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，世界各國頒布、執(zhí)行了汽車的油耗法規(guī)，今后會進(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。

滾動軸承摩擦力矩起因于潤滑劑的攪拌阻力、滾動黏滯阻力、球自旋及差動滑動等導(dǎo)致的滑動摩擦阻力以及球與保持架之間的滑動摩擦阻力。為降低潤滑劑的攪拌阻力及滾動黏滯阻力，潤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，但許多情形下會降低壽命等其他性能。

深溝球軸承多使用潤滑脂潤滑，以往通過改善潤滑脂推進(jìn)了軸承低摩擦力矩化，不過僅通過改善潤滑脂來降低摩擦力矩也是有限度的。本文介紹為降低脂潤滑深溝球軸承摩擦力矩進(jìn)行軸承內(nèi)部潤滑脂行為的可視化，獲得使脂潤滑條件下所用保持架形狀最優(yōu)化的指南。通過開發(fā)既降低潤滑脂剪切阻力及攪拌阻力，又對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 潤滑脂分布可視化試驗(yàn)

為了解深溝球軸承內(nèi)部潤滑脂的狀態(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。可視化用軸承的外觀照片如圖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

潤滑脂

內(nèi)圈	外圈	球	保持架	防塵蓋	增稠劑	錐入度	40℃時基礎(chǔ)油的運(yùn)動黏度潤滑脂（mm²/s）	潤滑脂數(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試臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

1.3 摩擦力矩測試

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

圖3 輕載條件下摩擦力矩測試臺

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試臺

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)，用測力傳感器測量外圈上產(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，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。在同時有徑向及軸向載荷作用的條件下，因各個球與內(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)后脂潤滑深溝球軸承內(nèi)部潤滑脂分布的結(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)部潤滑脂分布得以可視化。由于離心力作用，潤滑脂呈塊狀附著在外圈側(cè)。內(nèi)圈側(cè)與潤滑脂塊存在間隙。常規(guī)保持架與球間為面接觸，由于潤滑脂進(jìn)入常規(guī)保持架-球之間，所以可認(rèn)為因潤滑脂的剪切導(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。基于X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-球之間潤滑脂的剪切成為摩擦力矩產(chǎn)生的因素，所以應(yīng)使潤滑脂的剪切作用最小化。

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

根據(jù)這些知識，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)保持架的測量結(jié)果

3.1 潤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，對裝有開發(fā)保持架的深溝球軸承內(nèi)部潤滑脂分布進(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)附著的潤滑脂少，所以由于形成內(nèi)圈引導(dǎo)方式，難以產(chǎn)生潤滑脂攪拌及剪切。

圖8 X射線觀察結(jié)果(開發(fā)保持架)

3.2 摩擦力矩測量結(jié)果

對常規(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，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，滾動黏滯阻力和差動滑動等因素的影響大，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。在同時承受徑向及軸向載荷條件下，由于各個球與內(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滑脂攪拌及剪切阻力，所以能降低軸承摩擦力矩。