滾動軸承的減摩設計

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

滾動軸承在美國曾被直接稱為“減摩軸承”，因為與被其替代的滑動軸承相比，滾動軸承的摩擦因數(shù)μ要低1～2個數(shù)量級(滑動軸承一般約為0.1～0.01，滾動軸承一般約為0.01～0.001，甚至更低)。因此，滾動軸承的減摩特性，既是其誕生與發(fā)展的使命，也是其本質(zhì)所在。

1 滾動軸承的摩擦因數(shù)

軸承摩擦因數(shù)μ的計算公式為

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

由于制造技術的不斷進步，現(xiàn)代滾動軸承的摩擦因數(shù)都已達到了千分之一級別的程度。幾個國際著名軸承公司給出的軸承摩擦因數(shù)參考值見表1[1-4]，表中的數(shù)據(jù)通常是在軸承當量載荷P≈0.1C(C為軸承基本額定動載荷)，轉速n≈0.5ng(ng為軸承極限轉速)，潤滑充分，安裝正確，運轉正常的條件下確定的。

由表可知，不同公司生產(chǎn)的同一類型軸承的摩擦因數(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，在低摩擦應用領域，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速正相關，即低摩擦因數(shù)軸承可用于高轉速工況，但在高轉速下，滾動體的離心力和陀螺力矩急劇增大，其產(chǎn)生的滑動摩擦將占據(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，而且與軸承的類型和結構有關。

表1 不同類型軸承的摩擦因數(shù)

不同類型軸承的速度性能如圖1所示，從圖中可以得到一個直觀的概念，屬于高速軸承類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 不同類型軸承的速度性能示意圖

2 滾動軸承的減摩設計范例

盡管現(xiàn)代滾動軸承的摩擦因數(shù)已達到很低的程度，但在當今全球可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源與資源、注重環(huán)境保護的新發(fā)展趨勢下，許多著名軸承公司仍致力于進一步的降低軸承摩擦損耗，并做出了顯著的成績。例如：

FAG的電動機用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作為標準保持架，摩擦力矩減小30%。

上述減摩成果，并沒有以過度犧牲其他性能及壽命指標為代價，而均是多目標綜合優(yōu)化的結果，不僅使軸承的摩擦力矩減小，同時還具備噪聲降低、重量減輕、壽命延長等特點。

3 滾動軸承的減摩設計方法

3.1 軸承摩擦產(chǎn)生的機理

軸承的摩擦就是對其運轉的阻抗，表現(xiàn)形式就是摩擦力矩，按其產(chǎn)生機理可以分為4種類型：

(1)純滾動摩擦；

(2)滾動接觸面積上的差動滑動摩擦及自旋滑動摩擦，如圖2所示[5];

圖2 球軸承滾動接觸橢圓上的差動和自旋滑動速度與表面摩擦切應力的分布

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

(4)潤滑劑的黏性阻滯摩擦。

綜合上述滾動摩擦、滑動摩擦和潤滑劑摩擦而產(chǎn)生的阻抗軸承運轉的力矩就稱為軸承總摩擦力矩，其計算式為

M=ML+MV=(MD+MS)+MV，

式中：ML為載荷項摩擦力矩，N·mm；MV為速度項摩擦力矩，N·mm；MD為差動滑動摩擦力矩，N·mm；MS為自旋滑動摩擦力矩，N·mm。這幾項摩擦力矩均可采用經(jīng)驗公式計算，各個軸承公司不盡相同。

3.2 軸承的減摩設計方法

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

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

減摩設計應首先基于摩擦學原理和機理。以深溝球軸承載荷項中差動滑動摩擦力矩MD為例，其經(jīng)驗計算公式為[6]

另外，增加接觸橢圓短軸長度或減小接觸橢圓長軸長度，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 滾動軸承的減摩設計措施

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

4.1 深溝球軸承的減摩設計

(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滑性能。

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

圖3 NSK的GR深溝球軸承與原結構的比較

圖4 NTN的具有儲油槽的沖壓保持架

4.2 圓錐滾子軸承的減摩設計

(1)減小滾子組節(jié)圓直徑；(2)增大滾子直徑；(3)減小滾子長度；(4)增大軸承接觸角；(5)對滾子與滾道的接觸面進行優(yōu)化設計；(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。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摩擦；減小滾子長度、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滑動摩擦；增大軸承接觸角是為了讓滾道更多分擔軸向載荷，減小滾子端面與內(nèi)圈擋邊之間的滑動摩擦；減小保持架內(nèi)徑，并且把內(nèi)圈小擋邊設計成特殊的形狀，使之成為迷宮結構，是為了控制潤滑進油流量；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，采用增大滾動體直徑和軸承接觸角的方法，還可以補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 結束語

隨著鋼材質(zhì)量和制造技術的不斷顯著進步，大多數(shù)用途軸承的疲勞壽命早已不再成為主要問題，而性能則成為不斷追求的目標。在可持續(xù)發(fā)展的理念下，節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保成為新的技術發(fā)展趨勢，軸承設計也已從長期推崇的“加強型”設計逐步轉向為“減摩型”設計，這是新一代軸承的顯著技術特征。

滾動軸承的減摩，是在已經(jīng)很低的摩擦因數(shù)或摩擦力矩的基礎上進一步改進，因此，僅僅依靠常規(guī)思維難以解決問題。如降低表面粗糙度是最簡單直接的方法，但這種措施可能有效，也可能事倍功半，還可能毫無成效。最主要的是，要透徹了解和掌握軸承的摩擦學原理與機理，然后通過內(nèi)部結構參數(shù)設計來尋求解決方案，這才是從本質(zhì)上達到減摩目的所要依賴的最基本且最有效的技術路徑。