【重要前提】

本篇討論的運轉聲量較大,是撇除軸承本身的製造瑕疵(例如滾道滾珠不良等狀況),

安裝瑕疵(例如越肩在滾道上出現敲擊痕),油脂變質等狀況。

本篇討論的是曲率比(軸承密合度),也就是滾道包覆滾珠的比例對於軸承運轉聲響與壽命的影響。

隨著近代技術的快速發展,對設備的耗能及環保提出了更高的要求。為了降低設備的振動和噪音水平,相對應地對軸承本身的低摩擦性能以及低噪音性能提出了更高的要求。

為了能更好地滿足能效標準和噪音要求,許多軸承製造商會透過調整軸承的設計參數與軸承內部接觸的幾何關係來滿足需求。但有時候我們不能一味追求某一方面的性能,而忽略了其他基本要求。

今天我們來探討軸承設計中的一個重要參數,是如何影響軸承的低摩擦性與軸承基本額定壽命?這個重要的設計參數就是軸承的「溝曲率半徑係數」(或者說「密合度」)。

什麼是軸承的密合度?

密合度是指垂直於滾動方向的滾動體曲率半徑與溝曲率半徑之比,用來描述滾動體和軌道的密接程度。簡單來說:密合度越大,就是軌道把滾珠包得越緊。

溝曲率半徑係數小

(大密合度)

鋼球與軌道接觸面積變大,負載能力增強(但必須在合理範圍內,太小的溝曲率會造成接觸區域邊緣的應力集中加劇)。然而,摩擦阻力也會隨之上升,不利於高速運轉。

溝曲率半徑係數大

(低密合度)

砂輪修整為軌道輪廓直接進行切削,同樣是為了兼顧高效率的尺寸成形。

差動滑動引起的摩擦

差動滑動是指在接觸面上的中間部分與兩側,產生方向相反的滑動現象。

以深溝滾珠軸承為例:內圈軌道表面各點的線速度與距離軸承軸線的距離成正比,其圓周線速度 V1 沿軸向分佈;鋼球表面各點的線速度與距離鋼球自轉軸線的距離成正比,其線速度 V2 的分佈,如下圖所示:

只有在交點 a、b 處,兩物體的線速度相同,形成純滾動;在其兩側將出現大小不同、方向相反的線速度,這就是滑動的存在。差動滑動與滾動體和軌道的密合度有很大關係,密合度越大,差動滑動就越大。

1. 等溝曲率設計

  • 缺點

    內圈接觸點壓力大(內圈接觸區域小,接觸壓力大),導致內圈容易先損壞,軸承壽命較低。(因為外圈軌道與滾動體屬於內切,而內圈軌道與滾動體是外切)。

2. 等接觸應力設計

  • 優點

    內外軌道的最大接觸壓力接近,內外圈損壞的機率基本相同,進而提升軸承壽命。內圈曲率半徑係數增加,密合度降低,軸承摩擦也隨之降低,從而減少振動與噪音。

通常設計為「外圈溝曲率半徑係數 > 內圈溝曲率半徑係數」,同時保證極限接觸應力不超過 1800 MPa。

不同應用場景的溝曲率選擇

通用工業軸承

通常採用中等 𝑓 值(如:0.515 ~ 0.530),在負載能力與摩擦之間取得平衡。

高速輕載設備(如:馬達)

傾向於選用較大的 𝑓 值,以減小摩擦、提升轉速的穩定性。

高靈敏度儀表軸承

則可能進一步放大 𝑓 值(如:0.540 ~ 0.580),優先保障運轉的順滑度與響應精度,儘管這會犧牲部分的負載能力。

尹發貿易有限公司偕同比利時ROLLWAY軸承與立豐精密股份有限公司(TOP)共同撰寫-技術資料

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