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軸承低摩擦化、高速精密化淺析
2025-03-19
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(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，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(qū)動電機為例，列出了對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，被譽為機械裝備的“心臟”，其承載能力將直接影響裝備的技術(shù)水平，是衡量一個國家科技、工業(yè)實力的重要標(biāo)準(zhǔn)。但隨著下游行業(yè)發(fā)展演進(jìn)，傳統(tǒng)滾動軸承愈發(fā)“不堪重負(fù)”。裝備大型化、高速化成為趨勢，更加嚴(yán)苛的運行工況和高可靠性要求，對軸承技術(shù)提出了全新的挑戰(zhàn)。
我國軸承產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，軸承產(chǎn)品和制造水平都有了長足的進(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(shù)發(fā)展趨勢。
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。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(shè)計的挑戰(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%。
在新能源汽車應(yīng)用中，要求低摩擦軸承來降低能耗損失；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，它取決于滾動體、滾道和保持架之間潤滑膜中出現(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。
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(dǎo)致磨損加劇和運轉(zhuǎn)精度降低，而間隙過小則可能導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)盡可能小，以減少對運轉(zhuǎn)性能的影響。
4）極端（極限）工況設(shè)計：在極端工況下，如低溫真空環(huán)境，需要特殊設(shè)計的軸承以適應(yīng)極低的溫度和高壓環(huán)境。例如，固體潤滑滾動軸承在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，通過內(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軸承摩擦試驗及摩擦因素（系數(shù)）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(zhuǎn)速來衡量，而是以其線速度來劃分。一般線速度達(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(yù)緊力、驅(qū)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(jié)構(gòu)和材料上有所不同，尺寸越大，轉(zhuǎn)動慣量也越大，這都會影響軸承的轉(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(zhuǎn)速。
4）保持架的材料和類型：也會影響軸承的轉(zhuǎn)速。
5）軸承載荷：滾動軸承的極限轉(zhuǎn)速是在一定的載荷、潤滑條件下達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，與軸承類型、尺寸、方向、潤滑方式、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：過大的預(yù)緊力會導(dǎo)致滾動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)動方式：主軸驅(qū)動方式的不同會影響軸承的極限轉(zhuǎn)速，如電主軸驅(qū)動時，如果同時使用外筒冷卻，可能會導(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）軸承游隙的大小：游隙的大小對軸承的運轉(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
以新能源汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用為例，軸承需要滿足長壽命、耐蠕變、高轉(zhuǎn)速、低摩擦、低振動(噪音)的特性。啟動力矩要求達(dá)0.002 N.m以下，轉(zhuǎn)速DmN值要求達(dá)180萬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)等在全球市場上占有率居于前列。
本文源自：中國軸承工業(yè)協(xié)會微信公眾號
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