軸承的應用型設計

縣鵬宇

(甘肅海林中科科技股份有限公司 技術中心，甘肅 天水 741018)

1 軸承的常規(guī)設計

常規(guī)的機械設計是基于安全概念的“合格設計”，各種幾何參數(shù)只要能夠保證零件安全就認為合格，但這不一定是最優(yōu)。近十幾年來，由于各種優(yōu)化設計理論的發(fā)展和計算機的普及，優(yōu)化設計在機械設計中得到了廣泛的應用。所謂優(yōu)化設計就是根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，綜合考慮多方面的復雜因素，在滿足各種約束條件后，合理設計各種參數(shù)，尋求預定目標的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)，在重量、成本、性能、可靠性、承載能力等設計指標中的一項或幾項達到最佳的設計，這樣在縮短設計周期的同時，大大提高了設計質(zhì)量，可有效確保所要求的技術、經(jīng)濟指標。軸承作為一種機械基礎件，通常承載能力和可靠性是衡量其性能的重要指標，因此在軸承的優(yōu)化設計中，將額定載荷最大確定為優(yōu)化設計的目標。

我國軸承行業(yè)的產(chǎn)品設計在20世紀80年代以前多沿用和借鑒原蘇聯(lián)的設計方法，產(chǎn)品的結構主要以蘇聯(lián)產(chǎn)品為藍本，普遍存在結構笨重、承載能力低、形位公差偏大等情況，均為非加強型產(chǎn)品。隨著改革開放的深入，一些采用歐美國家先進技術的軸承隨引進主機開始進入國內(nèi)市場，國內(nèi)迫切需要結構性能優(yōu)越的加強型軸承來取代非加強型產(chǎn)品。因此以原機械工業(yè)部洛陽軸承研究所為主體，聯(lián)合行業(yè)骨干企業(yè)開始了軸承的優(yōu)化設計工作，在優(yōu)化設計中將額定動載荷最大作為優(yōu)化設計的目標，先后對深溝球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、角接觸球軸承、滾針軸承、推力球軸承、外球面軸承等類型軸承的套圈、滾動體、密封圈和保持架結構進行了優(yōu)化設計，每一類型軸承都形成了一套完整的設計方法和統(tǒng)一圖冊。經(jīng)過近30年的發(fā)展，標準公制軸承基本上都已完全采用優(yōu)化后的統(tǒng)一圖冊，各個企業(yè)的標準公制軸承結構基本一致，由于標準公制軸承采用了統(tǒng)一的結構，這對于零部件的加工和采購更為便利。

目前國內(nèi)軸承設計依然是以額定載荷最大為設計目標，軸承額定動載荷和軸承壽命是利用國際標準ISO 281—2007(GB/T 6391—2010)提供的公式進行計算，這種計算的先決條件是排除磨損、腐蝕和電蝕對軸承壽命的影響，而且軸承是在常規(guī)運轉條件下安裝正確，無外來物侵入，潤滑充分，工作溫度不苛刻，運轉速度不是特別高或者特別低，是在理想條件下對軸承進行的理論壽命計算。而且按照GB/T 2467—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》規(guī)定，在常規(guī)的軸承壽命與可靠性試驗中，軸承在試驗機上所加載荷恒定(當量載荷為計算額定動載荷的20%～30%)，轉速恒定(一般為極限轉速的20%～60%)，潤滑是采用循環(huán)油潤滑，壽命試驗中的考核條件也是按照標準規(guī)定，這種試驗只是軸承通用性的考核試驗。

2 軸承的應用型設計

在常規(guī)軸承設計中對軸承的剛度、預載荷、防塵、潤滑、極限轉速等考慮很少，一些軸承設計上的結構參數(shù)和精度要求缺乏理論依據(jù)，只能夠憑經(jīng)驗。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的個性化設計被越來越多地引入到機械產(chǎn)品的設計中，軸承作為一種廣泛使用的通用機械基礎件也不例外，按照常規(guī)設計的普通軸承已無法滿足主機在特定工況、環(huán)境下的性能要求，同一型號的軸承雖然外形尺寸相同，但應用在不同主機上的工作狀態(tài)千差萬別，這就要求在保持外形尺寸不變的情況下，軸承內(nèi)部結構必須根據(jù)主機的性能要求進行適應性設計，否則就無法滿足主機的運行要求，影響主機的性能。

軸承在主機上的運行環(huán)境主要包括其安裝部位、轉速、潤滑狀況、主機系統(tǒng)的功率或傳動部件的受力情況等等。軸承運行環(huán)境的分析過程實際上就是依據(jù)主機的載荷譜，將主機系統(tǒng)所承受的載荷具體分解到單套軸承上，然后對軸承進行詳細的受力分析計算，據(jù)此估算出軸承在應用狀態(tài)下的理論壽命，這對軸承的實際應用才具有現(xiàn)實的指導意義。

因此，軸承的應用型設計是指軸承的設計應根據(jù)主機系統(tǒng)的運行環(huán)境，依據(jù)軸承的受力、潤滑、轉速等情況對軸承的壽命可靠性進行理論分析計算，最后從理論上得出軸承是否能夠滿足主機的理論壽命要求，在此基礎上對軸承的內(nèi)部結構進行專門的設計，滿足主機的性能要求。

3 國內(nèi)外軸承應用設計發(fā)展情況

國外一些著名軸承企業(yè)在軸承應用設計方面開展的非常好，如SKF，NSK，SCHAEFFLER，NTN，TIMKEN等都有其相應的軸承應用分析軟件，這些軟件與CAD，CAE等分析軟件相結合就形成了集軸承設計、制造、應用為一體的軸承綜合分析系統(tǒng)，這類系統(tǒng)對軸承的設計，尤其是應用服務提供了強有力的支持，目前國外一些先進軸承企業(yè)的應用分析軟件已由傳統(tǒng)靜力學分析轉向了動力學分析，可對滾動體和保持架等在運動狀態(tài)下的動態(tài)性能及應力做出分析判斷。

國外一些軟件公司開發(fā)了專門針對傳動機械的分析軟件，如英國ROMAX公司根據(jù)自身在傳動領域多年積累的經(jīng)驗，開發(fā)了一款Romax Designer軟件，主要應用于齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機的設計和分析。該軟件可以建立齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型，其包括部件的強度和可靠性分析及傳動系統(tǒng)振動噪聲分析，同時可考慮更多實際工況，如裝配誤差、軸承間隙、預載荷等，極大地加快了傳動系統(tǒng)的設計和開發(fā)流程。Romax Designer應用很廣，其中包括汽車、船舶、工程機械、風力發(fā)電、工業(yè)、軸承以及航空航天等領域齒輪傳動系統(tǒng)的設計。

國外許多大型整機和部件制造企業(yè)常常對一些關鍵部位的軸承(特別是傳動部位，如變速箱、齒輪箱、車橋等)提出一些專門的要求，基本上是以企業(yè)標準的形式出現(xiàn)，例如美國CAT公司，其對于一些關鍵傳動部位的軸承提出了詳細的要求，包括軸承零件所使用的材料、材料中主要元素的含量、軸承尺寸公差、軸承零件熱處理后的理化組織和硬度要求等。再如美國某車軸制造公司，對于車橋主減速器部位軸承提出了一個標準，在標準中提供了車軸的載重量、主減速器的輸入和輸出扭矩、傳動齒輪的載荷譜、齒輪的一些設計用參數(shù)、軸承的安裝部位以及軸承與其他關聯(lián)件之間幾何尺寸等，另外還對軸承零件的材料、軸承的潤滑劑、軸承外形尺寸公差、軸承的試驗(模擬臺架試驗)等提出了具體要求，并要求按照所提供的工況條件對軸承的理論壽命進行分析計算，提供相關的理論分析報告。

對軸承的個性化需求更加強烈，例如所需要的軸承仍為常規(guī)軸承，但對軸承的精度要求已不是常規(guī)意義上的P0，P6，P5等精度等級，而是所謂的“混合精度”，如軸承的外形尺寸公差仍是普通精度等級，但是表面粗糙度、圓度等一些形位公差卻為P5，甚至更高，這主要與軸承的使用場合有關。

由此可以看出，歐美發(fā)達國家的主機企業(yè)對軸承的應用分析相當重視，因為軸承性能直接影響著主機的性能和壽命，軸承制造企業(yè)只有按照所配套主機的性能要求進行個性化的設計，才能提高軸承的技術水平。

目前國內(nèi)主機企業(yè)對軸承的應用要求較少，軸承的選用基本上還是從機械手冊中選取，對于一些引進的主機依然處于仿制階段，關鍵核心技術并未吸收和掌握，產(chǎn)品雖然能夠制造出來，但是性能卻與國外同類產(chǎn)品相差較多，這就造成了我國主機制造企業(yè)與國外的巨大差距。

在軸承設計方面，國內(nèi)軸承企業(yè)對軸承應用環(huán)境考慮不全面，往往采用的都是經(jīng)驗設計，沒有對軸承的使用工況和使用要求進行深入細致的調(diào)查研究，大部分設計都是常規(guī)通用設計，沒有進行針對性的專門設計，這就導致軸承在實際應用中出現(xiàn)各種問題，不能夠滿足主機的功能性需求，導致軸承產(chǎn)品壽命與可靠性的降低。

隨著國內(nèi)外主機企業(yè)對軸承應用要求的提高，迫切需要軸承的設計由常規(guī)設計轉入到應用型設計中，軸承的設計理念需突破常規(guī)。

4 軸承應用設計實例

在軸承的應用型設計中，軸承的額定載荷不再是軸承設計唯一追求的目標，軸承的適用性才是設計的最終目標，軸承的內(nèi)部結構必須根據(jù)主機的具體性能要求來確定，才能夠適應主機的發(fā)展。

例如有的主機需要軸承具有低摩擦力矩，在設計中首要考慮的是軸承的低摩擦性，其次才是保證軸承的額定載荷。在軸承結構設計時要重點考慮如何減小軸承的摩擦，即需要降低滾動接觸面積，在滾子軸承的設計中可通過縮短滾子長度、減少滾子數(shù)量、降低滾子與套圈接觸面的表面粗糙度值；而在球軸承的設計中可通過減少鋼球數(shù)量、降低鋼球與套圈滾動接觸面的表面粗糙度值。采取這樣的設計，雖然額定載荷比常規(guī)軸承有一定的降低，但是滾動接觸面積減少了，使得摩擦阻力降低，這種差異化設計的軸承，雖然外形尺寸和精度與普通軸承一樣，但是軸承使用性能卻有了大幅提高。

再例如汽車車橋主減速器中的主動錐齒輪支承用圓錐滾子軸承，為了安裝調(diào)整的需要，對軸承的裝配寬度進行適當壓縮，壓縮到正常裝配高寬度的一半，甚至更窄，這樣軸承在安裝時就免去了繁瑣的調(diào)整，大大提高了安裝效率。如某型號汽車車橋輪轂軸承為標準圓錐滾子軸承，軸承采用統(tǒng)一圖冊提供的結構，但用戶在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)軸承內(nèi)圈擋邊掉塊情況，故障率較高。通過對輪轂軸承運用環(huán)境分析，該種車橋輪端承受的沖擊載荷較大，在保證軸承基本載荷能力的情況下，對軸承結構進行了重新設計，增大了內(nèi)圈大擋邊厚度，縮小了滾子長度，同時在熱處理時適當降低軸承套圈的硬度，產(chǎn)品經(jīng)過用戶使用，再沒有出現(xiàn)擋邊掉塊的問題。這說明同一型號的軸承，在不同的使用工況下，對軸承經(jīng)過差異化設計后會達到不一樣的效果。

在軸承的應用型設計中要充分利用ISO/TS 16949質(zhì)量管理標準體系中的設計FMEA(潛在失效模式分析)和過程FMEA分析系統(tǒng)，分析軸承產(chǎn)品以及與之相關的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件之間的關系，盡可能多地將軸承在應用中可能出現(xiàn)的各種失效模式羅列出來，以便在軸承的設計中予以考慮，提高軸承的使用性能。

5 結束語

目前國內(nèi)軸承行業(yè)已經(jīng)開始意識到軸承應用型設計方面的差距，在軸承行業(yè)“十二五”規(guī)劃中已提出要在產(chǎn)品開發(fā)前期，在新結構與新技術的基礎研究、應用研究、工程開發(fā)研究、信息化方面取得重大突破，這將有利于軸承應用技術的發(fā)展，縮短我國軸承行業(yè)與國外先進軸承企業(yè)技術方面的差距。

正是由于軸承應用型設計的使用，催生了軸承單元的產(chǎn)生，軸承單元已脫離了傳統(tǒng)意義上的軸承，將軸承的功能和主機的部分功能緊密地結合在一起，這不但減少了主機零部件的數(shù)量，也提高了部件的安裝效率。目前最成熟、應用最廣泛的軸承單元就是汽車輪轂軸承單元，將凸緣、傳感器、密封圈、計數(shù)裝置等結合在一起，極大提高了輪轂軸承的安全性和使用性。

在國務院頒布的《工業(yè)轉型升級(2012—2015)規(guī)劃》中提出企業(yè)要由生產(chǎn)制造型向服務制造型轉化，也就是說軸承產(chǎn)品發(fā)展方向應該由單純的提供產(chǎn)品向提供全套的軸承應用解決方案方向發(fā)展，將提供產(chǎn)品和服務結合起來，與主機企業(yè)一起解決應用挑戰(zhàn)。