滾動(dòng)軸承的減摩設(shè)計(jì)

楊曉蔚

(洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

滾動(dòng)軸承在美國(guó)曾被直接稱(chēng)為“減摩軸承”，因?yàn)榕c被其替代的滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的摩擦因數(shù)μ要低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)(滑動(dòng)軸承一般約為0.1～0.01，滾動(dòng)軸承一般約為0.01～0.001，甚至更低)。因此，滾動(dòng)軸承的減摩特性，既是其誕生與發(fā)展的使命，也是其本質(zhì)所在。

1 滾動(dòng)軸承的摩擦因數(shù)

軸承摩擦因數(shù)μ的計(jì)算公式為

式中：M為軸承總摩擦力矩，N·mm；P為軸承當(dāng)量載荷，N；d為軸承內(nèi)徑，mm。

由于制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代滾動(dòng)軸承的摩擦因數(shù)都已達(dá)到了千分之一級(jí)別的程度。幾個(gè)國(guó)際著名軸承公司給出的軸承摩擦因數(shù)參考值見(jiàn)表1[1-4]，表中的數(shù)據(jù)通常是在軸承當(dāng)量載荷P≈0.1C(C為軸承基本額定動(dòng)載荷)，轉(zhuǎn)速n≈0.5ng(ng為軸承極限轉(zhuǎn)速)，潤(rùn)滑充分，安裝正確，運(yùn)轉(zhuǎn)正常的條件下確定的。

由表可知，不同公司生產(chǎn)的同一類(lèi)型軸承的摩擦因數(shù)在數(shù)值上大同小異，基本上都處于同一水平。根據(jù)表1，在低摩擦應(yīng)用領(lǐng)域，可選用調(diào)心球軸承、圓柱滾子軸承、深溝球軸承或推力球軸承。需要注意的是，盡管一般情況下低摩擦與高轉(zhuǎn)速正相關(guān)，即低摩擦因數(shù)軸承可用于高轉(zhuǎn)速工況，但在高轉(zhuǎn)速下，滾動(dòng)體的離心力和陀螺力矩急劇增大，其產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦將占據(jù)主要成分，因此，適用于高速工況的軸承，不僅與摩擦因數(shù)有關(guān)，而且與軸承的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表1 不同類(lèi)型軸承的摩擦因數(shù)

不同類(lèi)型軸承的速度性能如圖1所示，從圖中可以得到一個(gè)直觀的概念，屬于高速軸承類(lèi)型的主要有深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承和推力調(diào)心滾子軸承等。

圖1 不同類(lèi)型軸承的速度性能示意圖

2 滾動(dòng)軸承的減摩設(shè)計(jì)范例

盡管現(xiàn)代滾動(dòng)軸承的摩擦因數(shù)已達(dá)到很低的程度，但在當(dāng)今全球可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源與資源、注重環(huán)境保護(hù)的新發(fā)展趨勢(shì)下，許多著名軸承公司仍致力于進(jìn)一步的降低軸承摩擦損耗，并做出了顯著的成績(jī)。例如：

FAG的電動(dòng)機(jī)用C系列深溝球軸承，摩擦力矩減小35%；

NSK的家用空調(diào)、吸塵器和電扇用GR系列深溝球軸承，摩擦力矩減小40%～50%；

NTN的汽車(chē)變速器用“自密封的低摩擦力矩深溝球軸承”，摩擦力矩減小80%；

JTEKJ改進(jìn)的“LFT-Ⅲ超低摩擦力矩圓錐滾子軸承”，摩擦力矩減小50%；

SKF在新一代深溝球軸承中采用聚酰胺PA46+GF30作為標(biāo)準(zhǔn)保持架，摩擦力矩減小30%。

上述減摩成果，并沒(méi)有以過(guò)度犧牲其他性能及壽命指標(biāo)為代價(jià)，而均是多目標(biāo)綜合優(yōu)化的結(jié)果，不僅使軸承的摩擦力矩減小，同時(shí)還具備噪聲降低、重量減輕、壽命延長(zhǎng)等特點(diǎn)。

3 滾動(dòng)軸承的減摩設(shè)計(jì)方法

3.1 軸承摩擦產(chǎn)生的機(jī)理

軸承的摩擦就是對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)的阻抗，表現(xiàn)形式就是摩擦力矩，按其產(chǎn)生機(jī)理可以分為4種類(lèi)型：

(1)純滾動(dòng)摩擦；

(2)滾動(dòng)接觸面積上的差動(dòng)滑動(dòng)摩擦及自旋滑動(dòng)摩擦，如圖2所示[5];

圖2 球軸承滾動(dòng)接觸橢圓上的差動(dòng)和自旋滑動(dòng)速度與表面摩擦切應(yīng)力的分布

(3)滑動(dòng)接觸部位的滑動(dòng)摩擦，包括滾動(dòng)體與保持架兜孔之間的滑動(dòng)，保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)，滾子端面與套圈擋邊之間的滑動(dòng)，密封軸承中密封件與套圈之間的滑動(dòng)等；

(4)潤(rùn)滑劑的黏性阻滯摩擦。

綜合上述滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦和潤(rùn)滑劑摩擦而產(chǎn)生的阻抗軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的力矩就稱(chēng)為軸承總摩擦力矩，其計(jì)算式為

M=ML+MV=(MD+MS)+MV，

式中：ML為載荷項(xiàng)摩擦力矩，N·mm；MV為速度項(xiàng)摩擦力矩，N·mm；MD為差動(dòng)滑動(dòng)摩擦力矩，N·mm；MS為自旋滑動(dòng)摩擦力矩，N·mm。這幾項(xiàng)摩擦力矩均可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，各個(gè)軸承公司不盡相同。

3.2 軸承的減摩設(shè)計(jì)方法

減小軸承摩擦，除了可從特別重要的潤(rùn)滑方面(包括潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑方式及接觸副的表面粗糙度)著手外，主要任務(wù)是減小屬于軸承內(nèi)在特性的滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦。

軸承減摩設(shè)計(jì)的原則為：在保證軸承其他性能及使用壽命要求的前提下進(jìn)行減摩設(shè)計(jì)，不能僅單純?yōu)闇p摩，從而嚴(yán)重影響其他性能、壽命及可靠性的實(shí)現(xiàn)，使軸承難以滿(mǎn)足規(guī)定的使用要求。

減摩設(shè)計(jì)應(yīng)首先基于摩擦學(xué)原理和機(jī)理。以深溝球軸承載荷項(xiàng)中差動(dòng)滑動(dòng)摩擦力矩MD為例，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為[6]

另外，增加接觸橢圓短軸長(zhǎng)度或減小接觸橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，減小接觸面積和增加圓錐滾子軸承接觸角等措施，均可減小軸承摩擦力矩。

4 滾動(dòng)軸承的減摩設(shè)計(jì)措施

以最具代表性的深溝球軸承和圓錐滾子軸承為例，敘述在減摩設(shè)計(jì)中通常采取的路徑或措施。

4.1 深溝球軸承的減摩設(shè)計(jì)

(1)減小球組節(jié)圓直徑；(2)增大球徑；(3)減小球與溝道的密合度；(4)減少球數(shù)；(5)改善球與保持架兜孔之間的潤(rùn)滑性能。

以上措施可以綜合采用，也可以對(duì)某一方面重點(diǎn)改進(jìn)。例如，NSK公司的GR系列深溝球軸承，減小球組節(jié)圓直徑可以達(dá)到如圖3所示的程度；NTN公司則在沖壓保持架兜孔上設(shè)計(jì)了儲(chǔ)油槽，如圖4所示。

圖3 NSK的GR深溝球軸承與原結(jié)構(gòu)的比較

圖4 NTN的具有儲(chǔ)油槽的沖壓保持架

4.2 圓錐滾子軸承的減摩設(shè)計(jì)

(1)減小滾子組節(jié)圓直徑；(2)增大滾子直徑；(3)減小滾子長(zhǎng)度；(4)增大軸承接觸角；(5)對(duì)滾子與滾道的接觸面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；(6)改善滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸狀況；(7)減少滾子數(shù)目。

以上措施同樣可以綜合考慮，也可以突出重點(diǎn)。例如，JTEKT的“LFT-Ⅲ超低摩擦力矩圓錐滾子軸承”主要采用的減摩措施如圖5所示[7]。

圖5 超低摩擦力矩圓錐滾子軸承減摩措施

其中，減小滾子組節(jié)圓直徑和增大滾子直徑是為了減小滾動(dòng)摩擦；減小滾子長(zhǎng)度、減少滾子數(shù)目以及特殊的滾子與滾道的凸度形狀，均是為了減小接觸面積從而減小差動(dòng)滑動(dòng)摩擦；增大軸承接觸角是為了讓滾道更多分擔(dān)軸向載荷，減小滾子端面與內(nèi)圈擋邊之間的滑動(dòng)摩擦；減小保持架內(nèi)徑，并且把內(nèi)圈小擋邊設(shè)計(jì)成特殊的形狀，使之成為迷宮結(jié)構(gòu)，是為了控制潤(rùn)滑進(jìn)油流量；較大的接觸角和滾子直徑、較少的滾子數(shù)量可以提高泵吸、排送性能，防止?jié)櫥屯谳S承內(nèi)部，使其可盡快排出。

另外，采用增大滾動(dòng)體直徑和軸承接觸角的方法，還可以補(bǔ)償由于減小接觸面積造成的疲勞壽命和剛性降低的損失；特殊的滾子與滾道的凸度形狀，加上特殊的熱處理，則有效提高了軸承的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著鋼材質(zhì)量和制造技術(shù)的不斷顯著進(jìn)步，大多數(shù)用途軸承的疲勞壽命早已不再成為主要問(wèn)題，而性能則成為不斷追求的目標(biāo)。在可持續(xù)發(fā)展的理念下，節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保成為新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，軸承設(shè)計(jì)也已從長(zhǎng)期推崇的“加強(qiáng)型”設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)向?yàn)椤皽p摩型”設(shè)計(jì)，這是新一代軸承的顯著技術(shù)特征。

滾動(dòng)軸承的減摩，是在已經(jīng)很低的摩擦因數(shù)或摩擦力矩的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，因此，僅僅依靠常規(guī)思維難以解決問(wèn)題。如降低表面粗糙度是最簡(jiǎn)單直接的方法，但這種措施可能有效，也可能事倍功半，還可能毫無(wú)成效。最主要的是，要透徹了解和掌握軸承的摩擦學(xué)原理與機(jī)理，然后通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)尋求解決方案，這才是從本質(zhì)上達(dá)到減摩目的所要依賴(lài)的最基本且最有效的技術(shù)路徑。