轴承结构疲劳寿命试验方法和试验装置与流程

1.本发明涉及一种用于测试轴承结构疲劳寿命的试验方法，以及该方法中使用的负荷加载装置、保持机构和测试台架。


背景技术：

2.申请人在2020年10月23日提出的申请号为202011147048.7的同名专利申请中披露了一种用于检测柔性轴承(特别是在谐波减速器中使用的薄壁轴承)结构疲劳寿命的试验方法以及该方法中使用的负荷加载装置。在图1所示的装置原理图中，负荷加载装置10具有大致筒形的结构主体11。所述主体11包含形成于轴向一侧的固定端12和形成于轴向另一侧的开口端14。其中，固定端12上形成有与其一体构成的法兰12a，用于通过螺栓12b固定在轴承旋转测试台架100上。
3.在试验过程中，传动轴系6输入旋转扭矩，驱动凸轮2发生旋转，迫使套配于凸轮2外的轴承1跟随凸轮2的椭圆长轴产生在圆周方向上的动态径向膨胀，而该径向膨胀又进一步迫使紧凑装配在轴承1径向外围的开口端14产生相应的弹性形变。出于弹性回复的特性，开口端14从径向外侧对轴承1施加主要在径向上的动态旋转应变压力负荷，该应变压力负荷完全由开口端14的弹性形变所引发，与凸轮2在椭圆长轴方向上引发的径向膨胀相生相伴，且始终保持同步。
4.上述申请还披露，固定端12与开口端14之间最好保持有足够的距离，例如，不少于被测轴承轴向尺寸(即宽度)的5倍，以免因更具刚性的固定端12距离开口端14过近而给后者的自由变形造成不利影响。
5.从以上披露内容可以看出，负荷加载装置10对轴承1的负荷加载部分仅为其开口端14，除此以外的任何其他部分，包括法兰12a、固定端12以及毗邻固定端12的大部分主体11，均仅为负荷加载装置10提供定位支撑。在开口端14失效或者达到预期寿命以后，整个负荷加载装置10都将作为试验耗材被丢弃，从而造成巨大的材料浪费。不仅如此，由于与法兰一体形成的主体11具有细长、薄壁的圆筒结构，这给切削加工带来巨大的挑战，而且现有的热处理工艺也难以确保整个装置的材料都能达到规定的性能，导致同批次产品的性能差异过大，生产成本和供货周期都难以满足现实的需要。
6.现实呼唤一种简洁、有效而且经济、环保的轴承结构疲劳寿命试验方法和试验装置。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提出一种用于测试轴承结构疲劳寿命的试验方法，以嵌配在被测轴承内的凸轮产生旋转动态径向膨胀，通过所述轴承将所述膨胀传递至紧凑套配在轴承外围的负荷加载装置上，迫使所述负荷加载装置跟随所述膨胀同步变形，从而基于负荷加载装置自身的弹性与所述凸轮一起在内、外两个方向上对所述轴承施加主要在径向上的旋转动态应变压力负荷，以此作为轴承结构疲劳寿命试验的试验加载负荷。所述负荷
加载装置由大致环形结构的负荷套圈独立构成，所述负荷套圈被设置为能够在保持机构的阻转支撑下，限制嵌配其中的轴承外圈在试验过程中跟随凸轮的旋转产生圆周移位，但不妨碍负荷套圈基于所述同步变形对轴承施予所述的试验加载负荷。
8.上述方法放弃了之前采用的体积巨大但仅起定位支撑作用的法兰、固定端和大部分筒形主体，而仅采用大致环形结构的负荷套圈。这种简化不仅大幅降低了加工难度和制造成本，而且更加适合于根据应用对负荷加载装置进行逆向定制，从而使轴承结构疲劳寿命试验兼具经济性和准确性。
9.在上述方法和装置的基础上，本发明还提供一种保持机构，适于装配在轴承旋转测试台架上，为所述负荷加载装置提供阻转支撑。所述保持机构包含有约束部件，所述约束部件被设置为能够限制嵌配其中的负荷加载装置在试验过程中跟随被测轴承的外圈产生圆周移位，但不妨碍负荷加载装置基于所述同步变形对被测轴承施予所述的试验加载负荷。
10.所述保持机构用于为环形结构的负荷加载装置提供阻转支撑，是后者得以正常施加试验加载负荷的必要条件，对于本发明的成功实施具有决定性意义。
11.最后，本发明还提供一种轴承旋转测试台架，被设置为能够装配所述的保持机构，用于保持所述的负荷加载装置，用以实施所述的用于测试轴承结构疲劳寿命的试验方法。
12.这样的轴承测试台架尤其适合于由传统轴承旋转测试台架改造而成。只要所述保持机构能够可靠装配在所述台架上，就能够实施本发明所述的实验方法。这种台架不仅改造难度低，而且兼具成本优势。
13.以下结合附图详细描述本发明的各种实施方式和有益的技术效果。
附图说明
14.图1为现有轴承结构疲劳寿命试验的方法示意图；
15.图2为采用负荷套圈实施轴承结构疲劳寿命试验的方法示意图；
16.图3为径向视角下保持机构的放大截面图；以及
17.图4为侧向视角下保持机构的剖面透视图。
具体实施方式
18.在以下描述中，表示方向的用语，例如“轴向”、“径向”以及“圆周方向”，除非另有限定或说明，均指被测轴承或者与被测轴承匹配安装的相关部件的轴向、径向和圆周方向。
19.图2为环形结构的负荷加载装置被用于实施轴承结构疲劳寿命试验的方法示意图。从图中可以看出，负荷加载装置10为具有大致环形结构的负荷套圈。有必要指出，在本发明中，所述“大致环形”也包含筒形结构的情形。取决于轴向尺寸(即宽度)与径向尺寸(即外径)之间的比例，所述负荷套圈10可以在大致环形和大致筒形的形态之间过渡。在筒形形态的情况下，负荷套圈10的轴向尺寸可以大于其径向尺寸。在典型情况下，负荷套圈10可由轴承钢之类的金属材料制成的。在试验状态下，负荷套圈10被套配在被测轴承1的径向外围。换而言之，由盘形凸轮2嵌入被测轴承1内形成的应变波发生器紧凑装配在负荷套圈10的内孔中。负荷套圈10的内孔可以被选择为与轴承1的外圈ro尺寸匹配一致，从而与轴承1形成等幅应变的匹配模式。出于增大摩擦的考虑，负荷加载装置10的轴向尺寸(即宽度)一
般被选择大于轴承外圈ro的轴向尺寸(即宽度)。
20.传动轴系6输入旋转扭矩，驱动凸轮轴3发生旋转，迫使套配在凸轮2外围的轴承1跟随凸轮2的椭圆长轴产生在圆周方向上的动态径向膨胀，而所述膨胀又进一步迫使紧凑装配在轴承外圈ro之外的负荷套圈10产生相应的弹性形变。在约束部件26的约束下(详见后文描述)，负荷套圈10被限制与套配于其中的轴承外圈ro一起跟随凸轮2转动，但出于弹性回复的特性，负荷套圈10从径向外侧对轴承1施加主要在径向上的应变压力负荷。所述应变压力负荷主要由负荷套圈10的弹性形变所引发，因而总是与凸轮2在其椭圆长轴方向上引发的径向膨胀相伴相生，且始终保持同步。
21.不难理解，负荷套圈10的应变压力负荷与凸轮2形态引发的径向膨胀具有正相关性。例如，凸轮2的椭圆长轴超出负荷套圈10内孔的膨胀幅度越大，负荷加载装置10基于弹性回复特性对被测轴承10所施加的应变压力就越大。这从材料在弹性变形阶段应力和应变符合正比例关系的胡克定律中可以得到正确的诠释。此外，负荷套圈的材料、形状和尺寸也会对其弹性模量产生决定性的影响。例如，在其他因素不变的情况下，负荷套圈的壁厚和轴向尺寸(即宽度)对其弹性性能就有关键性的影响。
22.上述特点使负荷套圈特别适合于根据应用进行逆向定制，即根据应用负荷设定试验加载负荷，再根据试验加载负荷定制负荷套圈。于是，针对不同型号、规格的轴承，人们可以事先准备不同的负荷套圈，以实现试验的标准化和系列化，从而使轴承结构疲劳寿命试验成为实验室标准模拟试验。计算表明，负荷套圈的轴向尺寸最大不宜超过被测轴承轴向尺寸的10倍，优选不超过被测轴承轴向尺寸的5倍，进一步优选不超过被测轴承轴向尺寸的3倍。此外，负荷套圈的壁厚优选介于1～4毫米之间，进一步优选介于2～3毫米之间。上述尺寸的负荷套圈不仅结构简单，加工便利，而且定制负荷精确，兼具实用价值和成本优势。
23.图3和4分别为不同视角下保持机构的剖面示意图。在图示的具体实施方式中，保持机构20为负荷套圈10提供“阻转支撑”，所述“阻转支撑”可由柔性约束部件26来实现。所述柔性约束部件26可至少局部由弹性体材料(例如，天然橡胶或人造橡胶)制成，内径略小于负荷套圈10的外径，因此能够紧凑套配在负荷套圈10的径向外围。在典型情况下，约束部件26可以是一个完整的弹性材料圈，也可以是离散分布于负荷套圈10圆周外围的若干弹性材料块。在试验状态下，柔性约束部件26能够对负荷套圈10提供阻转约束，即通过摩擦力阻止负荷套圈10和套配于负荷套圈10中的轴承外圈ro跟随凸轮2的旋转产生任何圆周移位，但其径向应变负荷不会对负荷套圈10造成过大的径向约束，即与负荷套圈10的径向应变负荷相比，柔性约束部件26的径向应变负荷可以忽略不计，抑或至少不会对负荷套圈10的试验加载负荷产生显著的影响。
24.在图3和4所示的具体实施方式中，保持机构20主要由两侧的夹板21、23和在轴向上限定夹板间距的环壁25构成。所述夹板21、23均为完整的盘形部件(图中仅显示其部分结构)，沿圆周分布有用于连接环壁25的栓孔。环形壁25上形成有凹槽25a，适于与轴承测试台架100上的环形底座(未显示)配合，用于将保持机构20可靠固定在轴承测试台架100上。
25.夹板21、23在其大致中心位置处形成有轴承座21a、23a，用于通过滚动轴承22、24为凸轮轴3提供旋转支撑。凸轮2在其椭圆长轴方向上引发的径向膨胀使得装配在其圆周外围的被测轴承1、负荷套圈10和约束部件26依次紧凑地套配在一起。从轴承22、24的内圈22i、24i上获得支撑的定位垫圈27、29分别从轴向两侧抵靠被测轴承1的内圈ri，用于防止
轴承1在试验过程中从凸轮2上滑脱。夹板21、23在彼此相向的一面形成有肩部21b、23b，用于从轴向两侧为柔性约束部件26提供定位支撑，使后者，如上文所述，能够为负荷套圈10提供阻转支撑。
26.作为另外一种选择，所述阻转支撑也可以由刚性约束部件来实现。所述刚性约束部件，例如，可以是嵌配在夹板销孔21c、23c(如图3和4所示)中的定位销21d、23d(如图2所示)。在图2所示的具体实施方式中，定位销21d、23d紧凑嵌配在销孔21c、23c中，通过与负荷套圈10圆周上的局部凹槽相配合，为后者提供阻转支撑，但不妨碍负荷套圈10跟随凸轮2的旋转径向膨胀产生同步变形。由此可见，通过刚性部件的配合，约束部件也可以限制负荷套圈在圆周方向上的旋转自由度，但不妨碍负荷套圈在径向上的膨胀或者收缩自由度。
27.在图3和4所示的实施方式中，柔性约束构件26可被单独用于实施所述的阻转支撑，而在图2所示的实施方式中，柔性约束部件26和刚性约束部件21d、23d则可同时被用于实施所述的阻转支撑。由此可见，任何形式的约束部件，只要能为负荷套圈提供阻转支撑，有不妨碍后者在径向上的自由形变，均可以用于保持所述的复合套圈。
28.从以上描述可以看出，负荷套圈10通过保持机构20被固定在轴承旋转测试台架100上，通过对凸轮轴3输入旋转动力，就能够实施本发明所述的轴承结构疲劳寿命试验。该特征使传统轴承旋转测试台架也能被用于所述的试验，对设备改造的技术要求和成本支出都不高。
29.在以上描述中，椭圆凸轮2作为激励部件被用于实施轴承结构疲劳寿命试验。有必要指出，所述“椭圆”在本发明中是一个广义的概念，既包含标准的椭圆形，也包含卵形，甚至包含类似于田径运动场跑道的形状(由两条直跑道和两个半圆弧形跑道连接而成)。实际上，任何具有长轴与短轴意义上的长圆图形都可被理解为本发明所述的大致椭圆。不仅如此，圆曲多边形(边和角都经过圆曲化的多边形)，例如，圆曲三角形、圆曲正方形等，也都可以作为所述凸轮的轮廓基础，用于激励负荷加载装置跟随凸轮的旋转产生应变压力负荷。
30.此外，本说明书从薄壁轴承在谐波减速器中的应用出发，描述了改进后的轴承结构疲劳寿命试验方法以及在该方法中使用的试验装置。显然，上述方法和装置也适于对有结构疲劳性能要求的其他类型的轴承进行试验。
31.本领域的技术人员应当理解，上述试验方法和试验装置不受具体实施方式的限制，更具一般性的技术方案将以随附权利要求书中的限定为准。对本发明的任何变更和改进，只要符合随附权利要求书的限定，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于测试轴承结构疲劳寿命的试验方法，以嵌配在被测轴承(1)内的凸轮(2)产生旋转动态径向膨胀，通过所述轴承(1)将所述膨胀传递至紧凑套配在轴承(1)外围的负荷加载装置(10)上，迫使所述负荷加载装置(10)跟随所述膨胀同步变形，从而基于负荷加载装置(10)自身的弹性与所述凸轮(2)一起在内、外两个方向上对所述轴承(1)施加主要在径向上的旋转动态应变压力负荷，以此作为轴承结构疲劳寿命试验的试验加载负荷，其特征在于：所述负荷加载装置(10)由大致环形结构的负荷套圈(10)独立构成，所述负荷套圈(10)被设置为能够在保持机构(20)的阻转支撑下，限制嵌配其中的轴承(1)的外圈(r
o
)在试验过程中跟随凸轮(2)的旋转产生圆周移位，但不妨碍负荷套圈(10)基于所述同步变形对轴承(1)施予所述的试验加载负荷。2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述凸轮(2)具有大致椭圆形或者圆曲多边形的轮廓。3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于：所述负荷套圈(10)的材质、壁厚和/或轴向尺寸可根据轴承(1)的应用负荷逆向定制。4.一种用于轴承结构疲劳寿命试验的负荷加载装置(10)，由大致环形结构的负荷套圈(10)独立构成，适于容纳由凸轮(2)嵌配在被测轴承(1)中形成的应变波发生装置，能够跟随应变波发生装置产生的旋转径向膨胀同步变形，从而基于自身的弹性与所述凸轮(2)一起在内、外两个方向上对所述轴承(1)施加主要在径向上的动态旋转应变压力负荷，以此作为轴承结构疲劳寿命试验的试验加载负荷。5.根据权利要求4中所述的负荷加载装置(10)，其特征在于：所述负荷套圈(10)的轴向尺寸不超过轴承(1)外圈(r
o
)轴向尺寸的10倍。6.根据权利要求5中所述的负荷加载装置(10)，其特征在于：所述负荷套圈(10)的轴向尺寸不超过轴承(1)外圈(r
o
)轴向尺寸的5倍。7.根据权利要求4～6中任意一项所述的负荷加载装置(10)，其特征在于：所述负荷套圈(10)的内径与轴承(1)外圈(r
o
)的尺寸匹配一致，能够与轴承(1)形成等幅应变的匹配模式。8.一种保持机构(20)，适于装配在轴承旋转测试台架(100)上，为权利要求4～7中任意一项所述负荷加载装置(10)提供阻转支撑，所述保持机构(20)包含有约束部件(26、21d、23d)，所述约束部件(26、21d、23d)被设置为能够限制嵌配其中的负荷加载装置(10)在试验过程中跟随被测轴承(1)的外圈(r
o
)产生圆周移位，但不妨碍负荷加载装置(10)基于所述同步变形对被测轴承(1)施予所述的试验加载负荷。9.根据权利要求8所述的保持机构(20)，其特征在于：所述约束部件(26、21d、23d)可以是紧凑套配在负荷加载装置(10)径向外围的柔性约束部件(26)和/或仅限制负荷加载装置(10)在圆周方向上旋转自由度的刚性约束部件(21d、23d)。10.一种轴承旋转测试台架(100)，被设置为能够装配权利要求8～9中任意一项所述的保持机构(20)，用于保持权利要求4～7中任意一项所述的负荷加载装置(10)，用以实施权利要求1～3中任意一项所述的用于测试轴承结构疲劳寿命的试验方法。

技术总结
一种用于测试轴承结构疲劳寿命的试验方法，以嵌配在被测轴承(1)内的凸轮(2)产生旋转动态径向膨胀，通过轴承(1)将所述膨胀传递至紧凑套配在轴承(1)外围的负荷套圈(10)上，迫使负荷套圈(10)跟随所述膨胀同步变形，从而基于负荷套圈(10)自身的弹性与凸轮(2)一起在内、外两个方向上对轴承(1)施加主要在径向上的动态旋转应变压力负荷。上述方法利用负荷套圈(10)自身的弹性模拟被测轴承(1)在谐波减速器中的真实负载。在上述方法的基础上，本发明还提供为负荷套圈(10)提供阻转支撑的保持机构(20)和能够装配所述保持机构(20)的轴承旋转测试台架(100)。转测试台架(100)。转测试台架(100)。


技术研发人员：李兴政 曹克强 陈月峰 张蒙 祝贺
受保护的技术使用者：斯凯孚公司
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2023/10/7