滾動軸承減摩設計--楊曉蔚

1、1滾動軸承的減摩設計楊曉蔚手機箱：洛 陽 軸 承 研 究 所 有 限 公 司2前 言o 問題的提出 高速軸承、汽車軸承以及電機等其他低摩擦力矩軸承應用越來越突出； 通常做法：降低表面粗糙度、提高軸承精度、加大軸承游隙；很少進行減摩設計，沒有理念、沒有概念。o 軸承設計理念與技術(shù)整整落后了1代，水平差了1.5代。（類比設計1.0，優(yōu)化設計2.0，減摩設計3.0）o 摩擦學是一門科學和技術(shù)，必須從摩擦的科學原理、機理出發(fā)，充分掌握和運用減摩技術(shù)進行軸承設計。3o 軸承減摩設計路徑減小本身摩擦采用適當潤滑前 言減小軸承本身摩擦是核心，必須了解摩擦學原理與機理！41.摩擦原理

2、與機理o 摩擦的定義 兩個物體表面在外力作用下相互接觸并作相對運動或有運動趨勢時，在接觸面之間產(chǎn)生的切向運動阻力。51.摩擦原理與機理o 摩擦分類 （1）按摩擦副運動狀態(tài)可分為按摩擦副運動狀態(tài)可分為 靜摩擦：兩物體表面產(chǎn)生接觸，有相對運動趨勢但尚未產(chǎn)生相對運動時的摩擦。 動摩擦：兩相對運動表面之間的摩擦。 （2）按相對運動的位移特征可分為按相對運動的位移特征可分為 滑動摩擦：兩接觸物體接觸點具有不同速度和(或)方向時的摩擦。 滾動摩擦：兩接觸物體接觸點的速度大小和方向相同時的摩擦。 自旋摩擦：兩接觸物體環(huán)繞其接觸點處的公法線相對旋轉(zhuǎn)時的摩擦。 61.摩擦原理與機理o 摩擦分類 （3）按表面潤滑

3、狀態(tài)可分為按表面潤滑狀態(tài)可分為 干摩擦：兩表面之間即無潤滑劑又無濕氣的摩擦。 邊界摩擦：邊界膜隔開相對運動表面時的摩擦。 流體摩擦：以流體層隔開相對運動表面時的摩擦，即由流體的粘性阻力或流變阻力引起的摩擦。 混合摩擦：半干摩擦和半流體摩擦的統(tǒng)稱。71.摩擦原理與機理o 滾動軸承是由滑動軸承演變而來的 o 滑動摩擦復習 機械互鎖（嚙合）理論 分子吸引（引力）理論 機械分子理論 粘著理論 （犁溝效應） 8 通過實驗研究指出： 一切物體剛要開始運動時，便產(chǎn)生摩擦阻力； 光滑表面間的摩擦力大小約為其重量的1/4； 摩擦力與法向力成正比。o 達 芬奇1509年第一個系統(tǒng)地研究了滑動摩擦學1.摩擦原理與機

4、理9 （1）摩擦力方向與接觸表面相對運動速度方向相反，大小與法向載 荷成正比，即 F= f W 。 （2）摩擦系數(shù)與表面名義接觸面積無關(guān)。 （3）靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)。 （4）摩擦系數(shù)的大小取決于材料性質(zhì)，與滑動速度和載荷大小無關(guān)。o 古典摩擦學定律 (阿蒙頓-庫侖定律，1785年):上述經(jīng)典摩擦定律并非基本的物理定律，只是從實驗結(jié)果中總結(jié)得出的規(guī)律，盡管已有很多實驗結(jié)果顯示其并不完全正確。但是至今還沒有發(fā)現(xiàn)或總結(jié)出更好的摩擦定律，因此在工程實際問題中依然被近似地應用。1.摩擦學原理與機理10 古典摩擦定律長期作為工程應用的指導法則使用。但根據(jù)近代的研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)內(nèi)容不完全正確，必須進行修

5、正：（1）摩擦力與名義接觸面積無關(guān)，與真實接觸面積有關(guān)。當兩者接近時，即法向壓力很高時，摩擦力與法向壓力成非線性關(guān)系，摩擦力增加很快。（2）有一定屈服極限的材料（如金屬），其摩擦力才與名義接觸面積無關(guān)，粘彈性材料的摩擦力與接觸面積有關(guān)。 （3）粘彈性材料的靜摩擦系數(shù)不大于動摩擦系數(shù)。 （4）精確測量表明，摩擦力與滑動速度有關(guān)。一般，速度對金屬的摩擦力的影響不像對粘彈性顯著的彈性體的摩擦力那樣明顯。一般認為，f=F/Wk， k=2/31。o 修正摩擦定律1.摩擦學原理與機理111.摩擦學原理與機理o 塑性公式 式中 塑性指數(shù)(無量綱)； E 綜合彈性模量(Ncm2)； H 材料布氏硬度(Ncm2

6、)； Rs 微凸體高度均方根值(m)； R 微凸體曲率半徑(m)。 12bsf軟表面膜的剪切強度極限硬基體材料受壓屈服極限1.摩擦學原理與機理o 修正粘著理論 具有軟材料表面膜的摩擦副滑動時，粘著結(jié)點的剪切發(fā)生在膜內(nèi)，其剪切強度較低。又由于表面膜很薄，實際接觸面積由硬基體材料的抗壓屈服極限來決定，實際接觸面積又不大，所以薄而軟的表面膜可以降低摩擦系數(shù)。 在工程應用中，13兩接觸物體接觸點的速度大小和方向均相同時的摩擦。2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦定義 一個物體（滾動體）在另一個物體的表面（可以是平面或曲面）上滾動時遇到的阻力。點接觸或線接觸的兩物體在接觸處的速度大小和方向均相同（純滾動）時的阻

7、力。在力矩作用下沿接觸表面滾動時摩擦。142.滾動摩擦機理各種滾動運動都可以視為以下三種基本滾動形式的組合： （1 1）自由滾動）自由滾動 無切向摩擦力和不發(fā)生切向滑動的滾動稱為自由滾動或純滾動，這是最簡單的滾動形式。 （2 2）具有牽引力的滾動）具有牽引力的滾動 在接觸區(qū)內(nèi)同時受到法向載荷和切向牽引力的作用，例如摩擦輪、鐵路車輛的牽引車輪等。 （3 3）伴隨滑動的滾動）伴隨滑動的滾動 當兩個滾動體的幾何形狀造成接觸面上的切向速度不相等時，滾動中必將伴隨滑動，例如深溝球球軸承中球與溝道之間的滾動。o 滾動運動形式 152.滾動摩擦機理o 滾動摩擦機理 滾動摩擦機理與滑動摩擦有顯著不同。 除非接

8、觸面存在很大的滑動，滾動摩擦通常不存在犁溝效應，粘著結(jié)點的剪切阻力也不是滾動摩擦的主要原因。硬質(zhì)材料滾動時的阻力很小，滾動摩擦系數(shù)比滑動摩擦系數(shù)低2個數(shù)量級以上。162.滾動摩擦機理滾動摩擦機理可概括為以下4種： （1 1）微觀滑移）微觀滑移 （2 2）彈性滯后）彈性滯后 （3 3）塑性變形）塑性變形 （4 4）粘附效應）粘附效應o 滾動摩擦機理 滾動摩擦是由上述多種機理組合疊加的復雜過程。 接觸應力不大時主要以彈性滯后為主，應力較大時主要以塑性變形為主。17（1 1）微觀滑移）微觀滑移 當兩個彈性模量不同的物體接觸而發(fā)生滾動時，由于接觸表面產(chǎn)生不相等的切向位移，會有微觀滑移出現(xiàn)。用以傳遞機械

9、能的滾動接觸表面有切向牽引力作用，也將產(chǎn)生較大的微觀滑移。由于幾何形狀使得接觸面上兩表面各點的切向速度不同時，將導致更大的微觀滑移。 微觀滑移所產(chǎn)生的摩擦阻力占滾動摩擦的較大部分，其機理與滑動摩擦相同。 微觀滑移是滾動過程中普遍存在的現(xiàn)象。 2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦機理 18（2 2）塑性變形）塑性變形 在滾動過程中，當表面接觸應力達到一定值時，首先在距表面一定深度處產(chǎn)生塑性變形，隨著載荷增加塑性變形區(qū)域擴大。塑性變形消耗的能量表現(xiàn)為滾動摩擦阻力，可以根據(jù)彈塑性力學計算。 如：球體沿平面自由滾動時，由于球體運動前方的材料塑性變形所產(chǎn)生的滾動摩擦阻力F可表達為 式中，W為法向載荷；R為球體半

10、徑。2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦機理 23WFR19（3 3）彈性滯后）彈性滯后 滾動過程中產(chǎn)生彈性變形需要一定能量，而彈性變形能的主要部分在接觸消除后得到回復，其中小部分消耗于材料的彈性滯后現(xiàn)象。2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦機理 低速滾動時的彈性滯后損失小高速滾動時的彈性滯后相對較大20（4 4）粘附效應）粘附效應 滾動表面相互緊壓形成的粘著結(jié)點在滾動中將沿垂直接觸面的方向分離。因為結(jié)點分離是受拉力作用，沒有結(jié)點面積擴大現(xiàn)象，所以粘著力很小。通常由粘著效應引起的阻力只占滾動摩擦阻力的很小部分。 2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦機理 21（1）滾動摩擦系數(shù) 當滾動體沿平面滾動時，由于接觸區(qū)的變形使

11、得以接觸點O為中心的接觸壓力分布不對稱，因而支承面的反力產(chǎn)生偏移。此反力對于接觸點的力矩稱為滾動摩擦力矩。 滾動摩擦系數(shù)定義為滾動摩擦力矩與法向載荷之比，即2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦系數(shù) eWFRk 滾動摩擦系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)不同，它是有量綱的量，常用單位為mm。22（2）滾動阻力系數(shù) 滾動體滾過角度為，滾過的距離為R，而驅(qū)動力作功為FR。 滾動阻力系數(shù)定義為滾動驅(qū)動力在單位距離所作的功與法向載荷之比，即2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦系數(shù) 滾動阻力系數(shù)也稱為無量綱滾動摩擦系數(shù)。RkWFWRFRfr/23 滾動阻力系數(shù)是庫侖于1785年用實驗方法得出滾動摩擦定律： Dupuit于1837年提出了

12、修正公式，通常稱為Dupuit定律：Dkfr2.滾動摩擦機理o 滾動摩擦定律 上述滾動摩擦定律未涉及到摩擦機理，系實驗所得，因而可近似地應用于工程計算。（D為滾動體直徑）24 滾動軸承的“減摩”特性是相對于滑動軸承而言。 滾動軸承的摩擦因子一般為0.010.001，滑動軸承為0.10.01。滾動軸承的摩擦因子比滑動軸承低12個數(shù)量級。3.滾動軸承的摩擦特性o 滾動軸承本身就屬于“減摩”軸承253.滾動軸承的摩擦特性o 不同類型軸承的摩擦系數(shù)比較軸承類型軸承類型摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)SKFNSKNTNKOYO深溝球軸承深溝球軸承0.00150.00130.0010 0.00150.0010 0.001

13、5調(diào)心球軸承調(diào)心球軸承0.00100.00100.0008 0.00120.0008 0.0012角接觸球軸承角接觸球軸承0.00200.00160.0012 0.00180.0012 0.0025圓柱滾子軸承圓柱滾子軸承0.00110.00100.0010 0.00150.0008 0.0012滾針軸承滾針軸承0.00250.00250.0020 0.00300.0020 0.0030調(diào)心滾子軸承調(diào)心滾子軸承0.00180.00280.0020 0.00250.0020 0.0025圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承0.00180.00220.0017 0.00250.0017 0.0025推力球軸承

14、推力球軸承0.00130.00110.0010 0.00150.0010 0.0015推力調(diào)心滾子軸承推力調(diào)心滾子軸承0.00180.00280.0020 0.00300.0020 0.0025263.滾動軸承的摩擦特性o 不同類型軸承的極限轉(zhuǎn)速比較27軸承的摩擦按其產(chǎn)生機理可以分為以下4種類型：（1）純滾動摩擦；（2）滾動接觸表面上的差動、自旋等滑動摩擦；（3）滑動接觸部位的滑動摩擦（包括滾動體與保持架兜孔之間的滑動； 保持架與套圈引導面之間的滑動；滾子端面與套圈擋邊之間的滑動； 密封軸承中密封件與套圈之間的滑動等等）；（4）潤滑劑的黏性阻滯摩擦。3.滾動軸承的摩擦特性o 滾動軸承摩擦類型2

15、83.滾動軸承的摩擦特性o 滾動軸承的摩擦力矩計算2MdP P 軸承當量載荷，N；d 軸承內(nèi)徑，mm。ML與載荷有關(guān)的軸承摩擦力距，又稱為載荷項摩擦力距，Nmm；MV與載荷無關(guān)的軸承摩擦力距，又稱為速度項摩擦力距，Nmm。o 滾動軸承的摩擦系數(shù)計算LVDSVMMMMMM（）球軸承，MD差動；MP自旋具有工程思想。同時包含了各種影響因素。293.滾動軸承的摩擦特性以深溝球軸承的差動滑動摩擦力矩MD的經(jīng)驗計算公式為例：2pwDwDMD1（m+m ）+ （m-m ）2式中，Dpw 軸承節(jié)圓直徑，mm； Dw 球直徑，mm； m 球與內(nèi)圈溝道接觸形成的滑動摩擦力矩，Nmm； m球與外圈溝道接觸形成的滑

16、動摩擦力矩，Nmm。 可以得知，通過減小軸承節(jié)圓直徑和增大球直徑均可以減小軸承摩擦力矩。其他類型軸承也同此理。o 球軸承的差動滑動304.軸承減摩設計案例o 德國FAG的電機用新一代C系列深溝球軸承314.軸承減摩設計案例o NSK的家電用GR系列深溝球軸承用于家用空調(diào)、吸塵器和電扇 摩擦力矩降低4050%； 使用壽命提高50%以上； 噪聲水平更低或相當。324.軸承減摩設計案例o JTEKT的LFT-第三代超低摩擦力矩圓錐滾子軸承摩擦力矩減小75% 33 NTN開發(fā)出純電動和混合動力汽車電機及減速器軸承。電機要求輕量化，而減小體積則轉(zhuǎn)矩也會降低，因此需要增加轉(zhuǎn)速，以確保輸出功率。但軸承轉(zhuǎn)速過

17、高，保持架在離心力的作用下會變形，或者流入軸承內(nèi)部潤滑油的攪拌阻力導致溫度上升。因此開發(fā)采用“適用高速的低摩擦力矩樹脂保持架”。保持架采用兩片，可互相抑制離心力造成的各自變形，最大dn值達1.2106，相當于d=40的軸承轉(zhuǎn)速為30000r/min。保持架側(cè)面設計成防護罩形狀，限制流入的油量，大大降低攪拌阻力。摩擦力矩損失降低了50。4.軸承減摩設計案例o NTN汽車傳動系用軸承344.軸承減摩設計案例NSK開發(fā)出了摩擦損失比以往降低5065的“混合動力車專用低摩擦扭矩球軸承”，用于豐田的新款“普銳斯” 。 鋼球數(shù)量從標準設計的2223個大幅減少到16個。除加大徑向游隙之外，還優(yōu)化了鋼球直徑、

18、溝道尺寸，從而降低滾動摩擦的損失。保持架采用尼龍46制造，以減輕鋼球與保持架之間的滑動摩擦。另外，還消除了旋轉(zhuǎn)方向的凹凸形狀，從而降低了攪拌損失。單個保持架上的摩擦力矩降低了3040，軸承整體的摩擦力矩降低了5065。o NSK的混合動力車低摩擦力矩軸承354.軸承減摩設計案例密封o NTN 的低摩擦密封深溝球軸承 36o NTN的深溝球軸承沖壓保持架4.軸承減摩設計案例保持架37o SKF 采用PA46塑料保持架減摩4.軸承減摩設計案例保持架 SKF在新一代深溝球軸承中采用PA46GF30作為標準保持架，摩擦能耗降低30。 工程塑料保持架PA46GF30具有耐疲勞、耐摩擦、耐磨損、低扭矩、低噪聲、耐腐蝕、長壽命等顯著優(yōu)點，而且比金屬保持架成本平均降低60。 汽車交流發(fā)電機、空調(diào)壓縮機、變速箱軸承中開始推廣應用。384.軸承減摩設計案例國內(nèi)o 微型汽車驅(qū)動橋半軸軸承的減摩設計軸承20144設計結(jié)果比較設計結(jié)果比較僅考慮彈性滯后引起的摩擦力矩ME和接觸橢圓上差動滑動引起的摩擦力矩MD 211(1)2NNmDDijDejsjjwdMMMfD211(1)4NNmEijejjjDM394.軸承減摩設計案例國內(nèi)o 微型汽車驅(qū)動橋半軸軸承的減摩設計軸承20144摩擦力矩測試結(jié)果比較摩擦力矩測試結(jié)果比較40o眾多案例表明“減摩型”結(jié)構(gòu)已悄然成為軸