一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统及方法，属于试验系数参数测量系统和方法领域，是由伺服电机、扭矩传感器、试验腔、动卡具、静卡具、压力传感器、气压装置、倾斜滚柱试验件组成的，伺服电机提供转速信号以驱动扭矩传感器，扭矩传感器将转速参数传递至动卡具，气压装置提供压力信号给压力传感器，动卡具和静卡具均安装在试验腔内，并且动卡具和静卡具将倾斜滚柱试验件夹在中间，并且通过装配拆装试验件过程、摩擦系数试验求取过程和摩擦系数的验证校验过程实现完整的摩擦系数求取，有益效果是：将摩擦系数通过试验的方法测量计算出，并且更换不同规格的试验件，反过来能够对摩擦系数进行不同工况下的验证和可信度核验。
1.一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统，是由伺服电机、扭矩传感器、试验腔、动卡具、静卡具、压力传感器、气压装置、倾斜滚柱试验件组成的，其特征在于：所述的伺服电机提供转速信号以驱动扭矩传感器，所述的扭矩传感器将转速参数传递至动卡具，所述的气压装置提供压力信号给压力传感器，所述的动卡具和所述的静卡具均安装在试验腔内，并且所述的动卡具和所述的静卡具将倾斜滚柱试验件夹在中间；
所述的倾斜滚柱试验件是由动摩擦盘、静摩擦盘、斜度固定柱、铜套、保持架和圆柱滚子组成，所述的扭矩传感器、所述的动卡具、所述的动摩擦盘、所述的斜度固定柱依次安装连接，所述的铜套套在斜度固定柱上，所述的保持架安装在斜度固定柱上，所述的保持架上均布安装着圆柱滚子，所述的压力传感器、所述的静卡具、所述的静摩擦盘依次安装连接，所述的保持架上的圆柱滚子的圆柱面与所述的动摩擦盘和所述的静摩擦盘接触，所述的圆柱滚子处的摩擦力矩的矢量和通过扭矩传感器测量，所述的圆柱滚子处的接触压力通过压力传感器测量；
所述的试验腔内装有15号航空液压油，所述的试验腔内安装着加热管和温度传感器，所述的温度传感器的数目为二个；
滚柱倾斜角度φ，即保持架上矩形槽的短边的中线与保持架径向的夹角；
等效摩擦半径Rf，即保持架上矩形槽的对角线交点到保持架的圆心的距离；
滚柱长度L，即保持架上矩形槽的短边的长度；除此之外，所述的压力传感器上的轴向载荷测量值为Fa，所述的扭矩传感器上的扭矩测量值为Tf，所述的扭矩测量值可以表示为其中μ为待求的摩擦系数， 为力臂系数。
2.如权利要求1所述的一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统，其特征在于，所述的伺服电机、所述的气压装置、所述的扭矩传感器、所述的压力传感器、所述的温度传感器和所述的加热管通过信号线与上位机和温控仪相连接，并且所述的上位机能调节伺服电机的转速Rev和气压装置的轴向载荷Fa'，所述的温控仪能调节加热管的温度Toil。
3.一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验方法，其特征在于，该方法使用了权利要求1或2所述的一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统，其中，倾斜滚柱试验件的安装和装配过程StepA包含以下步骤：StepA1，将所述的扭矩传感器、所述的动卡具、所述的动摩擦盘、所述的斜度固定柱依次安装连接，将所述的压力传感器、所述的静卡具、所述的静摩擦盘依次安装连接，同时保证所述的试验腔将所述的动卡具和所述的静卡具安装在内；
StepA2，将所述的动摩擦盘通过花键连接安装在动卡具上，将所述的斜度固定柱安装在动摩擦盘上，将所述的铜套安装在动摩擦盘上，将所述的静摩擦盘通过花键连接安装在静卡具上；
StepA3，将所述的圆柱滚子依次安装在保持架上，将所述的保持架安装在铜套上；
StepA4，手动调节所述的气压装置的轴向位置，使得所述的动摩擦盘和所述的静摩擦盘将所述的圆柱滚子恰好轻微接触，不产生较大的接触力。
4.如权利要求3所述的一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验方法，其特征在于，倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的求取过程StepB包含以下步骤：StepB1，完成所述的StepA之后，向所述的试验腔内倒入15号航空液压油，控制其液面高度在最低位置的所述的圆柱滚子的上边缘；
StepB2，将其中一个所述的温度传感器插入到油液中在所述的加热管的附近，将另外一个所述的温度传感器插入到油液中在最低位置的所述的圆柱滚子的附近；
StepB3，在上位机界面输入试验日期和试验编号，输入所述的滚柱倾斜角度φ、所述的等效摩擦半径Rf、所述的滚柱长度L的数值，依据控制变量的原则输入不同试验编号下的伺服电机的转速Rev和气压装置的轴向载荷Fa'，设定拖动摩擦时间t和改变试验编号下的试验次数N，在温控仪界面将油液温度设定为Toil；
StepB4，启动所述的伺服电机和所述的气压装置，点击拖动摩擦试验，所述的上位机在界面上实时显示所述的伺服电机的转速Rev、所述的扭矩传感器上的扭矩测量值Tf、所述的压力传感器上的轴向载荷测量值Fa、摩擦表面温度Tsurface与所述的拖动摩擦时间t的关系曲线，在所述的温控仪的界面上实时显示所述的油液温度Toil；
StepB5，完成所设定的所有的试验编号的试验后，将数据导出，并在数据处理软件中先根据所测的扭矩测量值Tf、所测的轴向载荷测量值Fa、所输入的滚柱倾斜角度φ、所输入的等效摩擦半径Rf和所输入的滚柱长度L计算出平均摩擦系数μ，同时将所有测得的数据进行拟合，输入拟合模型为
y＝a·Fa·(Rfsinφ+bL)，其中y为所测的扭矩测量值Tf、a为待拟合的摩擦系数μ、b为待拟合的力臂系数，设定a的拟合范围为[0,1]、b的拟合范围为[0,1]，通过数据拟合工具箱得到拟合的a和b；
StepB6，根据所得到的a和b分别能绘制a‑Fa、a‑Rev、b‑Fa、b‑Rev关系曲线，同时由粘度‑1
计测得油液的黏度ν，并能绘制a‑ν·Rev·F 关系曲线。
5.如权利要求4所述的一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验方法，其特征在于，倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的验证过程StepC包含以下步骤：StepC1，完成所述的StepB后，将所述的气压装置连同所述的压力传感器向后移动，使得所述的圆柱滚子与静摩擦盘的距离为8～10倍的保持架的厚度，取下所述的圆柱滚子和所述的保持架所组成的装配件，用一组新的所述的圆柱滚子和一个新的所述的保持架重复执行所述的StepA3和StepA4；
StepC2，使用新的所述的圆柱滚子和新的所述的保持架所组成的装配件重复执行StepB2、StepB3和StepB4；
StepC3，应用公式 并且将 替换为StepB5所拟合的b值，可以计算出任意时刻的μ的数值，将所述的μ值与StepB5所拟合的a值进行比较，求出绝对差值|μ‑a|i，i代表试验编号；
StepC4，将所有规格的保持架更换完毕后，得到所有不同规格保持架的绝对差值|μ‑a|i，同时可用 来表示百分比，所述的 可以作为摩擦系数求取和验证过程的依据。
一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及试验系数参数测量系统和方法领域，更具体的说是涉及一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统及方法。
背景技术
[0002] 水平安定面是配合升降舵控制飞机俯仰的关键辅助舵面，其中电动水平安定面作动器是控制水平安定面的关键作动装置，其组成相对复杂、可靠性要求高、余度要求多，这
就使得其设计尤为关键。电动水平安定面作动器中关键组成部件是防逆转机构，用于飞机
在飞行过程中的顺载、逆载和锁定控制，传统的防逆转机构是碳盘式的摩擦盘式结构，虽然
对碳盘式结构的研究相对较多，但是其磨损严重、需要长期更换是一大劣势，针对这一问
题，出现了一种倾斜滚柱式摩擦盘。
[0003] 但是，倾斜滚柱式摩擦盘的研究和成果相对较少，其应用场景中，摩擦系数是一大关键研究因素，摩擦系数的数据直接关系到倾斜滚柱式摩擦盘的制动性能。为了能够更好
地、较为可靠地应用倾斜滚柱式摩擦盘，其摩擦系数的测量和归纳显得尤为重要。
发明内容
[0004] 针对上述的不足，本发明提供了一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统及方法。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统及方法，是由伺服电机、扭矩传感器、试验腔、动卡具、静卡具、压力传感器、气压装置、
倾斜滚柱试验件组成的，所述的伺服电机提供转速信号以驱动扭矩传感器，所述的扭矩传
感器将转速参数传递至动卡具，所述的气压装置提供压力信号给压力传感器，所述的动卡
具和所述的静卡具均安装在试验腔内，并且所述的动卡具和所述的静卡具将倾斜滚柱试验
件夹在中间；
[0006] 所述的倾斜滚柱试验件是由动摩擦盘、静摩擦盘、斜度固定柱、铜套、保持架和圆柱滚子组成，所述的扭矩传感器、所述的动卡具、所述的动摩擦盘、所述的斜度固定柱依次
安装连接，所述的铜套套在斜度固定柱上，所述的保持架安装在斜度固定柱上，所述的保持
架上均布安装着圆柱滚子，所述的压力传感器、所述的静卡具、所述的静摩擦盘依次安装连
接，所述的保持架上的圆柱滚子的圆柱面与所述的动摩擦盘和所述的静摩擦盘接触，所述
的圆柱滚子处的摩擦力矩的矢量和通过扭矩传感器测量，所述的圆柱滚子处的接触压力通
过压力传感器测量；
[0007] 所述的试验腔内装有15号航空液压油，所述的试验腔内安装着加热管和温度传感器，所述的温度传感器的数目为二个。
[0008] 进一步地，所述的保持架主要包含以下参数：
[0009] 滚柱倾斜角度φ，即保持架上矩形槽的短边的中线与保持架径向的夹角；
[0010] 等效摩擦半径Rf，即保持架上矩形槽的对角线交点到保持架的圆心的距离；
[0011] 滚柱长度L，即保持架上矩形槽的短边的长度；除此之外，所述的压力传感器上的轴向载荷测量值为Fa，所述的扭矩传感器上的扭矩测量值为Tf，所述的扭矩测量值可以表示
为
[0012]
[0013] 其中μ为待求的摩擦系数， 为力臂系数。
[0014] 进一步地，所述的伺服电机、所述的气压装置、所述的扭矩传感器、所述的压力传感器、所述的温度传感器和所述的加热管通过信号线与上位机和温控仪相连接，并且所述
的上位机能调节伺服电机的转速Rev和气压装置的轴向载荷Fa'，所述的温控仪能调节加热
管的温度Toil。
[0015] 进一步地，倾斜滚柱试验件的安装和装配过程StepA包含以下步骤：
[0016] StepA1，将所述的扭矩传感器、所述的动卡具、所述的动摩擦盘、所述的斜度固定柱依次安装连接，将所述的压力传感器、所述的静卡具、所述的静摩擦盘依次安装连接，同
时保证所述的试验腔将所述的动卡具和所述的静卡具安装在内；
[0017] StepA2，将所述的动摩擦盘通过花键连接安装在动卡具上，将所述的斜度固定柱安装在动摩擦盘上，将所述的铜套安装在动摩擦盘上，将所述的静摩擦盘通过花键连接安
装在静卡具上；
[0018] StepA3，将所述的圆柱滚子依次安装在保持架上，将所述的保持架安装在铜套上；
[0019] StepA4，手动调节所述的气压装置的轴向位置，使得所述的动摩擦盘和所述的静摩擦盘将所述的圆柱滚子恰好轻微接触，不产生较大的接触力。
[0020] 进一步地，倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的求取过程StepB包含以下步骤：
[0021] StepB1，完成所述的StepA之后，向所述的试验腔内倒入15号航空液压油，控制其液面高度在最低位置的所述的圆柱滚子的上边缘；
[0022] StepB2，将其中一个所述的温度传感器插入到油液中在所述的加热管的附近，将另外一个所述的温度传感器插入到油液中在最低位置的所述的圆柱滚子的附近；
[0023] StepB3，在上位机界面输入试验日期和试验编号，输入所述的滚柱倾斜角度φ、所述的等效摩擦半径Rf、所述的滚柱长度L的数值，依据控制变量的原则输入不同试验编号下
的伺服电机的转速Rev和气压装置的轴向载荷Fa'，设定拖动摩擦时间t和改变试验编号下
的试验次数N，在温控仪界面将油液温度设定为Toil；
[0024] StepB4，启动所述的伺服电机和所述的气压装置，点击拖动摩擦试验，所述的上位机在界面上实时显示所述的伺服电机的转速Rev、所述的扭矩传感器上的扭矩测量值Tf、所
述的压力传感器上的轴向载荷测量值Fa、摩擦表面温度Tsurface与所述的拖动摩擦时间t的关
系曲线，在所述的温控仪的界面上实时显示所述的油液温度Toil；
[0025] StepB5，完成所设定的所有的试验编号的试验后，将数据导出，并在数据处理软件中先根据所测的扭矩测量值Tf、所测的轴向载荷测量值Fa、所输入的滚柱倾斜角度φ、所输
入的等效摩擦半径Rf和所输入的滚柱长度L计算出平均摩擦系数μ，同时将所有测得的数据
进行拟合，输入拟合模型为
[0026] y＝a·Fa·(Rfsinφ+bL)，
[0027] 其中y为所测的扭矩测量值Tf、a为待拟合的摩擦系数μ、b为待拟合的力臂系数，设定a的拟合范围为[0,1]、b的拟合范围为[0,1]，通过数据拟合工具箱得到拟合的a和b；
[0028] StepB6，根据所得到的a和b分别能绘制a‑Fa、a‑Rev、b‑Fa、b‑Rev关系曲线，同时由‑1
粘度计测得油液的黏度ν，并能绘制a‑ν·Rev·F 关系曲线。
[0029] 进一步地，倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的验证过程StepC包含以下步骤：
[0030] StepC1，完成所述的StepB后，将所述的气压装置连同所述的压力传感器向后移动，使得所述的圆柱滚子与静摩擦盘的距离为8～10倍的保持架的厚度，取下所述的圆柱滚
子和所述的保持架所组成的装配件，用一组新的所述的圆柱滚子和一个新的所述的保持架
重复执行所述的StepA3和StepA4；
[0031] StepC2，使用新的所述的圆柱滚子和新的所述的保持架所组成的装配件重复执行StepB2、StepB3和StepB4；
[0032] StepC3，应用公式 并且将 替换为StepB5所拟合的b值，可以计算出任意时刻的μ的数值，将所述的μ值与StepB5所拟合的a值进行比较，求出绝对差值
|μ‑a|i，i代表试验编号；
[0033] StepC4，将所有规格的保持架更换完毕后，得到所有不同规格保持架的绝对差值|μ‑a|i，同时可用 来表示百分比，所述的 可以作为摩擦系数求取和验证过程的
依据。
[0034] 本发明的有益效果是：
[0035] 通过试验的方法搭建测量测试系统，分别设置输入的转速和压力参数，能够通过传感器测量得到扭矩参数和压力参数；
[0036] 通过输入倾斜滚柱摩擦盘中的结构参数，结合扭矩预测方程，能够在上位机中得到摩擦系数的实时参数；
[0037] 通过导出测量参数，结合数据拟合工具箱，能够得到不同转速、不同压力和不同结构参数下的摩擦系数拟合值；
[0038] 通过更换不同规格的保持架，将实验测得的摩擦系数值和理论的摩擦系数值进行对比验证，来确定实验测得的摩擦系数的可信度。
附图说明
[0039] 图1为本发明的系统和方法示意图；
[0040] 图2为本发明的系统结构示意图；
[0041] 图3为本发明的倾斜滚柱试验件的装配示意图；
[0042] 图4为本发明的保持架的示意图；
[0043] 图5为本发明试验腔中各元件的位置示意图；
[0044] 图6为本发明的各元件装配和安装流程示意图；
[0045] 图7为本发明的摩擦系数求取的流程示意图；
[0046] 图8为本发明的摩擦系数验证的流程示意图。
[0047] 图中，1、伺服电机；2、扭矩传感器；3、试验腔；4、动卡具；5、静卡具；6、压力传感器；7、气压装置；8、倾斜滚柱试验件；801、动摩擦盘；802、静摩擦盘；803、斜度固定柱；804、铜
套；805、保持架；806、圆柱滚子；9、加热管；10、温度传感器；11、15号航空液压油；12、液面高
度位置线。
具体实施方式
[0048] 一种求取倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的试验系统及方法，是由伺服电机1、扭矩传感器2、试验腔3、动卡具4、静卡具5、压力传感器6、气压装置7、倾斜滚柱试验件8组成的，所
述的伺服电机1提供转速信号以驱动扭矩传感器2，所述的扭矩传感器2将转速参数传递至
动卡具4，所述的气压装置7提供压力信号给压力传感器6，所述的动卡具4和所述的静卡具5
均安装在试验腔3内，并且所述的动卡具4和所述的静卡具5将倾斜滚柱试验件8夹在中间；
[0049] 所述的倾斜滚柱试验件8是由动摩擦盘801、静摩擦盘802、斜度固定柱803、铜套804、保持架805和圆柱滚子806组成，所述的扭矩传感器2、所述的动卡具4、所述的动摩擦盘
801、所述的斜度固定柱803依次安装连接，所述的铜套804套在斜度固定柱803上，所述的保
持架805安装在斜度固定柱803上，所述的保持架805上均布安装着圆柱滚子806，所述的压
力传感器6、所述的静卡具5、所述的静摩擦盘802依次安装连接，所述的保持架805上的圆柱
滚子806的圆柱面与所述的动摩擦盘801和所述的静摩擦盘802接触，所述的圆柱滚子806处
的摩擦力矩的矢量和通过扭矩传感器2测量，所述的圆柱滚子806处的接触压力通过压力传
感器6测量；
[0050] 所述的试验腔内3装有15号航空液压油11，所述的试验腔3内安装着加热管9和温度传感器10，所述的温度传感器10的数目为二个。
[0051] 进一步地，所述的保持架主要包含以下参数：
[0052] 滚柱倾斜角度φ，即保持架805上矩形槽的短边的中线与保持架805径向的夹角；
[0053] 等效摩擦半径Rf，即保持架805上矩形槽的对角线交点到保持架805的圆心的距离；
[0054] 滚柱长度L，即保持架805上矩形槽的短边的长度；除此之外，所述的压力传感器6上的轴向载荷测量值为Fa，所述的扭矩传感器2上的扭矩测量值为Tf，所述的扭矩测量值可
以表示为
[0055]
[0056] 其中μ为待求的摩擦系数，为力臂系数。
[0057] 进一步地，所述的伺服电机1、所述的气压装置7、所述的扭矩传感器2、所述的压力传感器6、所述的温度传感器10和所述的加热管9通过信号线与上位机和温控仪相连接，并
且所述的上位机能调节伺服电机1的转速Rev和气压装置7的轴向载荷Fa'，所述的温控仪能
调节加热管的温度Toil。
[0058] 进一步地，倾斜滚柱试验件8的安装和装配过程StepA包含以下步骤：
[0059] StepA1，将所述的扭矩传感器2、所述的动卡具4、所述的动摩擦盘801、所述的斜度固定柱803依次安装连接，将所述的压力传感器6、所述的静卡具5、所述的静摩擦盘802依次
安装连接，同时保证所述的试验腔3将所述的动卡具4和所述的静卡具5安装在内；
[0060] StepA2，将所述的动摩擦盘801通过花键连接安装在动卡具4上，将所述的斜度固定柱803安装在动摩擦盘801上，将所述的铜套804安装在动摩擦盘801上，将所述的静摩擦
盘802通过花键连接安装在静卡具5上；
[0061] StepA3，将所述的圆柱滚子806依次安装在保持架805上，将所述的保持架805安装在铜套804上；
[0062] StepA4，手动调节所述的气压装置7的轴向位置，使得所述的动摩擦盘801和所述的静摩擦盘802将所述的圆柱滚子806恰好轻微接触，不产生较大的接触力。
[0063] 进一步地，倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的求取过程StepB包含以下步骤：
[0064] StepB1，完成所述的StepA之后，向所述的试验腔3内倒入15号航空液压油11，控制其液面高度在最低位置的所述的圆柱滚子806的上边缘；
[0065] StepB2，将其中一个所述的温度传感器10插入到油液中在所述的加热管9的附近，将另外一个所述的温度传感器10插入到油液中在最低位置的所述的圆柱滚子806的附近；
[0066] StepB3，在上位机界面输入试验日期和试验编号，输入所述的滚柱倾斜角度φ、所述的等效摩擦半径Rf、所述的滚柱长度L的数值，依据控制变量的原则输入不同试验编号下
的伺服电机1的转速Rev和气压装置7的轴向载荷Fa'，设定拖动摩擦时间t和改变试验编号
下的试验次数N，在温控仪界面将油液温度设定为Toil；
[0067] StepB4，启动所述的伺服电机1和所述的气压装置7，点击拖动摩擦试验，所述的上位机在界面上实时显示所述的伺服电机1的转速Rev、所述的扭矩传感器2上的扭矩测量值
Tf、所述的压力传感器6上的轴向载荷测量值Fa、摩擦表面温度Tsurface与所述的拖动摩擦时
间t的关系曲线，在所述的温控仪的界面上实时显示所述的油液温度Toil；
[0068] StepB5，完成所设定的所有的试验编号的试验后，将数据导出，并在数据处理软件中先根据所测的扭矩测量值Tf、所测的轴向载荷测量值Fa、所输入的滚柱倾斜角度φ、所输
入的等效摩擦半径Rf和所输入的滚柱长度L计算出平均摩擦系数μ，同时将所有测得的数据
进行拟合，输入拟合模型为
[0069] y＝a·Fa·(Rfsinφ+bL)，
[0070] 其中y为所测的扭矩测量值Tf、a为待拟合的摩擦系数μ、b为待拟合的力臂系数，设定a的拟合范围为[0,1]、b的拟合范围为[0,1]，通过数据拟合工具箱得到拟合的a和b；
[0071] StepB6，根据所得到的a和b分别能绘制a‑Fa、a‑Rev、b‑Fa、b‑Rev关系曲线，同时由‑1
粘度计测得油液的黏度ν，并能绘制a‑ν·Rev·F 关系曲线。
[0072] 进一步地，倾斜滚柱式摩擦盘摩擦系数的验证过程StepC包含以下步骤：
[0073] StepC1，完成所述的StepB后，将所述的气压装置7连同所述的压力传感器6向后移动，使得所述的圆柱滚子806与静摩擦盘802的距离为8～10倍的保持架805的厚度，取下所
述的圆柱滚子806和所述的保持架805所组成的装配件，用一组新的所述的圆柱滚子806和
一个新的所述的保持架806重复执行所述的StepA3和StepA4；
[0074] StepC2，使用新的所述的圆柱滚子806和新的所述的保持架805所组成的装配件重复执行StepB2、StepB3和StepB4；
[0075] StepC3，应用公式 并且将 替换为StepB5所拟合的b值，可以计算出任意时刻的μ的数值，将所述的μ值与StepB5所拟合的a值进行比较，求出绝对差值
|μ‑a|i，i代表试验编号；
[0076] StepC4，将所有规格的保持架更换完毕后，得到所有不同规格保持架805的绝对差值|μ‑a|i，同时可用 来表示百分比，所述的 可以作为摩擦系数求取和验证过
程的依据。
[0077] 对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之
内。
