滾動(dòng)軸承減摩設(shè)計(jì)--楊曉蔚

1、1滾動(dòng)軸承的減摩設(shè)計(jì)楊曉蔚手機(jī)箱：洛 陽(yáng) 軸 承 研 究 所 有 限 公 司2前 言o 問(wèn)題的提出 高速軸承、汽車軸承以及電機(jī)等其他低摩擦力矩軸承應(yīng)用越來(lái)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(jìn)行減摩設(shè)計(jì)，沒(méi)有理念、沒(méi)有概念。o 軸承設(shè)計(jì)理念與技術(shù)整整落后了1代，水平差了1.5代。（類比設(shè)計(jì)1.0，優(yōu)化設(shè)計(jì)2.0，減摩設(shè)計(jì)3.0）o 摩擦學(xué)是一門科學(xué)和技術(shù)，必須從摩擦的科學(xué)原理、機(jī)理出發(fā)，充分掌握和運(yùn)用減摩技術(shù)進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)。3o 軸承減摩設(shè)計(jì)路徑減小本身摩擦采用適當(dāng)潤(rùn)滑前 言減小軸承本身摩擦是核心，必須了解摩擦學(xué)原理與機(jī)理！41.摩擦原理

2、與機(jī)理o 摩擦的定義 兩個(gè)物體表面在外力作用下相互接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面之間產(chǎn)生的切向運(yùn)動(dòng)阻力。51.摩擦原理與機(jī)理o 摩擦分類 （1）按摩擦副運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為按摩擦副運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為 靜摩擦：兩物體表面產(chǎn)生接觸，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)但尚未產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦。 動(dòng)摩擦：兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的摩擦。 （2）按相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移特征可分為按相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移特征可分為 滑動(dòng)摩擦：兩接觸物體接觸點(diǎn)具有不同速度和(或)方向時(shí)的摩擦。 滾動(dòng)摩擦：兩接觸物體接觸點(diǎn)的速度大小和方向相同時(shí)的摩擦。 自旋摩擦：兩接觸物體環(huán)繞其接觸點(diǎn)處的公法線相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦。 61.摩擦原理與機(jī)理o 摩擦分類 （3）按表面潤(rùn)滑

3、狀態(tài)可分為按表面潤(rùn)滑狀態(tài)可分為 干摩擦：兩表面之間即無(wú)潤(rùn)滑劑又無(wú)濕氣的摩擦。 邊界摩擦：邊界膜隔開相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面時(shí)的摩擦。 流體摩擦：以流體層隔開相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面時(shí)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(jī)理o 滾動(dòng)軸承是由滑動(dòng)軸承演變而來(lái)的 o 滑動(dòng)摩擦復(fù)習(xí) 機(jī)械互鎖（嚙合）理論 分子吸引（引力）理論 機(jī)械分子理論 粘著理論 （犁溝效應(yīng)） 8 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究指出： 一切物體剛要開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dá) 芬奇1509年第一個(gè)系統(tǒng)地研究了滑動(dòng)摩擦學(xué)1.摩擦原理與機(jī)

4、理9 （1）摩擦力方向與接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(wú)關(guān)。 （3）靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)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(dòng)速度和載荷大小無(wú)關(guān)。o 古典摩擦學(xué)定律 (阿蒙頓-庫(kù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果中總結(jié)得出的規(guī)律，盡管已有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其并不完全正確。但是至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)或總結(jié)出更好的摩擦定律，因此在工程實(shí)際問(wèn)題中依然被近似地應(yīng)用。1.摩擦學(xué)原理與機(jī)理10 古典摩擦定律長(zhǎng)期作為工程應(yīng)用的指導(dǎo)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(jìn)行修

5、正：（1）摩擦力與名義接觸面積無(wú)關(guān)，與真實(shí)接觸面積有關(guān)。當(dāng)兩者接近時(shí)，即法向壓力很高時(shí)，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(wú)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(dòng)摩擦系數(shù)。 （4）精確測(cè)量表明，摩擦力與滑動(dòng)速度有關(guān)。一般，速度對(duì)金屬的摩擦力的影響不像對(duì)粘彈性顯著的彈性體的摩擦力那樣明顯。一般認(rèn)為，f=F/Wk， k=2/31。o 修正摩擦定律1.摩擦學(xué)原理與機(jī)理111.摩擦學(xué)原理與機(jī)理o 塑性公式 式中 塑性指數(shù)(無(wú)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(qiáng)度極限硬基體材料受壓屈服極限1.摩擦學(xué)原理與機(jī)理o 修正粘著理論 具有軟材料表面膜的摩擦副滑動(dòng)時(shí)，粘著結(jié)點(diǎn)的剪切發(fā)生在膜內(nèi)，其剪切強(qiáng)度較低。又由于表面膜很薄，實(shí)際接觸面積由硬基體材料的抗壓屈服極限來(lái)決定，實(shí)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(yīng)用中，13兩接觸物體接觸點(diǎn)的速度大小和方向均相同時(shí)的摩擦。2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦定義 一個(gè)物體（滾動(dòng)體）在另一個(gè)物體的表面（可以是平面或曲面）上滾動(dòng)時(shí)遇到的阻力。點(diǎn)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(dòng)）時(shí)的阻

7、力。在力矩作用下沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)摩擦。142.滾動(dòng)摩擦機(jī)理各種滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)都可以視為以下三種基本滾動(dòng)形式的組合： （1 1）自由滾動(dòng)）自由滾動(dòng) 無(wú)切向摩擦力和不發(fā)生切向滑動(dòng)的滾動(dòng)稱為自由滾動(dòng)或純滾動(dòng)，這是最簡(jiǎn)單的滾動(dòng)形式。 （2 2）具有牽引力的滾動(dòng)）具有牽引力的滾動(dòng) 在接觸區(qū)內(nèi)同時(shí)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(dòng)的滾動(dòng)）伴隨滑動(dòng)的滾動(dòng) 當(dāng)兩個(gè)滾動(dòng)體的幾何形狀造成接觸面上的切向速度不相等時(shí)，滾動(dòng)中必將伴隨滑動(dòng)，例如深溝球球軸承中球與溝道之間的滾動(dòng)。o 滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式 152.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦機(jī)理 滾動(dòng)摩擦機(jī)理與滑動(dòng)摩擦有顯著不同。 除非接

8、觸面存在很大的滑動(dòng)，滾動(dòng)摩擦通常不存在犁溝效應(yīng)，粘著結(jié)點(diǎn)的剪切阻力也不是滾動(dòng)摩擦的主要原因。硬質(zhì)材料滾動(dòng)時(shí)的阻力很小，滾動(dòng)摩擦系數(shù)比滑動(dòng)摩擦系數(shù)低2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。162.滾動(dòng)摩擦機(jī)理滾動(dòng)摩擦機(jī)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(yīng)）粘附效應(yīng)o 滾動(dòng)摩擦機(jī)理 滾動(dòng)摩擦是由上述多種機(jī)理組合疊加的復(fù)雜過(guò)程。 接觸應(yīng)力不大時(shí)主要以彈性滯后為主，應(yīng)力較大時(shí)主要以塑性變形為主。17（1 1）微觀滑移）微觀滑移 當(dāng)兩個(gè)彈性模量不同的物體接觸而發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，由于接觸表面產(chǎn)生不相等的切向位移，會(huì)有微觀滑移出現(xiàn)。用以傳遞機(jī)械

9、能的滾動(dòng)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(diǎn)的切向速度不同時(shí)，將導(dǎo)致更大的微觀滑移。 微觀滑移所產(chǎn)生的摩擦阻力占滾動(dòng)摩擦的較大部分，其機(jī)理與滑動(dòng)摩擦相同。 微觀滑移是滾動(dòng)過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象。 2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦機(jī)理 18（2 2）塑性變形）塑性變形 在滾動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)表面接觸應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，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(kuò)大。塑性變形消耗的能量表現(xiàn)為滾動(dòng)摩擦阻力，可以根據(jù)彈塑性力學(xué)計(jì)算。 如：球體沿平面自由滾動(dòng)時(shí)，由于球體運(yùn)動(dòng)前方的材料塑性變形所產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦阻力F可表達(dá)為 式中，W為法向載荷；R為球體半

10、徑。2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦機(jī)理 23WFR19（3 3）彈性滯后）彈性滯后 滾動(dòng)過(guò)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(fù)，其中小部分消耗于材料的彈性滯后現(xiàn)象。2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦機(jī)理 低速滾動(dòng)時(shí)的彈性滯后損失小高速滾動(dòng)時(shí)的彈性滯后相對(duì)較大20（4 4）粘附效應(yīng)）粘附效應(yīng) 滾動(dòng)表面相互緊壓形成的粘著結(jié)點(diǎn)在滾動(dòng)中將沿垂直接觸面的方向分離。因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)分離是受拉力作用，沒(méi)有結(jié)點(diǎn)面積擴(kuò)大現(xiàn)象，所以粘著力很小。通常由粘著效應(yīng)引起的阻力只占滾動(dòng)摩擦阻力的很小部分。 2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦機(jī)理 21（1）滾動(dòng)摩擦系數(shù) 當(dāng)滾動(dòng)體沿平面滾動(dòng)時(shí)，由于接觸區(qū)的變形使

11、得以接觸點(diǎn)O為中心的接觸壓力分布不對(duì)稱，因而支承面的反力產(chǎn)生偏移。此反力對(duì)于接觸點(diǎn)的力矩稱為滾動(dòng)摩擦力矩。 滾動(dòng)摩擦系數(shù)定義為滾動(dòng)摩擦力矩與法向載荷之比，即2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦系數(shù) eWFRk 滾動(dòng)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)摩擦系數(shù)不同，它是有量綱的量，常用單位為mm。22（2）滾動(dòng)阻力系數(shù) 滾動(dòng)體滾過(guò)角度為，滾過(guò)的距離為R，而驅(qū)動(dòng)力作功為FR。 滾動(dòng)阻力系數(shù)定義為滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)力在單位距離所作的功與法向載荷之比，即2.滾動(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦系數(shù) 滾動(dòng)阻力系數(shù)也稱為無(wú)量綱滾動(dòng)摩擦系數(shù)。RkWFWRFRfr/23 滾動(dòng)阻力系數(shù)是庫(kù)侖于1785年用實(shí)驗(yàn)方法得出滾動(dòng)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(dòng)摩擦機(jī)理o 滾動(dòng)摩擦定律 上述滾動(dòng)摩擦定律未涉及到摩擦機(jī)理，系實(shí)驗(yàn)所得，因而可近似地應(yīng)用于工程計(jì)算。（D為滾動(dòng)體直徑）24 滾動(dòng)軸承的“減摩”特性是相對(duì)于滑動(dòng)軸承而言。 滾動(dòng)軸承的摩擦因子一般為0.010.001，滑動(dòng)軸承為0.10.01。滾動(dòng)軸承的摩擦因子比滑動(dòng)軸承低12個(gè)數(shù)量級(jí)。3.滾動(dòng)軸承的摩擦特性o 滾動(dòng)軸承本身就屬于“減摩”軸承253.滾動(dòng)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(dòng)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(jī)理可以分為以下4種類型：（1）純滾動(dòng)摩擦；（2）滾動(dòng)接觸表面上的差動(dòng)、自旋等滑動(dòng)摩擦；（3）滑動(dòng)接觸部位的滑動(dòng)摩擦（包括滾動(dòng)體與保持架兜孔之間的滑動(dòng)； 保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)；滾子端面與套圈擋邊之間的滑動(dòng)； 密封軸承中密封件與套圈之間的滑動(dòng)等等）；（4）潤(rùn)滑劑的黏性阻滯摩擦。3.滾動(dòng)軸承的摩擦特性o 滾動(dòng)軸承摩擦類型2

15、83.滾動(dòng)軸承的摩擦特性o 滾動(dòng)軸承的摩擦力矩計(jì)算2MdP P 軸承當(dāng)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(xiàng)摩擦力距，Nmm；MV與載荷無(wú)關(guān)的軸承摩擦力距，又稱為速度項(xiàng)摩擦力距，Nmm。o 滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)計(jì)算LVDSVMMMMMM（）球軸承，MD差動(dòng)；MP自旋具有工程思想。同時(shí)包含了各種影響因素。293.滾動(dòng)軸承的摩擦特性以深溝球軸承的差動(dòng)滑動(dòng)摩擦力矩MD的經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(dòng)摩擦力矩，Nmm； m球與外圈溝道接觸形成的滑

16、動(dòng)摩擦力矩，Nmm。 可以得知，通過(guò)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(dòng)滑動(dòng)304.軸承減摩設(shè)計(jì)案例o 德國(guó)FAG的電機(jī)用新一代C系列深溝球軸承314.軸承減摩設(shè)計(jì)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(dāng)。324.軸承減摩設(shè)計(jì)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(dòng)和混合動(dòng)力汽車電機(jī)及減速器軸承。電機(jī)要求輕量化，而減小體積則轉(zhuǎn)矩也會(huì)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(guò)

17、高，保持架在離心力的作用下會(huì)變形，或者流入軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油的攪拌阻力導(dǎo)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(dá)1.2106，相當(dāng)于d=40的軸承轉(zhuǎn)速為30000r/min。保持架側(cè)面設(shè)計(jì)成防護(hù)罩形狀，限制流入的油量，大大降低攪拌阻力。摩擦力矩?fù)p失降低了50。4.軸承減摩設(shè)計(jì)案例o NTN汽車傳動(dòng)系用軸承344.軸承減摩設(shè)計(jì)案例NSK開發(fā)出了摩擦損失比以往降低5065的“混合動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的2223個(gè)大幅減少到16個(gè)。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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)力車低摩擦力矩軸承354.軸承減摩設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)案例保持架37o SKF 采用PA46塑料保持架減摩4.軸承減摩設(shè)計(jì)案例保持架 SKF在新一代深溝球軸承中采用PA46GF30作為標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)，而且比金屬保持架成本平均降低60。 汽車交流發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、變速箱軸承中開始推廣應(yīng)用。384.軸承減摩設(shè)計(jì)案例國(guó)內(nèi)o 微型汽車驅(qū)動(dòng)橋半軸軸承的減摩設(shè)計(jì)軸承20144設(shè)計(jì)結(jié)果比較設(shè)計(jì)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(dòng)滑動(dòng)引起的摩擦力矩MD 211(1)2NNmDDijDejsjjwdMMMfD211(1)4NNmEijejjjDM394.軸承減摩設(shè)計(jì)案例國(guó)內(nèi)o 微型汽車驅(qū)動(dòng)橋半軸軸承的減摩設(shè)計(jì)軸承20144摩擦力矩測(cè)試結(jié)果比較摩擦力矩測(cè)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