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深溝球軸承保持架形狀最優化的低摩擦力矩研究

深溝球軸承具備以下優點：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、工業機械用軸承獲得廣泛應用。近年來，世界各國頒布、執行了汽車的油耗法規，今后會進一步收緊油耗法規限值。此外，在工業機械領域也在推進節能化，要求這些領域所用深溝球軸承進一步降低摩擦力矩。

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，近年來學者們開展了大量研究。不過這類方法雖可實現低摩擦力矩化，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行軸承內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化的指南。通過開發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構保持架，實現了低摩擦力矩化技術。

1 新保持架開發的基礎試驗

1.1 試驗軸承

為研究保持架對摩擦力矩的影響，采用汽車、工業機械用具有非接觸式密封的普通深溝球軸承作為試驗軸承，其尺寸規格見表1。

作為試驗軸承使用的常規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格

試驗軸承

軸承內徑

（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

保持架材料

6302ZZ

14.3

5.45

尼龍66

圖1 保持架( 常規)

1.2 潤滑脂分布可視化試驗

為了解深溝球軸承內部潤滑脂的狀態，研究低摩擦力矩化的相關方法，運用X射線電腦斷層造影(CT)系統使旋轉試驗后的軸承內部可視化。可視化用軸承的外觀照片如圖2所示。結構零件的細節以及X射線照射條件分別見表2和表3。

圖2 可視化用試驗軸承

表2 可視化用試驗軸承結構零件

潤滑脂

內圈	外圈	球	保持架	防塵蓋	增稠劑	錐入度	40℃時基礎油的運動黏度潤滑脂（mm²/s）	潤滑脂數量
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構成結構零件，以便即使低輸出功率的X射線也能使深溝球軸承內部可視化。軸承內、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)。在可視化試驗前的旋轉試驗中，在軸向載荷20 N下以1 800 r/min的轉速使內圈旋轉5 min。使用下節所述的輕載下的摩擦力矩測試臺進行旋轉試驗。

1.3 摩擦力矩測試

按2種載荷條件(輕載/重載)進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，試驗條件見表4；重載條件下摩擦力矩測試臺如圖4所示，試驗條件見表5。

圖3 輕載條件下摩擦力矩測試臺

表4 輕載條件下的試驗條件

軸向載荷（N）	徑向載荷（N）	轉速（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 重載條件下的試驗條件

軸向載荷（N）	徑向載荷（N）	轉速（r/min）
1000	100	10000→8000→6000→4000→2000

深溝球軸承內圈旋轉，用測力傳感器測量外圈上產生的摩擦力矩。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速以每次2000 r/min為一級，最終轉速降低至2000 r/min，在各轉速下保持1 min間隔，讀取摩擦力矩平均值作為各轉速下的摩擦力矩值。

深溝球軸承內、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、外圈接觸角變成相等狀態，公轉半徑也成為相等狀態，所以通過假定球速度為恒定可達到減小球-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、外圈接觸角不同，所以球在溝道上的公轉半徑發生變化，由于球速度不均勻，可達到加大球-保持架之間作用力的目的。

1.4 潤滑脂分布可視化試驗結果

使用X射線CT裝置觀察旋轉試驗后脂潤滑深溝球軸承內部潤滑脂分布的結果，如圖5所示。根據X射線透射率，以深淺不同顏色表示了各軸承結構零件，軸承內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。內圈側與潤滑脂塊存在間隙。常規保持架與球間為面接觸，由于潤滑脂進入常規保持架-球之間，所以可認為因潤滑脂的剪切導致產生摩擦力矩。

圖5 X射線CT觀察結果(常規軸承)

2 實現低摩擦力矩化的保持架形狀

研究通過開發新結構的保持架，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生的因素，所以應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，所以由于改變保持架形狀，當保持架位于外圈側，潤滑脂的攪拌阻力及剪切阻力會增加；當保持架位于內圈側，潤滑脂的攪拌阻力及剪切阻力會減小。

根據這些知識，為降低軸承摩擦力矩，采用了以下保持架結構。

1）保持架-球之間形成點接觸；

2）不是采用保持架的卡爪抱住球的引導方式，而是采用套圈引導方式。套圈引導方式可考慮內圈引導方式及外圈引導方式，而為了降低潤滑脂的攪拌阻力及剪切阻力，采用內圈引導方式。

常規保持架和新結構的開發保持架如圖6所示。常規保持架中保持架兜孔與球的接觸狀態如圖6a所示。常規保持架是球引導方式，所以常規保持架與球為面接觸。開發保持架中保持架兜孔與球的接觸狀態如圖6b所示，開發保持架與球為點接觸。

圖6 深溝球軸承的球與保持架接觸狀態（左-常規；右-新開發）

常規保持架和開發保持架的引導方式如圖7所示。常規保持架是球引導方式，保持架與球接觸；開發保持架則是內圈引導方式，保持架與內圈接觸。

圖7 深溝球軸承的引導

3 新結構保持架的測量結果

3.1 潤滑脂分布可視化試驗結果

為了確認新結構的開發保持架實現如設計目標那樣的功能，對裝有開發保持架的深溝球軸承內部潤滑脂分布進行了觀察，結果如圖8所示。確認了開發保持架與球的接觸部位如設計目標那樣形成點接觸。此外，潤滑脂形成塊狀，由于離心力而附著在外圈側，內圈側附著的潤滑脂少，所以由于形成內圈引導方式，難以產生潤滑脂攪拌及剪切。

圖8 X射線觀察結果(開發保持架)

3.2 摩擦力矩測量結果

對常規軸承與裝有新結構的開發保持架的深溝球軸承（以下稱開發軸承）進行了摩擦力矩測量，結果如圖9a和圖10a 所示。常規軸承與開發軸承的摩擦力矩之比如圖9b和圖10b所示。無論是常規軸承，還是開發軸承，均測量了2套軸承，在此表示為常規軸承1，2和開發軸承1，2。相比于裝有球引導保持架的常規軸承，裝有內圈引導保持架的開發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，但開發軸承的摩擦力矩大幅降低。隨著轉速的提高，常規軸承摩擦力矩也呈現增加趨勢，而開發軸承的摩擦力矩變化小，而且越是在高速區，降低摩擦力矩的效果越明顯。在試驗的最高轉速14 000 r/min下，開發軸承比常規軸承降低約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。至于使用新結構保持架，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，常規軸承、開發軸承的摩擦力矩增加。不過隨著載荷的增加，開發軸承比常規軸承的摩擦力矩增加少，即便在重載條件下也可見在試驗的全部轉速區，開發軸承具備摩擦力矩降低的效果。開發軸承比常規軸承的摩擦力矩降低約20%~40%。重載條件下，在產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、外圈接觸角不同，所以球在溝道上的公轉半徑發生變化，球速度均勻。球速度不均勻產生超前滯后現象，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，而新結構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。