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深沟球轴承保持架形状最优化的低摩擦力矩研究

深沟球轴承具备以下优点：能承受径向载荷与双向的轴向载荷、低摩擦力矩、低噪声、低成本等，所以作为汽车、工业机械用轴承获得广泛应用。近年来，世界各国颁布、执行了汽车的油耗法规，今后会进一步收紧油耗法规限值。此外，在工业机械领域也在推进节能化，要求这些领域所用深沟球轴承进一步降低摩擦力矩。

滚动轴承摩擦力矩起因于润滑剂的搅拌阻力、滚动黏滞阻力、球自旋及差动滑动等导致的滑动摩擦阻力以及球与保持架之间的滑动摩擦阻力。为降低润滑剂的搅拌阻力及滚动黏滞阻力，润滑剂的低黏度化是有效的，近年来学者们开展了大量研究。不过这类方法虽可实现低摩擦力矩化，但许多情形下会降低寿命等其他性能。

深沟球轴承多使用润滑脂润滑，以往通过改善润滑脂推进了轴承低摩擦力矩化，不过仅通过改善润滑脂来降低摩擦力矩也是有限度的。本文介绍为降低脂润滑深沟球轴承摩擦力矩进行轴承内部润滑脂行为的可视化，获得使脂润滑条件下所用保持架形状最优化的指南。通过开发既降低润滑脂剪切阻力及搅拌阻力，又对其他性能无影响的新结构保持架，实现了低摩擦力矩化技术。

1 新保持架开发的基础试验

1.1 试验轴承

为研究保持架对摩擦力矩的影响，采用汽车、工业机械用具有非接触式密封的普通深沟球轴承作为试验轴承，其尺寸规格见表1。

作为试验轴承使用的常规深沟球轴承近年来主流使用冠状树脂保持架，如图1所示。

表1 深沟球轴承试样的尺寸规格

试验轴承

轴承内径

（mm）

轴承外径

（mm）

轴承宽度

（mm）

基本额定动载荷（kN）

基本额定静载荷（kN）

球数

保持架材料

6302ZZ

14.3

5.45

尼龙66

图1 保持架( 常规)

1.2 润滑脂分布可视化试验

为了解深沟球轴承内部润滑脂的状态，研究低摩擦力矩化的相关方法，运用X射线电脑断层造影(CT)系统使旋转试验后的轴承内部可视化。可视化用轴承的外观照片如图2所示。结构零件的细节以及X射线照射条件分别见表2和表3。

图2 可视化用试验轴承

表2 可视化用试验轴承结构零件

润滑脂

内圈	外圈	球	保持架	防尘盖	增稠剂	锥入度	40℃时基础油的运动黏度润滑脂（mm²/s）	润滑脂数量
丙烯酸树脂	丙烯酸树脂	石英玻璃	尼龙66	ABS树脂	锂皂基	250	26	0.84

表3 X射线照射条件

X射线管电压（kV）	X射线管电流（A）
100	460

为提高润滑脂的X射线透射率，照射低输出功率的X射线(管电压100 kV)，以判别润滑脂与空气的差异。在此，使用X射线透射率高的材质构成结构零件，以便即使低输出功率的X射线也能使深沟球轴承内部可视化。轴承内、外圈采用丙烯酸树脂；球采用石英玻璃；保持架采用尼龙66；防尘盖采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯合成树脂(ABS树脂)。在可视化试验前的旋转试验中，在轴向载荷20 N下以1 800 r/min的转速使内圈旋转5 min。使用下节所述的轻载下的摩擦力矩测试台进行旋转试验。

1.3 摩擦力矩测试

按2种载荷条件(轻载/重载)进行深沟球轴承摩擦力矩测量。轻载条件下摩擦力矩测试台如图3所示，试验条件见表4；重载条件下摩擦力矩测试台如图4所示，试验条件见表5。

图3 轻载条件下摩擦力矩测试台

表4 轻载条件下的试验条件

轴向载荷（N）	径向载荷（N）	转速（r/min）
1	0	14000→12000→10000→8000→6000→4000→2000

图4 重载条件下摩擦力矩测试台

表5 重载条件下的试验条件

轴向载荷（N）	径向载荷（N）	转速（r/min）
1000	100	10000→8000→6000→4000→2000

深沟球轴承内圈旋转，用测力传感器测量外圈上产生的摩擦力矩。轻载条件下，深沟球轴承上只承受轴向载荷；重载条件下，深沟球轴承上承受轴向与径向联合载荷。由于通过空气轴承施加轴向载荷及径向载荷，高精度地测量了深沟球轴承摩擦力矩。各种载荷条件下从最高转速以每次2000 r/min为一级，最终转速降低至2000 r/min，在各转速下保持1 min间隔，读取摩擦力矩平均值作为各转速下的摩擦力矩值。

深沟球轴承内、外圈沟道断面形状为圆弧状，在只有轴向载荷作用的条件下，全部球与内、外圈接触角变成相等状态，公转半径也成为相等状态，所以通过假定球速度为恒定可达到减小球-保持架之间作用力的目的。在同时有径向及轴向载荷作用的条件下，因各个球与内、外圈接触角不同，所以球在沟道上的公转半径发生变化，由于球速度不均匀，可达到加大球-保持架之间作用力的目的。

1.4 润滑脂分布可视化试验结果

使用X射线CT装置观察旋转试验后脂润滑深沟球轴承内部润滑脂分布的结果，如图5所示。根据X射线透射率，以深浅不同颜色表示了各轴承结构零件，轴承内部润滑脂分布得以可视化。由于离心力作用，润滑脂呈块状附着在外圈侧。内圈侧与润滑脂块存在间隙。常规保持架与球间为面接触，由于润滑脂进入常规保持架-球之间，所以可认为因润滑脂的剪切导致产生摩擦力矩。

图5 X射线CT观察结果(常规轴承)

2 实现低摩擦力矩化的保持架形状

研究通过开发新结构的保持架，以降低深沟球轴承摩擦力矩。基于X射线CT的观察结果，可得到以下降低摩擦力矩的指南。

1）由于保持架-球之间润滑脂的剪切成为摩擦力矩产生的因素，所以应使润滑脂的剪切作用最小化。

2）由于离心力的作用，润滑脂附着于外圈侧，所以由于改变保持架形状，当保持架位于外圈侧，润滑脂的搅拌阻力及剪切阻力会增加；当保持架位于内圈侧，润滑脂的搅拌阻力及剪切阻力会减小。

根据这些知识，为降低轴承摩擦力矩，采用了以下保持架结构。

1）保持架-球之间形成点接触；

2）不是采用保持架的卡爪抱住球的引导方式，而是采用套圈引导方式。套圈引导方式可考虑内圈引导方式及外圈引导方式，而为了降低润滑脂的搅拌阻力及剪切阻力，采用内圈引导方式。

常规保持架和新结构的开发保持架如图6所示。常规保持架中保持架兜孔与球的接触状态如图6a所示。常规保持架是球引导方式，所以常规保持架与球为面接触。开发保持架中保持架兜孔与球的接触状态如图6b所示，开发保持架与球为点接触。

图6 深沟球轴承的球与保持架接触状态（左-常规；右-新开发）

常规保持架和开发保持架的引导方式如图7所示。常规保持架是球引导方式，保持架与球接触；开发保持架则是内圈引导方式，保持架与内圈接触。

图7 深沟球轴承的引导

3 新结构保持架的测量结果

3.1 润滑脂分布可视化试验结果

为了确认新结构的开发保持架实现如设计目标那样的功能，对装有开发保持架的深沟球轴承内部润滑脂分布进行了观察，结果如图8所示。确认了开发保持架与球的接触部位如设计目标那样形成点接触。此外，润滑脂形成块状，由于离心力而附着在外圈侧，内圈侧附着的润滑脂少，所以由于形成内圈引导方式，难以产生润滑脂搅拌及剪切。

图8 X射线观察结果(开发保持架)

3.2 摩擦力矩测量结果

对常规轴承与装有新结构的开发保持架的深沟球轴承（以下称开发轴承）进行了摩擦力矩测量，结果如图9a和图10a 所示。常规轴承与开发轴承的摩擦力矩之比如图9b和图10b所示。无论是常规轴承，还是开发轴承，均测量了2套轴承，在此表示为常规轴承1，2和开发轴承1，2。相比于装有球引导保持架的常规轴承，装有内圈引导保持架的开发轴承在轻载及重载条件下均有降低摩擦力矩的效果。

图9 轻载条件下深沟球轴承的摩擦力矩

由图9可知，轻载条件下，虽说摩擦力矩的绝对值低些，但开发轴承的摩擦力矩大幅降低。随着转速的提高，常规轴承摩擦力矩也呈现增加趋势，而开发轴承的摩擦力矩变化小，而且越是在高速区，降低摩擦力矩的效果越明显。在试验的最高转速14 000 r/min下，开发轴承比常规轴承降低约80%的摩擦力矩。

轻载条件下，在轴承摩擦力矩中润滑脂的搅拌阻力及剪切阻力降低所占的比例大。至于使用新结构保持架，由于大幅降低润滑脂的搅拌阻力及剪切阻力，轴承摩擦力矩降低效果明显。

由图10可知，随着载荷的增加，常规轴承、开发轴承的摩擦力矩增加。不过随着载荷的增加，开发轴承比常规轴承的摩擦力矩增加少，即便在重载条件下也可见在试验的全部转速区，开发轴承具备摩擦力矩降低的效果。开发轴承比常规轴承的摩擦力矩降低约20%~40%。重载条件下，在产生摩擦力矩的因素中，除保持架以外，滚动黏滞阻力和差动滑动等因素的影响大，所以可推定相比轻载条件，因保持架降低摩擦力矩的比例变小，但仍获得明显效果。在同时承受径向及轴向载荷条件下，由于各个球与内、外圈接触角不同，所以球在沟道上的公转半径发生变化，球速度均匀。球速度不均匀产生超前滞后现象，但是起因于球速度的不均匀，推压保持架-球之间的接触部位的载荷起到大的作用，而新结构保持架由于能降低那些部位的润滑脂搅拌及剪切阻力，所以能降低轴承摩擦力矩。