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啤嶺機(jī)電設(shè)備(上海)有限公司

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(jī)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(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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