軸承低摩擦化、高速精密化淺析

李興林¹ 鄧四二² 陳有光³

１、杭州軸承試驗(yàn)研究中心，教授級(jí)高工、博導(dǎo);

2、河南科技大學(xué)教授、博導(dǎo);

3、上海市軸承技術(shù)研究所原副所長(zhǎng)，教授級(jí)高工)

摘要：針對(duì)軸承的低摩擦化和高速精密化，重點(diǎn)分析了影響低摩擦和高速精密的因素和要點(diǎn)，以新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，列出了對(duì)低摩擦和高速的要求。

關(guān)鍵詞：軸承;低摩擦化;高速精密化

　　1 引言

　　軸承是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，被譽(yù)為機(jī)械裝備的“心臟”，其承載能力將直接影響裝備的技術(shù)水平，是衡量一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。但隨著下游行業(yè)發(fā)展演進(jìn)，傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承愈發(fā)“不堪重負(fù)”。裝備大型化、高速化成為趨勢(shì)，更加嚴(yán)苛的運(yùn)行工況和高可靠性要求，對(duì)軸承技術(shù)提出了全新的挑戰(zhàn)。

　　我國(guó)軸承產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，軸承產(chǎn)品和制造水平都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和發(fā)展基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)軸承的性能和要求也提出了越來(lái)越高的要求。本文主要從低摩擦和高速精密兩個(gè)方面淺談?shì)S承技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　‌2 低摩擦化

　　摩擦學(xué)技術(shù)是軸承的核心技術(shù)，‌新一代軸承的顯著技術(shù)特征是減摩設(shè)計(jì)。‌滾動(dòng)軸承相對(duì)于滑動(dòng)軸承，‌本身就屬于“減摩軸承”。‌新一代減摩設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于將原本已經(jīng)極低的摩擦力矩再大幅降低，‌最高降幅甚至達(dá)到80%。

　　‌在新能源汽車(chē)應(yīng)用中，要求低摩擦軸承來(lái)降低能耗損失;在航天應(yīng)用需求中，要求軸承有耐低溫摩擦性能等。

　　軸承摩擦不是恒定的，它取決于滾動(dòng)體、滾道和保持架之間潤(rùn)滑膜中出現(xiàn)的某種摩擦現(xiàn)象。影響軸承低摩擦的技術(shù)指標(biāo)主要包括寬徑比、‌軸承間隙、‌軸承壁厚、‌以及適用于極端(極限)工況的特殊設(shè)計(jì)。

　　‌1)寬徑比：‌對(duì)于徑向軸承，‌寬徑比(‌B/d)‌通常在0.35～1.5之間，‌而對(duì)于推力軸承，‌大小徑比(‌D2/D1)‌通常取≤2。‌選擇較大的值會(huì)增加軸承的承載能力，‌但同時(shí)會(huì)增加軸的變形和兩軸承孔不同軸度的敏感性。

　　‌2)軸承間隙：‌軸承間隙對(duì)軸承的工作性能有重大影響。‌間隙過(guò)大可能導(dǎo)致磨損加劇和運(yùn)轉(zhuǎn)精度降低，‌而間隙過(guò)小則可能導(dǎo)致軸承過(guò)熱和溫升過(guò)高，‌需要留有足夠大的配合間隙。一般‌無(wú)潤(rùn)滑軸承的直徑間隙最好不小于0.075mm。

　　‌3)軸承壁厚：運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響隨軸承體積的增加而愈加明顯。‌在保證強(qiáng)度許可下，‌壁厚應(yīng)盡可能小，‌以減少對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響。

　　‌4)極端(極限)工況設(shè)計(jì)：‌在極端工況下，‌如低溫真空環(huán)境，‌需要特殊設(shè)計(jì)的軸承以適應(yīng)極低的溫度和高壓環(huán)境。‌例如，‌固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，‌通過(guò)內(nèi)外圈大功率聯(lián)合制冷控溫、‌徑向及軸向聯(lián)合電磁加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極低溫/寬溫域、‌高真空等多種極端工況并存下的滾動(dòng)軸承摩擦試驗(yàn)及摩擦因素(系數(shù))高分辨率測(cè)量。

　　‌3 高速精密化

　　軸承的高速與低速并不是以軸承本身的轉(zhuǎn)速來(lái)衡量，而是以其線(xiàn)速度來(lái)劃分。一般線(xiàn)速度達(dá)到60米每秒的軸承可被認(rèn)為是高速軸承。高速軸承通常表面更光滑，內(nèi)圈和外圈之間的距離非常小，因此對(duì)軸承精度的要求更高。影響軸承高速的主要因素包括軸承類(lèi)型、‌尺寸、‌載荷、‌潤(rùn)滑方式、‌保持架的材料和類(lèi)型、‌軸承載荷、‌預(yù)緊力、‌驅(qū)動(dòng)方式、‌軸承游隙的大小以及軸承組合。

　　‌1)軸承類(lèi)型和尺寸：‌不同類(lèi)型的軸承在結(jié)構(gòu)和材料上有所不同，‌尺寸越大，‌轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也越大，‌這都會(huì)影響軸承的轉(zhuǎn)速。

　　‌2)載荷：‌軸承所承受的載荷越大，‌摩擦阻力也越大，‌從而影響轉(zhuǎn)速。

　　‌3)潤(rùn)滑方式：‌合適的潤(rùn)滑方式可以減少摩擦和磨損，‌提高軸承的轉(zhuǎn)速。

　　‌4)保持架的材料和類(lèi)型：‌也會(huì)影響軸承的轉(zhuǎn)速。

　　‌5)軸承載荷：‌滾動(dòng)軸承的極限轉(zhuǎn)速是在一定的載荷、‌潤(rùn)滑條件下達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，‌與軸承類(lèi)型、‌尺寸、‌方向、‌潤(rùn)滑方式、‌游隙、‌保持架結(jié)構(gòu)、‌冷卻條件等都有很大關(guān)系。

　　‌6)預(yù)緊力：‌過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體與滾道面之間的接觸應(yīng)力增大，‌發(fā)熱量提高，‌進(jìn)而導(dǎo)致軸承內(nèi)部預(yù)緊力進(jìn)一步增大，‌使軸承更容易產(chǎn)生磨損，‌降低極限轉(zhuǎn)速。

　　‌7)驅(qū)動(dòng)方式：‌主軸驅(qū)動(dòng)方式的不同會(huì)影響軸承的極限轉(zhuǎn)速，‌如電主軸驅(qū)動(dòng)時(shí)，‌如果同時(shí)使用外筒冷卻，‌可能會(huì)導(dǎo)致軸承的內(nèi)外圈溫差變大，‌增加內(nèi)部載荷，‌導(dǎo)致極限轉(zhuǎn)速降低。

　　‌8)軸承游隙的大?。?zwnj;游隙的大小對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和壽命有重要影響，‌適當(dāng)?shù)挠蜗犊梢蕴岣咻S承的承載能力和極限轉(zhuǎn)速。

　　‌9)軸承組合：‌通過(guò)大量供油快速帶走軸承產(chǎn)生的熱量，‌可以提高極限轉(zhuǎn)速。

　　‌4 結(jié)束語(yǔ)

　　以新能源汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用為例，‌軸承需要滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命、‌耐蠕變、‌高轉(zhuǎn)速、‌低摩擦、‌低振動(dòng)(噪音)的特性。啟動(dòng)力矩要求達(dá)0.002 N.m以下，轉(zhuǎn)速DmN值要求達(dá)180萬(wàn)mm·r/min以上。當(dāng)前低摩擦軸承方面，SKF、NSK、JTEKT、人本等在全球市場(chǎng)上占有率居于前列。在高速精密中小型軸承方面， SKF、NTN、八環(huán)等在全球市場(chǎng)上占有率居于前列。

　　中國(guó)與世界先進(jìn)企業(yè)的差距雖然正在逐漸縮小，但還需要努力做細(xì)做實(shí)做強(qiáng)。