準(zhǔn)化，但看法不完全一致，一般必須遵守的基本原則如下：
3.3.1首先確定磨損類型
這是設(shè)計和選擇試驗機的主要根據(jù)之一。按摩擦副表面磨損的過程分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和微動磨損等。
微動摩擦試驗機屬于粘著磨損。
3.3.2磨損試件的接觸條件和運動形式要與實際零件工作情況相同
實際的工作零件可能出現(xiàn)的運動形式有滑動、滾動、滾動兼滑動和沖擊，其中有連續(xù)運動（如轉(zhuǎn)動）和往復(fù)運動（大振幅和小振幅運動）。接觸形式分為只有一個設(shè)計表面（如受液體或固體顆粒沖擊的零件）和有兩個設(shè)計表面。其中，有點接觸、面接觸和線接觸。不同的接觸形式對摩擦磨損產(chǎn)生不同的影響，必須仔細(xì)考慮。
微動摩擦磨損試驗機屬于點接觸，如上圖6所示：
3.4 經(jīng)濟性
在分析設(shè)計高真空摩擦實驗機的同時，還必須要考慮各種零部件的造價，盡量在節(jié)約資金的同時，完成設(shè)計任務(wù)。試驗機應(yīng)調(diào)整方便，試驗結(jié)果的分散度小，重復(fù)性好，試驗精度高。
第四章 試驗條件因素
1. 試樣的表面性質(zhì)：包括材料種類（化學(xué)成分及組織）、機械性能和表面光潔度，它們明顯的影響磨損。
2. 試樣的形狀和尺寸：它影響試樣的接觸型式和重迭系數(shù)，而且它們還對潤滑狀態(tài)、壓力大小、相對運動速度以及磨損量等都有影響。有些試樣試驗機規(guī)定了試樣的形狀和尺寸。
3. 試樣中的固定件與運動件材料不同時，一般不宜倒轉(zhuǎn)裝配，特別是在干摩擦或固體潤滑的情況下。
4. 運動形式：試樣相對運動所形成的滑動、滾動或復(fù)合摩擦形式不同，對潤滑狀態(tài)或破壞特征等都有影響。
5. 速度：速度對磨損影響比較復(fù)雜，速度改變，摩擦系數(shù)一般發(fā)生變化；摩擦材料變形速度和接觸區(qū)的溫度也發(fā)生變化；甚至改變了磨損形式和潤滑狀態(tài)。
6. 溫度：溫度與速度一樣，對磨損影響同樣是比較復(fù)雜的。溫度升高到一定程度，材料的摩擦系數(shù)和磨損量都將變化；溫度升高，潤滑油的粘度下降，嚴(yán)重時甚至破壞油膜，改變潤滑狀態(tài)。
7. 壓力：壓力改變，摩擦副的摩擦磨損特性隨之改變，潤滑狀態(tài)也隨之改變。
8. 周圍環(huán)境介質(zhì)：周圍環(huán)境的水汽、空氣、灰塵以及其它氣體的改變，對摩擦副材料和潤滑材料都有影響。摩擦表面的狀態(tài)控制不嚴(yán)，將引起摩擦磨損測量結(jié)果無規(guī)律的變化。因此，試驗過程應(yīng)防止摩擦表面被異物污染，防止微粒侵入，以及在裝卸試件時保證重裝的位置精度。
第五章 微振摩擦磨損實驗機的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 驅(qū)動部分
本實驗機采用伺服電動機作為原動機，電機轉(zhuǎn)速: n=1000r/min
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸，重量，價格和減速器的傳動比，選擇轉(zhuǎn)速為1000的電動機。
由于試驗機要求速度可調(diào)且保證穩(wěn)定精確，經(jīng)過計算：首先設(shè)最大摩擦系數(shù) μ=1，電動機速度控制在5~80r/min，最大偏心距離為9mm，承受最大法向載荷為120N。通過受力分析，可以計算出主軸的阻力矩，從而可以估算出電動機的功率。如下圖6
Ft=μ×Fn=120N
T=331·0.009=2.97N·M
額定功率 P=T·w=25W
圖8
參看《機械設(shè)計手冊》這里選用電機110MB040A-001000示意圖 如下：
電機主要參數(shù) 如下：
額定功率
W
轉(zhuǎn) 速
r/min
電 壓
V
頻 率
Hz
額定電流
A
效 率
η％
200
1000
5
50
2.0
64
功率因數(shù)
cosφ
堵轉(zhuǎn)電流
A
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
N．m
最大轉(zhuǎn)矩
N．m
最小轉(zhuǎn)矩
N．m
0.66
6
2.2
2.4
≥1.4
JD1A-11S（40S）電磁調(diào)速電動機裝置配置的主要技術(shù)參數(shù)
如下：
電源電壓：~220V 50Hz
調(diào)速范圍：0~1000r/min
轉(zhuǎn)速精度：≤1％
（注：在大于8A或小于12A的情況下，工作時間不得大于3小時）
5.2 傳動部分
本實驗機的傳動部分采用凸輪連桿機構(gòu)，并且傳動機構(gòu)需要具備位移縮小的功能，參考《機械設(shè)計手冊》，采用三角形位移縮小機構(gòu)來實現(xiàn)較小位移的傳動如圖9
圖9
根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，初步選擇連桿長度為128mm、64mm、64mm，偏心距e=10mm，經(jīng)過計算得到滑塊的最大位移為4mm。該試驗機采用的是可調(diào)偏心輪，調(diào)整偏心輪的偏心距，就能改變摩擦面的往復(fù)運動距離，經(jīng)設(shè)計偏心輪的偏心距為10-25mm，得到的往復(fù)移動距離為4mm-13mm。如圖8偏心輪設(shè)計
圖10
三角形位移縮胸機構(gòu)的一端固定，另一端通過連接塊與導(dǎo)軌連接，從而進行往復(fù)運動如上圖2所示，偏心輪上的凹槽就是為調(diào)節(jié)偏心距所設(shè)計的。
5.3 摩擦磨損測試組件部分
5.3.1 彈性梁的設(shè)計
摩擦力的值是通過測量彈性梁的變形間接獲取的，因此彈性梁的設(shè)計至關(guān)重要。彈性梁的結(jié)構(gòu)初步結(jié)構(gòu)為，如圖11所示。該結(jié)構(gòu)為柔性鉸鏈?zhǔn)綇椥粤?。試驗時，應(yīng)變片貼在彈性梁的薄壁或瓶頸處。在摩擦力的作用下，彈性梁會產(chǎn)生彎曲變形，如果變形量相對于凸輪連桿的輸出位移量過大，則無法保證摩擦副之間的相對位移量。為滿足試驗要求，保證試驗機的可靠性及精確度，需要對彈性梁的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，盡可能的減少彈性梁在摩擦力作用下彈性變形，柔性鉸鏈?zhǔn)綇椥越Y(jié)構(gòu)梁在其瓶頸處應(yīng)力分布均勻。由材料力學(xué)可知，均勻的應(yīng)力分布產(chǎn)生均勻的變形，在變形分布均勻的情況下，可選擇黏貼應(yīng)變片的區(qū)域較大，并能采集到較穩(wěn)定的信號，可保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。綜合以上的有限元計算結(jié)果分析和試驗的要求，為保證試驗機試驗數(shù)據(jù)得可靠性，本文所述試驗機采用鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)彈性梁。
圖11
5.3.2 彈性梁夾具設(shè)計
在整機設(shè)計過程中，為保證彈性梁與階梯軸之間沒有相對滑動，采用了過盈配合連接方式。階梯軸通過軸兩端的深溝球軸承固定在支座上，如圖12所示?？紤]到在摩擦試驗過程中，彈性梁用于測量摩擦副間的摩擦力，本設(shè)計由于彈性梁與支座連為一體，在摩擦力作用下支座同樣會發(fā)生形變。因此為防止彈性梁及其支座在試驗過程中因受摩擦力作用而產(chǎn)生較大變形，進而影響摩擦副間的相對位移量，所以由杠桿效應(yīng)可知，彈性梁載荷施加處的位移量等于彈性梁自身的變形量與若干倍支座變形量的疊加。因此，嚴(yán)格控制支座的彈性變形將大大減小彈性梁載荷施加處的位移量，從而大大提高試驗機的性能。
圖12
5.4 試件夾具的設(shè)計
5.4.1平面試件的夾具
本實驗的平面實驗材料為45號鋼，如圖13
圖13
根據(jù)實驗材料設(shè)計夾具如下圖14中的夾具蓋板用來加緊試件，防止試件在實驗過程中發(fā)生松動，影響實驗結(jié)果，試件下邊的頂塊用來實現(xiàn)平面試件底部的支撐，從而防止平面試件在法向載荷作用下產(chǎn)生的彎曲變形對整個微動運動過程的影響。
圖14
5.4.2球試件的夾具
球試樣為直徑為15毫米的45滾珠軸承鋼；，球試件夾具設(shè)計為螺旋加緊裝置，
使用圓螺母加緊試件從而進行試驗?zāi)Σ?，如圖15。
圖15
圖13中的球試件夾具和夾緊裝置是螺紋連接的，用螺紋旋緊 加緊球試件，防止球試件在實驗時滑動，并且夾具是通過緊定螺釘固定在彈性梁上，通過調(diào)整夾具柄的高度來調(diào)整球試件和平面試件的垂直距離。
5.5箱體設(shè)計
5.5.1設(shè)計方法
箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用結(jié)構(gòu)包容法，即根據(jù)箱體內(nèi)部零件尺寸和它們之間的相互關(guān)系，采用包容的方法來構(gòu)造箱體的結(jié)構(gòu)形狀及確定其結(jié)構(gòu)尺寸。與此同時，還應(yīng)考慮外部有關(guān)零部件對箱體和尺寸的要求。然后從美學(xué)角度進行修正。
5.5.2箱體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇
箱體的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如壁厚、凸臺及孔等對箱體的工作能力、材料消耗、質(zhì)量及成本影響很大，設(shè)計時須處理好。壁厚、凸臺的布置和尺寸的確定可采用類比法，對同類產(chǎn)品進行比較，并參照設(shè)計手冊等資料提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及設(shè)計者的經(jīng)驗。
本試驗機為小型摩擦磨損試驗機，設(shè)計的機座質(zhì)量較大，以減少試驗時震動對實驗數(shù)據(jù)的影響。箱體用于安裝電動機，承載試驗裝置以及在其表面附帶線路控制板。其大小尺寸參考試驗儀器及使用方便而定。
用于安裝電動機，承載試驗裝置以及在其表面附帶線路控制板。其具體尺寸參考試驗儀器及使用方便而定。如下圖16所示
圖16
5.6 實驗參數(shù)的選擇
影響摩擦磨損的因素很多，很復(fù)雜。溫度、速度、壓力、摩擦表面的性質(zhì)、尺寸和形狀，試驗時間、周圍環(huán)境、潤滑方式等對摩擦磨損都有很大影響，而且對不同的摩擦磨損類型影響的規(guī)律也不同。所以，必須按實驗?zāi)康囊笞屑?xì)分析，哪些因素是次要的，可在一定范圍內(nèi)變化。
試驗過程中必須嚴(yán)格控制影響試驗結(jié)果重復(fù)性的那些參數(shù)，并精確地保證在重復(fù)試驗時摩擦條件恒定不變。
5.6.1 實驗時間
選定合適的試驗機后，試驗時間要認(rèn)真選取。應(yīng)先作出時間與磨損的關(guān)系曲線，作為正確確定試驗時間的根據(jù)。其中，要注意以下幾點：①磨損類型，疲勞磨損有兩個過程，產(chǎn)生疲勞磨損有較長的孕育期，因此試驗時間是不可避免的。②要考慮測量儀器的精確度，為了使測定磨損的精度在允許范圍內(nèi)，從試驗獲得的磨損量應(yīng)該比可能的測量誤差要大得多。
5.6.2 實驗載荷和偏心輪的轉(zhuǎn)速
對于模擬性的實驗室實驗，載荷和速度要根據(jù)實際摩擦副情況而定。速度對溫度，速度對潤滑條件影響比較大，在實驗試件中，經(jīng)常采用比實際系統(tǒng)高的載荷和速度進行加速實驗。顯然，這只有在對磨損過程沒有太大影響時才是使用的。
5.6.3實驗次數(shù)
因為摩擦磨損實驗的離散性很大，實驗所取得的數(shù)據(jù)之間往往存在誤差，主要是系統(tǒng)誤差造成的，多次重復(fù)一種實驗是必要的。一般取3~5次測量的算術(shù)平均值作為實驗的結(jié)果，必要時可增加實驗次數(shù)，或用統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)實驗要求，確定有效數(shù)字，得出實驗結(jié)果。
5.6.4控制試件摩擦表面所處的狀態(tài)
摩擦表面的狀態(tài)控制不嚴(yán)，引起摩擦磨損測量結(jié)果無規(guī)律的變化。因此，實驗過程應(yīng)防止摩擦表面被子異物污染，防止磨粒侵入，以及在裝卸試件時保證重裝位置精度。
5.7 摩擦磨損的計算方法
5.7.1磨損量的計算
將直徑為15mm的鋼球和平面試件分別固定在各自的夾具上，先用調(diào)平螺母調(diào)整彈性梁的平衡，然后加載實驗所需的法向載荷，最后啟動電機，開始計算電動機的轉(zhuǎn)算，達(dá)到預(yù)定的實驗轉(zhuǎn)數(shù)后，停機，卸下平面試件試件，用放大鏡測量下它的的磨痕長度和寬度，按規(guī)定程序反復(fù)試驗，最終確定出平均的磨損量。
5.7.2摩擦系數(shù)的計算
摩擦系數(shù)測定必須先對彈性梁的變形進行標(biāo)定，標(biāo)定前，先調(diào)平彈性梁，使彈性梁保持水平狀態(tài)，保證其垂直方向不受力。用細(xì)銅線一端系于半球試件夾具底端并保證所系位置與摩擦副接觸面在同一平面上，另一端通過滑輪與砝碼相連。標(biāo)定過程中，砝碼按照ON、20N、40N、60N、80N依次增加，再從80N、60N、40N、20N、ON依次遞減，標(biāo)定過程中使用動態(tài)信號測試儀進行數(shù)據(jù)采集。
之后在實驗過程中記錄應(yīng)變片的變形量，在對應(yīng)著標(biāo)定的結(jié)果就能求出摩擦力的大小。
5.8 試驗機整體結(jié)構(gòu)
第六章 結(jié)論
本文的主要特色就是為了設(shè)計在不同的載荷以及滑動速度條件下，分析各種材料的摩擦磨損特性。微動摩擦磨損試驗機，其結(jié)構(gòu)原理簡明，調(diào)試和操作簡單方便、結(jié)構(gòu)新穎、測試實驗數(shù)據(jù)容易。如果加以應(yīng)用，可以培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力，鞏固所學(xué)專業(yè)知識，鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。該試驗機可用于實驗教學(xué)，又可用于教師科研試驗。希望該試驗機能對教學(xué)質(zhì)量的提高起到推動作用。我是第一次接觸這種機器。因此，感覺不知道怎么做，我的指導(dǎo)老師任靖日教授給予我很大的幫助。題目要求：通過設(shè)計微動摩擦磨損試驗機，了解摩擦磨損原理，摩擦副結(jié)構(gòu)特點以及運動關(guān)系。從而揭示微動摩擦磨損試驗機的工作原理和使用方法以及重要性。根據(jù)這一要求將整個設(shè)計工作分成了幾個階段完成。第一階段：調(diào)研，收集摩擦學(xué)，摩擦磨損實驗機的資料，分析各種材料。在此過程中，我通過網(wǎng)絡(luò)和去圖書館搜集資料。第二階段：學(xué)習(xí)摩擦磨損原理及有關(guān)知識。我又重新學(xué)習(xí)了《機械設(shè)計》（西北工業(yè)大學(xué)機械原理及機械零件教研室編）中的第四章摩擦磨損概述，翻閱了《摩擦學(xué)原理》等書籍。第三階段：考慮試驗機的功能和制造要求實用性等?？傊?，可以歸納為首先規(guī)劃試驗機大致輪廓，分析微動摩擦磨損試驗機的原理，根據(jù)微動摩擦磨損試驗機的工作原理，選擇試驗機的結(jié)構(gòu)及各種零件結(jié)構(gòu)，分析實際工作原理并考慮材料的經(jīng)濟性和實用性等。經(jīng)過以上幾個階段的研究工作，終于完成了對微動摩擦磨損實驗機的設(shè)計。
雖然完成了微動摩擦磨損試驗機的設(shè)計，但是對于它的實際工作情況就不知曉了，它是否可以模擬實際工作條件，只有完整的制造出來才可以知道。因此只能是通過本設(shè)計，來了解摩擦磨損原理，摩擦副結(jié)構(gòu)特點以及運動關(guān)系。從而認(rèn)識微動摩擦磨損試驗機的工作原理和使用方法的重要性。
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謝 辭
首先，我要感謝各位老師和領(lǐng)導(dǎo)能在百忙之中來聽我的答辯，在老師的精心教育指導(dǎo)下，四年的學(xué)習(xí)生活使我學(xué)到了很多專業(yè)知識和做人的深刻道理，無論是課程設(shè)計還是畢業(yè)設(shè)計，指導(dǎo)老師都給了我莫大的鼓舞和幫助，尤其是在四年之后的畢業(yè)設(shè)計過程中，我所選的課題不僅使我進一步掌握了機械及其相關(guān)知識，同時，使我理解了現(xiàn)代化機械行業(yè)中的自動化設(shè)計，這將對我以后的工作有很大的幫助，我的指導(dǎo)老師任靖日教授更給予了我很大的幫助，它提供了大量的設(shè)計資料，并耐心的講解設(shè)計思路，和我一起討論并解決一些設(shè)計上存在的問題，嚴(yán)格要求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使我能掌握和順利完成對微動摩擦磨損試驗機的設(shè)計，在此我對系里的所有老師和我的指導(dǎo)老師表示衷心的感謝！
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