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軸承知識
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、杭州軸承試驗研究中心,教授級高工、博導;2、河南科技大學教授、博導;3、上海市軸承技術研究所原副所長,教授級高工)

摘 要:針對軸承的低摩擦化和高速精密化,重點分析了影響低摩擦和高速精密的因素和要點,以新能源驅動電機為例,列出了對低摩擦和高速的要求。

關鍵詞:軸承;低摩擦化;高速精密化

1 引言  

軸承是現代工業中不可或缺的關鍵基礎零部件,被譽為機械裝備的“心臟”,其承載能力將直接影響裝備的技術水平,是衡量一個國家科技、工業實力的重要標準。但隨著下游行業發展演進,傳統滾動軸承愈發“不堪重負”。裝備大型化、高速化成為趨勢,更加嚴苛的運行工況和高可靠性要求,對軸承技術提出了全新的挑戰。

我國軸承產業經過40多年的發展,軸承產品和制造水平都有了長足的進步,已經具有相當的規模和發展基礎。隨著技術的進步和發展,對軸承的性能和要求也提出了越來越高的要求。本文主要從低摩擦和高速精密兩個方面淺談軸承技術發展趨勢。

 ‌2 低摩擦化

摩擦學技術是軸承的核心技術,‌新一代軸承的顯著技術特征是減摩設計。‌滾動軸承相對于滑動軸承,‌本身就屬于“減摩軸承”。‌新一代減摩設計的挑戰在于將原本已經極低的摩擦力矩再大幅降低,‌最高降幅甚至達到80%。

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

軸承摩擦不是恒定的,它取決于滾動體、滾道和保持架之間潤滑膜中出現的某種摩擦現象。影響軸承低摩擦的技術指標主要包括寬徑比、‌軸承間隙、‌軸承壁厚、‌以及適用于極端(極限)工況的特殊設計。

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

‌2)軸承間隙:‌軸承間隙對軸承的工作性能有重大影響。‌間隙過大可能導致磨損加劇和運轉精度降低,‌而間隙過小則可能導致軸承過熱和溫升過高,‌需要留有足夠大的配合間隙。一般‌無潤滑軸承的直徑間隙最好不小于0.075mm。

‌3)軸承壁厚:運轉性能的影響隨軸承體積的增加而愈加明顯。‌在保證強度許可下,‌壁厚應盡可能小,‌以減少對運轉性能的影響。

‌4)極端(極限)工況設計:‌在極端工況下,‌如低溫真空環境,‌需要特殊設計的軸承以適應極低的溫度和高壓環境。‌例如,‌固體潤滑滾動軸承在航天領域的應用,‌通過內外圈大功率聯合制冷控溫、‌徑向及軸向聯合電磁加載技術實現了極低溫/寬溫域、‌高真空等多種極端工況并存下的滾動軸承摩擦試驗及摩擦因素(系數)高分辨率測量。

‌3 高速精密化

軸承的高速與低速并不是以軸承本身的轉速來衡量,而是以其線速度來劃分。一般線速度達到60米每秒的軸承可被認為是高速軸承。高速軸承通常表面更光滑,內圈和外圈之間的距離非常小,因此對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型、‌尺寸、‌載荷、‌潤滑方式、‌保持架的材料和類型、‌軸承載荷、‌預緊力、‌驅動方式、‌軸承游隙的大小以及軸承組合。

‌1)軸承類型和尺寸:‌不同類型的軸承在結構和材料上有所不同,‌尺寸越大,‌轉動慣量也越大,‌這都會影響軸承的轉速。

‌2)載荷:‌軸承所承受的載荷越大,‌摩擦阻力也越大,‌從而影響轉速。

‌3)潤滑方式:‌合適的潤滑方式可以減少摩擦和磨損,‌提高軸承的轉速。

‌4)保持架的材料和類型:‌也會影響軸承的轉速。

‌5)軸承載荷:‌滾動軸承的極限轉速是在一定的載荷、‌潤滑條件下達到的最高轉速,‌與軸承類型、‌尺寸、‌方向、‌潤滑方式、‌游隙、‌保持架結構、‌冷卻條件等都有很大關系。     

‌6)預緊力:‌過大的預緊力會導致滾動體與滾道面之間的接觸應力增大,‌發熱量提高,‌進而導致軸承內部預緊力進一步增大,‌使軸承更容易產生磨損,‌降低極限轉速。

‌7)驅動方式:‌主軸驅動方式的不同會影響軸承的極限轉速,‌如電主軸驅動時,‌如果同時使用外筒冷卻,‌可能會導致軸承的內外圈溫差變大,‌增加內部載荷,‌導致極限轉速降低。  

‌8)軸承游隙的大小:‌游隙的大小對軸承的運轉性能和壽命有重要影響,‌適當的游隙可以提高軸承的承載能力和極限轉速。

‌9)軸承組合:‌通過大量供油快速帶走軸承產生的熱量,‌可以提高極限轉速。

‌4 結束語

以新能源汽車的電驅動系統的應用為例,‌軸承需要滿足長壽命、‌耐蠕變、‌高轉速、‌低摩擦、‌低振動(噪音)的特性。啟動力矩要求達0.002 N.m以下,轉速DmN值要求達180萬mm·r/min以上。當前低摩擦軸承方面,SKF、NSK、JTEKT、人本等在全球市場上占有率居于前列。在高速精密中小型軸承方面, SKF、NTN、八環等在全球市場上占有率居于前列。    

本文源自:中國軸承工業協會微信公眾號

(版權歸原作者或機構所有)

發布時間:2025-03-19


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