薄壁深溝球軸承保持架設計及摩擦力矩試驗分析

張延彬，劉良勇，魏秀軍，時連衛

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 417039)

軸承是機械裝備的關鍵部件,被譽為“工業的關節”,廣泛應用于航空航天、雷達及微波設備、精密機器人關節、太陽能電池陣驅動系統、制導系統、玻璃生產設備和旋轉工作臺、精密醫療器械、光學掃描儀器設備、半導體加工制造設備等領域[1]，隨該類高端裝備向輕量化，高精密，高穩定性，低噪聲，長壽命等高性能和高可靠性方向發展，其對軸承的輕量化、精度、摩擦力矩要求越來越高[2]。目前，為了最大限度的減輕主機質量，比18，19系列更薄的“等截面”系列薄壁軸承被大量應用于各類衛星通信、飛行器光學系統中。由于薄壁軸承工作環境的特殊性，摩擦力矩是其除了精度以外最為關注的性能指標，為保證裝備的定位和跟蹤精度， 對軸承的摩擦力矩及波動性提出了嚴苛的要求[3]。

國內外對薄壁軸承的研究大多集中在加工[4-5]及接觸特性方面[6-7]，關于薄壁深溝球軸承摩擦力矩的研究較少，文獻[8]開展了薄壁球軸承啟動摩擦力矩的研究，得到了啟動摩擦力矩與軸向載荷的關系。

影響球軸承摩擦力矩的因素較多，具有隨機性和復雜性，由于安裝和加工誤差的影響，軸承摩擦力矩并不是定值，存在一定的波動。球軸承摩擦力矩一般包括以下5個方面：1)材料彈性滯后使鋼球在溝道上滾動時產生的摩擦力矩；2)球與溝道接觸橢圓面上各點線速度不同產生微觀滑動引起的摩擦力矩；3)高速球軸承球與溝道接觸處自旋滑動引起的摩擦力矩；4)鋼球運動時克服潤滑油膜黏性張力而產生的摩擦力矩；5)鋼球與保持架相對運動產生的摩擦力矩[9]。

對于光學系統所用的薄壁軸承，特別是大尺寸薄壁軸承，其轉速和工作載荷相對較低，且多采用邊界潤滑或固體潤滑[4]，由速度和載荷引起的前3種摩擦力矩影響較小；該類軸承尺寸大、截面系數小，套圈和保持架剛度差，球數多，保持架與套圈、鋼球的碰撞頻次較大，且轉速低導致保持架無法穩定運轉，保持架結構是影響軸承摩擦力矩及其波動性的主要原因。本文設計了2種不同結構形式的保持架，通過試驗分析保持架結構對軸承摩擦力矩的影響。

1 薄壁深溝球軸承保持架設計

以66/220非標薄壁深溝球軸承(內徑為220 mm，外徑為240 mm，寬度為8 mm)為例，軸承徑向截面(8 mm×10 mm)既薄又窄，與相同內徑61844薄壁深溝球軸承(內徑為220 mm，外徑為270 mm，寬度為24 mm)的外徑系數(反映軸承軸向方向的壁厚程度)和寬度系數(反映軸承徑向方向的壁厚程度)對比見表1。66/220軸承在徑向上比標準薄壁系列軸承薄了50%以上，保持架較薄，主要采用常規實體冠形和分段的隔離管2種結構形式，如圖1所示。

表1 不同軸承的外徑系數和寬度系數

(a)實體冠形結構

實體冠形保持架結構設計參照常規方法。隔離管關鍵尺寸是內徑dc、外徑Dc、長度Lc以及圓周間隙S，如圖2所示，內、外徑分別為

圖2 隔離管與鋼球位置示意圖

dc=yDw，

(1)

Dc=xDw，

(2)

式中：x，y為經驗系數；Dw為鋼球直徑。

隔離管長度Lc和圓周間隙S由下式確定

(3)

式中：Dpw為球組節圓直徑。

最終確定2種保持架部分結構參數見表2和表3。鋼球直徑為4.762 mm，鋼球數量為65，球組節圓直徑為230 mm。

表2 實體冠形保持架部分結構參數

表3 隔離管保持架部分結構參數

2 軸承摩擦力矩性能試驗

薄壁軸承摩擦力矩(包括啟動摩擦力矩和運轉摩擦力矩)是其應用中最關鍵的性能指標，啟動摩擦力矩一般大于運轉摩擦力矩，直接關系到主機軸系驅動系統功率設計，運轉摩擦力矩波動過大則會導致軸系運轉不穩定，最終導致主機定位精度、跟蹤精度下降。

以66/220軸承為例，分析2種保持架結構軸承的啟動和運轉摩擦力矩。實體冠形和隔離管結構保持架均選用具有良好自潤滑性能的聚酰亞胺復合高分子材料，且加工精度相同。

2.1 啟動摩擦力矩

采用傳統啟動摩擦力矩儀測試軸承啟動摩擦力矩，軸向載荷為200 N，滴潤滑油5滴，采用同一精度的工裝附件，分別取10套軸承進行試驗，2種保持架軸承啟動摩擦力矩如圖3所示，啟動摩擦力矩平均值和波動值如圖4所示。由圖3和圖4可知：實體冠形保持架軸承啟動摩擦力矩平均值為54.20 mN·m，波動值為±9.92 mN·m；隔離管保持架軸承啟動摩擦力矩平均值為58.01 mN·m，波動值為±8.41 mN·m。

圖3 66/220軸承啟動摩擦力矩實測值

圖4 66/220軸承啟動摩擦力矩平均值和波動值對比

2.2 運轉摩擦力矩

搭建試驗臺對2種保持架66/220軸承的運轉摩擦力矩進行試驗，如圖5所示，該試驗機由電動機、萬向節彈性聯軸器、力矩傳感器、試驗軸系、安裝座等組成。試驗機工作原理是電動機通過萬向節聯軸器、力矩傳感器帶動試驗軸系外圈旋轉，試驗軸系由2套預緊后的66/220軸承組成，預緊力為200 N，軸承采用多孔材料的保持架含油潤滑，利用負載塊徑向加載50 N，通過絲杠軸向加載200 N，轉速為30 r/min，通過力矩傳感器采集軸承的運轉摩擦力矩。

圖5 66/220軸承運轉摩擦力矩試驗機

分別對2種保持架結構的軸承進行1 h的試驗，每秒采集一次數據，結果如圖6所示：實體冠形保持架軸承運轉摩擦力矩平均值為91.54 mN·m，波動值為±8.97 mN·m；隔離管保持架軸承運轉摩擦力矩平均值為101.80 mN·m，波動值為±4.68 mN·m。

(a)實體冠形結構

2.3 結果分析

實體冠形保持架軸承的啟動摩擦力矩和運轉摩擦力矩平均值略小于隔離管保持架軸承，波動值分別為后者的1.26倍和2倍以上。這是由于隔離管與鋼球、內外圈的接觸點多，運轉時難以保持在同一個軸承截面上，而且其質量輕，運動狀態易改變導致其波動值較小，實體冠形保持架尺寸大，壁薄，剛性差，易變形，運轉過程中變形較大， 增加了其與軸承內、外圈擋邊的接觸頻率和接觸面積，導致其波動值較大。

上述結論均為基于稀油潤滑的測試結果，對于脂潤滑狀態的薄壁軸承，摩擦力矩平均值會成倍增加，受潤滑脂被掃過的體積影響，實體冠形保持架軸承摩擦力矩將明顯大于隔離管保持架軸承，受潤滑脂對保持架運轉自由度的影響，其波動值差距將降低。

3 結束語

以66/220非標薄壁深溝球軸承為研究對象，分析了2種薄壁軸承保持架的設計方法，開展了薄壁軸承啟動摩擦力矩和運轉摩擦力矩的測試分析。在稀油潤滑條件下，實體冠形保持架軸承的啟動摩擦力矩和運轉摩擦力矩平均值略小于隔離管保持架軸承，波動值略大于后者。薄壁軸承保持架的選擇還需要具體問題具體分析，同時要根據主機對軸承摩擦力矩的要求選擇。軸承應用均希望摩擦力矩越小越好，但不同的應用還有不同要求：例如連續運轉工況一般要求軸承運轉摩擦力矩平均值和波動值較小，可采用隔離管保持架；頻繁啟動或反向旋轉的軸承要求啟動摩擦力矩較小，可采用實體冠形保持架。