SAE飛機機體滾針軸承標準體系分析

林晶,趙穎春

(中國航空綜合技術研究所，北京 100028)

由于承載力大、結構緊湊等優點，滾針軸承廣泛應用于飛機機體的襟翼、副翼、縫翼等重要部位，與其他應用情況不同，飛機上使用的滾針軸承主要作為滾輪使用，其結構、性能等方面的要求與其他行業存在較大差異。飛機機體滾針軸承標準是滾針軸承產品設計的重要技術文件，構建飛機機體滾針軸承標準體系有助于提高飛機機體滾針軸承的質量可靠性及應用技術水平。鑒于此,分析了SAE(Society of Automotive Engineers)飛機機體滾針軸承標準體系及國內相關軸承標準的差異，以期為我國飛機機體滾針軸承標準的建立提供參考。

1 SAE標準體系分析

國外飛機機體滾針軸承標準體系相對完善，美國SAE標準體系最健全[1-17]，如圖1所示，包括產品規范、產品標準、試驗方法等。由圖1可以看出：在SAE飛機機體滾針軸承標準體系中，頂層通用規范為AS 39901B，產品標準16項。16項標準按結構形式可分為10類，其中類型V，VI，VII分別有3個產品標準。除了通用規范和產品標準外，SAE 飛機機體滾針軸承標準還制定了9項軸承檢測試驗方法標準。

圖1 SAE飛機機體滾針軸承標準體系框圖Fig.1 Block diagram of SAE standard system of needle roller bearing for airframe

2 SAE標準內容分析

2.1 結構類型及尺寸

SAE飛機機體滾針軸承標準產品包括單列、雙列、帶柄、自調心、帶密封結構，不同的結構類型應用于不同的工況，并給出了不同結構類型的軸承尺寸系列，見表1。其中，6種類型可用作滾輪，滾輪是飛機機體滾針軸承在飛機上的重要應用。

表1 產品類型、應用及尺寸系列Tab.1 Types, applications and dimension series of products

2.2 材料及熱處理

SAE標準中材料及硬度要求見表2。外圈、滾針、桿柄材料多采用50100，51100，52100軸承鋼,對應我國的GCr15軸承鋼；密封對材料耐磨性有一定要求，多采用尼龍、PTFE、聚甲醛樹脂等材料；保持架材料多選用銅或高分子聚合物材料。這些材料是軸承行業常見材料，與國內基本一致。隨軸承對耐腐蝕性能要求的提高，氮化耐蝕鋼應用也越來越廣泛， AS 5927，AS 5928和AS 5929中內圈、外圈以及滾針材料均采用氮化耐蝕鋼，其耐腐蝕性能與15-5PH 鋼類似，同時又具有較高的硬度和抗疲勞性能，硬度達60 HRC以上。在國內，該類鋼的冶煉、加工和應用還處于起步階段。

由表2可以看出：SAE標準中外圈硬度要求為58～66 HRC,滾針硬度要求為60～64 HRC,桿柄一部分作為內圈滾道，一部分作為安裝螺栓，其硬度要求分別為60,36～46 HRC。桿柄材料相同，熱處理時要分段處理，作為內圈部分要滲氮、滲碳或高頻淬火處理，作為桿柄部分要承受較大彎矩，其芯部相對柔軟。

表2 材料及硬度要求Tab.2 Requirements for material and hardness

2.3 表面粗糙度

SAE標準中表面粗糙度的相關要求見表3。由表可以看出，表面粗糙度要求不高，這是由于機體滾針軸承一般以低速擺動或轉動為主，滿足使用壽命和性能要求即可。

表3 表面粗糙度Ra值要求Tab.3 Requirements for surface roughness Ra value

2.4 表面處理

SAE AS 39901B標準表面處理方法主要有鍍鉻、鍍鎘、鍍鋅鎳及鈍化，對于普通軸承鋼，主要采用鍍鉻、鍍鎘、鍍鋅鎳，其中外圈多采用鍍鉻，而其他零部件多采用鍍鎘和鍍鋅鎳。外圈鍍層厚度為0.010～0.025 mm，其他表面鍍層厚度為0.008～0.015 mm。這是由于作為滾輪使用時，軸承外圈與接觸表面會發生摩擦，鍍層較厚。對于氮化耐蝕鋼，由于其耐蝕性能較好，屬于不銹鋼類，主要采用鈍化表面處理方式。

2.5 潤滑

SAE AS 39901B標準中2種潤滑脂MIL-PRF-81322和MIL-PRF-23827工作溫度不同，MIL-PRF-81322工作溫度為-54～177 ℃，MIL-PRF-23827工作溫度為-54 ～121 ℃。

2.6 其他要求

SAE AS 39901B系列標準對軸承的以下方面進行了規定：1)徑向跳動；2)徑向游隙；3)軸向游隙；4)尺寸穩定性；5)軸向載荷；6)端面墊片推出；7)自調心；8)密封；9)密封測試(灰塵污染)；10)徑向額定動載荷；11)耐蝕性。

徑向跳動、徑向和軸向游隙、軸向載荷、密封、端面墊片推出、自調心等與我國相關標準的要求基本一致,而在尺寸穩定性、密封、徑向額定動載荷、耐蝕性等方面與國內標準要求有較大差異。

2.6.1 尺寸穩定性

AS 39901B規定尺寸穩定性檢測方法為：在室溫下測量軸承外徑，將軸承加熱到(122±5)℃并保持最少96 h，然后降至室溫，測量外徑。然后將軸承冷卻到(-54±6)℃并保持最少96 h，然后升溫至室溫，測量外徑。軸承直徑變化量應不超過0.000 1 mm/mm。

國內部分標準雖要求對軸承進行冷處理以提高軸承尺寸穩定性，但未明確規定軸承尺寸穩定性的檢測方法及要求。

2.6.2 密封性能

AS 39901B規定的密封性能檢測方法為：在密閉箱中進行，不施加載荷，轉速為3 r/min，外圈靜止。軸承應在(25±3)℃的室溫下進行至少48 h測試。測試介質為ISO 12103.1:2016《Road vehicles—test contaminants foe filter evaluation—part 1:arizona test dust》的粗等級Arizona公路灰塵。灰塵測試箱為正方體，邊長約為50.8 mm，帶觀測孔用于觀察,在箱底應保持至少25.4 mm厚度的測試介質層。測試箱驅動應提供連續的灰塵運動，形成均勻灰塵，使觀察孔很難看到被測軸承。測試軸承與測試軸承及與箱體之間應至少有76.2 mm的距離。試驗前后軸承啟動力矩增加量不能超過100%且不能超過14.8 N·mm，徑向游隙增加量不應超過50%且不能超過0.012 7 mm。

國內標準中沒有類似的性能要求和試驗方法。

2.6.3 徑向額定動載荷

AS 39901B規定的徑向額定動載荷測試方法為：對軸承施加規定的額定載荷，轉速為10～100 r/min，運行20 000 r。在測試期間應補充潤滑脂。試驗后軸承不應有卡滯或斷裂。試驗中軸承外圈旋轉，內圈固定，與實際使用工況基本一致。

國內相關標準中還沒有類似的要求。

3 結束語

通過對SAE飛機機體滾針軸承的標準體系進行分析，可以看出國內目前在飛機機體滾針軸承標準方面存在的不足，對開展我國飛機機體滾針軸承標準體系構建和相關標準編制、確定標準技術內容和參數等具有重要參考意義。