临界滚动摩擦系数电子式测定装置及方法技术领域
本发明涉及一种摩擦系数测量装置，属于测量仪器技术领域。
背景技术
当测量两物体之间的滚动摩擦系数时，现有方法是将两物体同时放置于一倾角可
以变化的斜面上，一物体置于另一物体之上。下面的物体固定于斜面上, 上面的物体制作
成圆柱状，可以在下面的物体表面上自由滚动。如图5所示。
根据牛顿第二定律分析被测试样1开始运动时的情况。当倾斜角不大时, 被测试
样1相对于被测试样2处于静止状态。这时，有下式的力平衡：
N–mgcosθ=0 (1)
mgsinθ-f = 0 (2)
（1）式中，N 为被测试样2施加在被测试样1上的支撑反力；（2）式中，f 为摩擦力。逐渐
增大θ 角（可以通过改变距离x 实现）到θ = θ0时，被测试样1恰好开始滚动，这时摩擦力记
为fr，fr =u0 N ，此时的u0称为滚动摩擦系数，也是本发明要测量的物理量。将该式代入
到（1）、（2）式中，可得
u0= tan θ0=x0/y (3)
不同材料、不同表面粗糙度、不同使用环境条件下，两物体间的u0不同，故需要仪器设
备在具体条件下进行摩擦系数的测定；另正压力的大小理论上不会影响u0的大小，但在工
程应用中，由于两摩擦材料接触表面的微观形态不同（尤其是金属材料对非金属材料的摩
擦），正压力变化会导致u0在一定范围内发生变动，故在不同正压力大小施加作用下的u0
精确测定，也是工程应用中需要解决的问题。
经文献查新和专利检索，现有用于测定滚动摩擦系数（如M-2000多功能摩擦-磨损
实验机）的方法原理可归结为斜面小车法，即将被测试样1做成小车车轮，被测试样2做成平
板，对小车施加不同重量以测定两材料间的滚动摩擦系数。该方法需要在待测试样上装配
滚动轴承，欲使小车车轮滚动，必须先克服滚动轴承滚子与保持架间的摩擦力，故存在一定
测量误差。此外，中国专利ZL99251092.9《摩擦系数测定仪》是通过观察得到θ0角来计算u0
的，精度较低，且无法改变正压力，只涉及静摩擦系数测定，不涉及滚动摩擦系数测定范畴。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种临界滚动摩擦系数电子式测
定装置及方法，可任意改变正压力大小，精确测定滚动摩擦系数u0，将摩擦系数的测定问题
转换为距离测量问题，便捷直观。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种临界滚动摩擦系数电子式测定装置，它
包括底座，底座具有平整的下端面，底座上面的一端固定有铰支座，底座上面的另一端固定
有调节支架；
所述铰支座上通过铰接轴铰接有工作台，工作台在初始位置与所述底座平行，所述工
作台的中部有测试区域，测试区域内嵌装有平板状的被测试样Ⅱ，被测试样Ⅱ上放置有被
测试样Ⅰ，被测试样Ⅰ是圆柱形金属件；所述被测试样Ⅱ下方安装有给被测试样Ⅰ提供压力的
电磁铁，电磁铁的绕组线圈电连接有可调直流电压源；
所述调节支架位于所述工作台下方，所述调节支架上装有升降装置，升降装置包括滚
珠丝杠，滚珠丝杠的两端通过轴承安装在调节支架的横臂和丝杠轴架之间，滚珠丝杠与所
述底座垂直，滚珠丝杠的丝母上刚性连接有球头导杆，所述横臂上有供球头导杆穿过的通
孔，所述球头导杆与所述底座垂直并从横臂的通孔穿过，球头导杆与通孔内壁之间装有耐
磨润滑套，球头导杆的上端与所述工作台接触，所述滚珠丝杠的下端连有联轴器，联轴器连
接步进电机；所述球头导杆与铰接轴的轴线距离是定值y，定值y的精度为0.01mm；
所述升降装置还包括升降控制与位移检测系统，升降控制与位移检测系统包括：用于
检测所述球头导杆移动高度的位移检测传感器、带动步进电机运动的步进电机驱动装置、
接收位移检测传感器信号并控制步进电机驱动装置动作的PLC控制器、与PLC控制器电连接
的人机交互界面。
所述被测试样Ⅰ制作成中间粗两端细的台阶圆轴形，被测试样Ⅰ在静止和滚动时均
与所述电磁铁构成封闭磁路。
所述工作台的测试区域的两端极限位置均设置有挡块。
所述底座的下端面上设置有多个调整螺钉。
所述电磁铁的铁芯是“U”形，所述电磁铁通过卡箍和螺栓组件固定在所述工作台
下面。
所述被测试样Ⅱ的上平面与所述工作台的上平面齐平或低于所述工作台的上平
面。
所述耐磨润滑套是尼龙套或铜套。
所述人机交互界面是触摸显示屏。
一种采用所述装置的临界滚动摩擦系数电子式测定方法，其特征在于：
包括如下步骤：
第一步、将底座和工作台水平找正，升降控制与位移检测系统调零；球头导杆与铰接轴
的轴线距离在制作时就确定好定值y，定值y的精度为0.01mm；
第二步、将被测试样Ⅰ置于被测试样Ⅱ上静置，被测试样Ⅰ的滚动方向朝向所述铰支座；
第三步、工作台的抬升采用电脉冲点动控制，通过人机交互界面，每发一个脉冲， PLC
控制器就向步进电机驱动装置发讯，驱动步进电机旋转一个步距角，再通过联轴器和滚珠
丝杠将电机的旋转运动转化为丝母上的球头导杆的直线运动，进而精确控制球头导杆的位
移量，通过电脉冲点动控制缓慢抬起工作台，抬起的距离由位移检测传感器测出并在人机
交互界面显示；
第四步、当被测试样Ⅰ恰好在被测试样Ⅱ上发生滚动时，停止发动电脉冲信号，实验结
束，人机交互界面上显示出此时的抬升位移量，记录此时抬起距离读数x0，根据u0= tan
θ0=x0/y，得到滚动摩擦系数u0的值；
第五步、调节可调直流电压源，改变直流电流I的大小，施加不同大小的吸力，重复上述
试验，测定不同大小正压力时，滚动摩擦系数值的变化。
本发明的有益效果是：
1、本发明将摩擦系数的测定问题转换为距离测量问题，便捷直观；将负载施加变换为
电磁力施加，操作简便，误差小。
2、本发明精度高：可进行电脉冲点动控制，通过触摸屏人机交互界面，每发一个脉
冲，驱动步进电机旋转一定步距角，进而精确控制球头导杆的位移量，摒弃了人手操作。本
发明对x 的读数可直接显示的触摸屏上，无需人工读取，去除了人为读取百分表示数的读
取误差；通过选择合适的滚珠丝杠螺距，配置精度满足要求的步进电机及其分频驱动装置，
可以由中控PLC精确控制球头导杆的移动距离，并显示在可提供交互控制界面的触摸屏上。
如果在球头导杆上装配位移检测传感器，还可实现闭环控制，精确测量控制指令发出后x
的真实大小。
3、本发明稳定性好，可靠性高：丝母与球头导杆间通过螺钉刚性连接，将螺母与滚
珠丝杠间的摩擦力力矩作用通过球头导杆转移到调节支架上，由调节支架承担，球头导杆
只负责上下移动，动作稳定可靠。
4、本发明正压力施加通过电磁吸力装置实现，可通过改变直流电流的大小改变正
压力大小，测量不同正压力下两材料间的滚动摩擦系数；
5、本发明测量结构简单、操作便利，易于实施推广。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的左视图；
图4是图2的A-A剖视图；
图5是本发明原理图。
图中，1、工作台，2、挡块，3、被测试样Ⅰ，4、被测试样Ⅱ，5、电磁铁，5-1、绕组线圈，5-2、
可调直流电压源，6、卡箍，7、球头导杆，8、滚珠丝杠，8-1、丝母，9、步进电机，9-1、联轴器，
10、调节支架，10-1、耐磨润滑套，10-2、横臂，10-3、丝杠轴架，11、调整螺钉，12、底座， 13、
铰支座，14、铰接轴。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
如图1-图4所示的一种临界滚动摩擦系数电子式测定装置，它包括底座12，底座12
具有平整的下端面，底座12上面的一端固定有铰支座13，底座12上面的另一端固定有调节
支架10；
所述铰支座13上通过铰接轴14铰接有工作台1，工作台1在初始位置与所述底座12平
行，所述工作台1的中部有测试区域，测试区域内嵌装有平板状的被测试样Ⅱ4，被测试样Ⅱ
4上放置有被测试样Ⅰ3，被测试样Ⅰ3是圆柱形金属件；所述被测试样Ⅱ4下方安装有给被测
试样Ⅰ3提供压力的电磁铁5，电磁铁5的绕组线圈5-1电连接有可调直流电压源5-2；
所述调节支架10位于所述工作台1下方，所述调节支架10上装有升降装置，升降装置包
括滚珠丝杠8，滚珠丝杠8的两端通过轴承安装在调节支架10的横臂10-2和丝杠轴架10-3之
间，滚珠丝杠8与所述底座12垂直，滚珠丝杠8的丝母8-1上刚性连接有球头导杆7，所述横臂
10-2上有供球头导杆7穿过的通孔，所述球头导杆7与所述底座12垂直并从横臂10-2的通孔
穿过，球头导杆7与通孔内壁之间装有耐磨润滑套10-1，球头导杆7的上端与所述工作台1接
触，所述滚珠丝杠8的下端连有联轴器9-1，联轴器9-1连接步进电机9；所述球头导杆7与铰
接轴14的轴线距离是定值y，定值y的精度为0.01mm；
所述升降装置还包括升降控制与位移检测系统，升降控制与位移检测系统包括：用于
检测所述球头导杆7移动高度的位移检测传感器、带动步进电机9运动的步进电机驱动装
置、接收位移检测传感器信号并控制步进电机驱动装置动作的PLC控制器、与PLC控制器电
连接的人机交互界面。
所述被测试样Ⅰ3制作成中间粗两端细的台阶圆轴形，被测试样Ⅰ3在静止和滚动时
均与所述电磁铁5构成封闭磁路。
所述工作台1的测试区域的两端极限位置均设置有挡块2。
所述底座12的下端面上设置有多个调整螺钉11。
所述电磁铁5的铁芯是“U”形，所述电磁铁5通过卡箍6和螺栓组件固定在所述工作
台1下面。
所述被测试样Ⅱ4的上平面与所述工作台1的上平面齐平或低于所述工作台1的上
平面。
所述耐磨润滑套10-1是尼龙套或铜套。
所述人机交互界面是触摸显示屏。
结合图5的原理，一种采用所述装置的临界滚动摩擦系数电子式测定方法，
包括如下步骤：
第一步、将底座12和工作台1水平找正，升降控制与位移检测系统调零；球头导杆7与铰
接轴14的轴线距离在制作时就确定好定值y，定值y的精度为0.01mm；
第二步、将被测试样Ⅰ3置于被测试样Ⅱ4上静置，被测试样Ⅰ3的滚动方向朝向所述铰支
座13；
第三步、工作台1的抬升采用电脉冲点动控制，通过人机交互界面，每发一个脉冲， PLC
控制器就向步进电机驱动装置发讯，驱动步进电机9旋转一个步距角，再通过联轴器9-1和
滚珠丝杠8将电机的旋转运动转化为丝母8-1上的球头导杆7的直线运动，进而精确控制球
头导杆的位移量，通过电脉冲点动控制缓慢抬起工作台1，抬起的距离由位移检测传感器测
出并在人机交互界面显示；
第四步、当被测试样Ⅰ3恰好在被测试样Ⅱ4上发生滚动时，停止发动电脉冲信号，实验
结束，人机交互界面上显示出此时的抬升位移量，记录此时抬起距离读数x0，根据u0=
tan θ0=x0/y，得到滚动摩擦系数u0的值；
第五步、调节可调直流电压源5-2，改变直流电流I的大小，施加不同大小的吸力，重复
上述试验，测定不同大小正压力时，滚动摩擦系数值的变化。
本发明的机械传动装置采用步进电机驱动，通过联轴器将运动传递给滚珠丝杠，
滚珠丝杠通过螺母将旋转运动转换为直线运动，螺母上固连着球头导杆，球头导杆可以在
有良好润滑的耐磨衬套中上下移动，进而推动工作台上下移动，改变距离x 。
本发明精度高：可进行电脉冲点动控制，通过触摸屏人机交互界面，每发一个脉
冲，驱动步进电机旋转一定步距角，进而精确控制球头导杆的位移量，摒弃了人手操作，精
度较方案A高很多。
本发明稳定性好，可靠性高：丝母与球头导杆间通过螺钉刚性连接，将螺母与滚珠
丝杠间的摩擦力力矩作用通过球头导杆转移到调节支架上，由调节支架承担，球头导杆只
负责上下移动，动作稳定可靠。
本发明对x 的读数可直接显示的触摸屏上，无需人工读取，去除了人为读取百分
表示数的读取误差；通过选择合适的滚珠丝杠螺距，配置精度满足要求的步进电机及其分
频驱动装置，可以由中控PLC精确控制球头导杆的移动距离，并显示在可提供交互控制界面
的触摸屏上。如果在球头导杆上装配位移检测传感器，还可实现闭环控制，精确测量控制指
令发出后x 的真实大小。