深溝球軸承保持架形狀最優(yōu)化的低摩擦力矩研究

深溝球軸承具備以下優(yōu)點(diǎn)：能承受徑向載荷與雙向的軸向載荷、低摩擦力矩、低噪聲、低成本等，所以作為汽車、工業(yè)機(jī)械用軸承獲得廣泛應(yīng)用。近年來，世界各國(guó)頒布、執(zhí)行了汽車的油耗法規(guī)，今后會(huì)進(jìn)一步收緊油耗法規(guī)限值。此外，在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也在推進(jìn)節(jié)能化，要求這些領(lǐng)域所用深溝球軸承進(jìn)一步降低摩擦力矩。

滾動(dòng)軸承摩擦力矩起因于潤(rùn)滑劑的攪拌阻力、滾動(dòng)黏滯阻力、球自旋及差動(dòng)滑動(dòng)等導(dǎo)致的滑動(dòng)摩擦阻力以及球與保持架之間的滑動(dòng)摩擦阻力。為降低潤(rùn)滑劑的攪拌阻力及滾動(dòng)黏滯阻力，潤(rùn)滑劑的低黏度化是有效的，近年來學(xué)者們開展了大量研究。不過這類方法雖可實(shí)現(xiàn)低摩擦力矩化，但許多情形下會(huì)降低壽命等其他性能。

深溝球軸承多使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，以往通過改善潤(rùn)滑脂推進(jìn)了軸承低摩擦力矩化，不過僅通過改善潤(rùn)滑脂來降低摩擦力矩也是有限度的。本文介紹為降低脂潤(rùn)滑深溝球軸承摩擦力矩進(jìn)行軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂行為的可視化，獲得使脂潤(rùn)滑條件下所用保持架形狀最優(yōu)化的指南。通過開發(fā)既降低潤(rùn)滑脂剪切阻力及攪拌阻力，又對(duì)其他性能無影響的新結(jié)構(gòu)保持架，實(shí)現(xiàn)了低摩擦力矩化技術(shù)。

1 新保持架開發(fā)的基礎(chǔ)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)軸承

為研究保持架對(duì)摩擦力矩的影響，采用汽車、工業(yè)機(jī)械用具有非接觸式密封的普通深溝球軸承作為試驗(yàn)軸承，其尺寸規(guī)格見表1。

作為試驗(yàn)軸承使用的常規(guī)深溝球軸承近年來主流使用冠狀樹脂保持架，如圖1所示。

表1 深溝球軸承試樣的尺寸規(guī)格

試驗(yàn)軸承

軸承內(nèi)徑

（mm）

軸承外徑

（mm）

軸承寬度

（mm）

基本額定動(dòng)載荷（kN）

基本額定靜載荷（kN）

球數(shù)

保持架材料

6302ZZ

14.3

5.45

尼龍66

圖1 保持架( 常規(guī))

1.2 潤(rùn)滑脂分布可視化試驗(yàn)

為了解深溝球軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂的狀態(tài)，研究低摩擦力矩化的相關(guān)方法，運(yùn)用X射線電腦斷層造影(CT)系統(tǒng)使旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)后的軸承內(nèi)部可視化?？梢暬幂S承的外觀照片如圖2所示。結(jié)構(gòu)零件的細(xì)節(jié)以及X射線照射條件分別見表2和表3。

圖2 可視化用試驗(yàn)軸承

表2 可視化用試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)零件

潤(rùn)滑脂

內(nèi)圈	外圈	球	保持架	防塵蓋	增稠劑	錐入度	40℃時(shí)基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度潤(rùn)滑脂（mm²/s）	潤(rùn)滑脂數(shù)量
丙烯酸樹脂	丙烯酸樹脂	石英玻璃	尼龍66	ABS樹脂	鋰皂基	250	26	0.84

表3 X射線照射條件

X射線管電壓（kV）	X射線管電流（A）
100	460

為提高潤(rùn)滑脂的X射線透射率，照射低輸出功率的X射線(管電壓100 kV)，以判別潤(rùn)滑脂與空氣的差異。在此，使用X射線透射率高的材質(zhì)構(gòu)成結(jié)構(gòu)零件，以便即使低輸出功率的X射線也能使深溝球軸承內(nèi)部可視化。軸承內(nèi)、外圈采用丙烯酸樹脂；球采用石英玻璃；保持架采用尼龍66；防塵蓋采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯合成樹脂(ABS樹脂)。在可視化試驗(yàn)前的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，在軸向載荷20 N下以1 800 r/min的轉(zhuǎn)速使內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)5 min。使用下節(jié)所述的輕載下的摩擦力矩測(cè)試臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

1.3 摩擦力矩測(cè)試

按2種載荷條件(輕載/重載)進(jìn)行深溝球軸承摩擦力矩測(cè)量。輕載條件下摩擦力矩測(cè)試臺(tái)如圖3所示，試驗(yàn)條件見表4；重載條件下摩擦力矩測(cè)試臺(tái)如圖4所示，試驗(yàn)條件見表5。

圖3 輕載條件下摩擦力矩測(cè)試臺(tái)

表4 輕載條件下的試驗(yàn)條件

軸向載荷（N）	徑向載荷（N）	轉(zhuǎn)速（r/min）
1	0	14000→12000→10000→8000→6000→4000→2000

圖4 重載條件下摩擦力矩測(cè)試臺(tái)

表5 重載條件下的試驗(yàn)條件

軸向載荷（N）	徑向載荷（N）	轉(zhuǎn)速（r/min）
1000	100	10000→8000→6000→4000→2000

深溝球軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，用測(cè)力傳感器測(cè)量外圈上產(chǎn)生的摩擦力矩。輕載條件下，深溝球軸承上只承受軸向載荷；重載條件下，深溝球軸承上承受軸向與徑向聯(lián)合載荷。由于通過空氣軸承施加軸向載荷及徑向載荷，高精度地測(cè)量了深溝球軸承摩擦力矩。各種載荷條件下從最高轉(zhuǎn)速以每次2000 r/min為一級(jí)，最終轉(zhuǎn)速降低至2000 r/min，在各轉(zhuǎn)速下保持1 min間隔，讀取摩擦力矩平均值作為各轉(zhuǎn)速下的摩擦力矩值。

深溝球軸承內(nèi)、外圈溝道斷面形狀為圓弧狀，在只有軸向載荷作用的條件下，全部球與內(nèi)、外圈接觸角變成相等狀態(tài)，公轉(zhuǎn)半徑也成為相等狀態(tài)，所以通過假定球速度為恒定可達(dá)到減小球-保持架之間作用力的目的。在同時(shí)有徑向及軸向載荷作用的條件下，因各個(gè)球與內(nèi)、外圈接觸角不同，所以球在溝道上的公轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化，由于球速度不均勻，可達(dá)到加大球-保持架之間作用力的目的。

1.4 潤(rùn)滑脂分布可視化試驗(yàn)結(jié)果

使用X射線CT裝置觀察旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)后脂潤(rùn)滑深溝球軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂分布的結(jié)果，如圖5所示。根據(jù)X射線透射率，以深淺不同顏色表示了各軸承結(jié)構(gòu)零件，軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂分布得以可視化。由于離心力作用，潤(rùn)滑脂呈塊狀附著在外圈側(cè)。內(nèi)圈側(cè)與潤(rùn)滑脂塊存在間隙。常規(guī)保持架與球間為面接觸，由于潤(rùn)滑脂進(jìn)入常規(guī)保持架-球之間，所以可認(rèn)為因潤(rùn)滑脂的剪切導(dǎo)致產(chǎn)生摩擦力矩。

圖5 X射線CT觀察結(jié)果(常規(guī)軸承)

2 實(shí)現(xiàn)低摩擦力矩化的保持架形狀

研究通過開發(fā)新結(jié)構(gòu)的保持架，以降低深溝球軸承摩擦力矩?；赬射線CT的觀察結(jié)果，可得到以下降低摩擦力矩的指南。

1）由于保持架-球之間潤(rùn)滑脂的剪切成為摩擦力矩產(chǎn)生的因素，所以應(yīng)使潤(rùn)滑脂的剪切作用最小化。

2）由于離心力的作用，潤(rùn)滑脂附著于外圈側(cè)，所以由于改變保持架形狀，當(dāng)保持架位于外圈側(cè)，潤(rùn)滑脂的攪拌阻力及剪切阻力會(huì)增加；當(dāng)保持架位于內(nèi)圈側(cè)，潤(rùn)滑脂的攪拌阻力及剪切阻力會(huì)減小。

根據(jù)這些知識(shí)，為降低軸承摩擦力矩，采用了以下保持架結(jié)構(gòu)。

1）保持架-球之間形成點(diǎn)接觸；

2）不是采用保持架的卡爪抱住球的引導(dǎo)方式，而是采用套圈引導(dǎo)方式。套圈引導(dǎo)方式可考慮內(nèi)圈引導(dǎo)方式及外圈引導(dǎo)方式，而為了降低潤(rùn)滑脂的攪拌阻力及剪切阻力，采用內(nèi)圈引導(dǎo)方式。

常規(guī)保持架和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)保持架如圖6所示。常規(guī)保持架中保持架兜孔與球的接觸狀態(tài)如圖6a所示。常規(guī)保持架是球引導(dǎo)方式，所以常規(guī)保持架與球?yàn)槊娼佑|。開發(fā)保持架中保持架兜孔與球的接觸狀態(tài)如圖6b所示，開發(fā)保持架與球?yàn)辄c(diǎn)接觸。

圖6 深溝球軸承的球與保持架接觸狀態(tài)（左-常規(guī)；右-新開發(fā)）

常規(guī)保持架和開發(fā)保持架的引導(dǎo)方式如圖7所示。常規(guī)保持架是球引導(dǎo)方式，保持架與球接觸；開發(fā)保持架則是內(nèi)圈引導(dǎo)方式，保持架與內(nèi)圈接觸。

圖7 深溝球軸承的引導(dǎo)

3 新結(jié)構(gòu)保持架的測(cè)量結(jié)果

3.1 潤(rùn)滑脂分布可視化試驗(yàn)結(jié)果

為了確認(rèn)新結(jié)構(gòu)的開發(fā)保持架實(shí)現(xiàn)如設(shè)計(jì)目標(biāo)那樣的功能，對(duì)裝有開發(fā)保持架的深溝球軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂分布進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖8所示。確認(rèn)了開發(fā)保持架與球的接觸部位如設(shè)計(jì)目標(biāo)那樣形成點(diǎn)接觸。此外，潤(rùn)滑脂形成塊狀，由于離心力而附著在外圈側(cè)，內(nèi)圈側(cè)附著的潤(rùn)滑脂少，所以由于形成內(nèi)圈引導(dǎo)方式，難以產(chǎn)生潤(rùn)滑脂攪拌及剪切。

圖8 X射線觀察結(jié)果(開發(fā)保持架)

3.2 摩擦力矩測(cè)量結(jié)果

對(duì)常規(guī)軸承與裝有新結(jié)構(gòu)的開發(fā)保持架的深溝球軸承（以下稱開發(fā)軸承）進(jìn)行了摩擦力矩測(cè)量，結(jié)果如圖9a和圖10a 所示。常規(guī)軸承與開發(fā)軸承的摩擦力矩之比如圖9b和圖10b所示。無論是常規(guī)軸承，還是開發(fā)軸承，均測(cè)量了2套軸承，在此表示為常規(guī)軸承1，2和開發(fā)軸承1，2。相比于裝有球引導(dǎo)保持架的常規(guī)軸承，裝有內(nèi)圈引導(dǎo)保持架的開發(fā)軸承在輕載及重載條件下均有降低摩擦力矩的效果。

圖9 輕載條件下深溝球軸承的摩擦力矩

由圖9可知，輕載條件下，雖說摩擦力矩的絕對(duì)值低些，但開發(fā)軸承的摩擦力矩大幅降低。隨著轉(zhuǎn)速的提高，常規(guī)軸承摩擦力矩也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而開發(fā)軸承的摩擦力矩變化小，而且越是在高速區(qū)，降低摩擦力矩的效果越明顯。在試驗(yàn)的最高轉(zhuǎn)速14 000 r/min下，開發(fā)軸承比常規(guī)軸承降低約80%的摩擦力矩。

輕載條件下，在軸承摩擦力矩中潤(rùn)滑脂的攪拌阻力及剪切阻力降低所占的比例大。至于使用新結(jié)構(gòu)保持架，由于大幅降低潤(rùn)滑脂的攪拌阻力及剪切阻力，軸承摩擦力矩降低效果明顯。

由圖10可知，隨著載荷的增加，常規(guī)軸承、開發(fā)軸承的摩擦力矩增加。不過隨著載荷的增加，開發(fā)軸承比常規(guī)軸承的摩擦力矩增加少，即便在重載條件下也可見在試驗(yàn)的全部轉(zhuǎn)速區(qū)，開發(fā)軸承具備摩擦力矩降低的效果。開發(fā)軸承比常規(guī)軸承的摩擦力矩降低約20%~40%。重載條件下，在產(chǎn)生摩擦力矩的因素中，除保持架以外，滾動(dòng)黏滯阻力和差動(dòng)滑動(dòng)等因素的影響大，所以可推定相比輕載條件，因保持架降低摩擦力矩的比例變小，但仍獲得明顯效果。在同時(shí)承受徑向及軸向載荷條件下，由于各個(gè)球與內(nèi)、外圈接觸角不同，所以球在溝道上的公轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化，球速度均勻。球速度不均勻產(chǎn)生超前滯后現(xiàn)象，但是起因于球速度的不均勻，推壓保持架-球之間的接觸部位的載荷起到大的作用，而新結(jié)構(gòu)保持架由于能降低那些部位的潤(rùn)滑脂攪拌及剪切阻力，所以能降低軸承摩擦力矩。

圖10 重載條件下深溝球軸承的摩擦力矩

4 結(jié)論

1）利用X射線CT裝置對(duì)脂潤(rùn)滑深溝球軸承進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明，軸承摩擦力矩?fù)p失中保持架-球之間的潤(rùn)滑脂剪切在起作用。

2）基于X射線CT裝置觀察結(jié)果表明，由于潤(rùn)滑脂因離心力作用而附著在外圈上，所以得到以下啟示：通過改變保持架形狀，當(dāng)保持架位于外圈側(cè)，則潤(rùn)滑脂攪拌及剪切阻力增加；相反地，當(dāng)保持架位于內(nèi)圈側(cè)，則潤(rùn)滑脂攪拌及剪切阻力減小。

3）在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)，使用開發(fā)的新結(jié)構(gòu)保持架使輕軸向載荷作用下的摩擦力矩降低60%以上。

4）開發(fā)的新結(jié)構(gòu)保持架能大幅降低徑向及軸向聯(lián)合載荷作用下的摩擦力矩。期待利用新結(jié)構(gòu)保持架降低摩擦力矩的方法成為不影響額定載荷量等其他性能的方法。

（參考文獻(xiàn)略）

深溝玉軸受の保持器形狀最適化による低トルク化に関する研究

來源：《トライボロジスト》，2019，64（3)：54-60.

作者：鎌本繁夫等

翻譯：劉陽春校對(duì)：劉耀中

整理、排版：軸承雜志社