轴承的应用型设计

县鹏宇

(甘肃海林中科科技股份有限公司 技术中心，甘肃 天水 741018)

1 轴承的常规设计

常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”，各种几何参数只要能够保证零件安全就认为合格，但这不一定是最优。近十几年来，由于各种优化设计理论的发展和计算机的普及，优化设计在机械设计中得到了广泛的应用。所谓优化设计就是根据产品的性能要求，综合考虑多方面的复杂因素，在满足各种约束条件后，合理设计各种参数，寻求预定目标的最优化方案和最佳参数，在重量、成本、性能、可靠性、承载能力等设计指标中的一项或几项达到最佳的设计，这样在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量，可有效确保所要求的技术、经济指标。轴承作为一种机械基础件，通常承载能力和可靠性是衡量其性能的重要指标，因此在轴承的优化设计中，将额定载荷最大确定为优化设计的目标。

我国轴承行业的产品设计在20世纪80年代以前多沿用和借鉴原苏联的设计方法，产品的结构主要以苏联产品为蓝本，普遍存在结构笨重、承载能力低、形位公差偏大等情况，均为非加强型产品。随着改革开放的深入，一些采用欧美国家先进技术的轴承随引进主机开始进入国内市场，国内迫切需要结构性能优越的加强型轴承来取代非加强型产品。因此以原机械工业部洛阳轴承研究所为主体，联合行业骨干企业开始了轴承的优化设计工作，在优化设计中将额定动载荷最大作为优化设计的目标，先后对深沟球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、角接触球轴承、滚针轴承、推力球轴承、外球面轴承等类型轴承的套圈、滚动体、密封圈和保持架结构进行了优化设计，每一类型轴承都形成了一套完整的设计方法和统一图册。经过近30年的发展，标准公制轴承基本上都已完全采用优化后的统一图册，各个企业的标准公制轴承结构基本一致，由于标准公制轴承采用了统一的结构，这对于零部件的加工和采购更为便利。

目前国内轴承设计依然是以额定载荷最大为设计目标，轴承额定动载荷和轴承寿命是利用国际标准ISO 281—2007(GB/T 6391—2010)提供的公式进行计算，这种计算的先决条件是排除磨损、腐蚀和电蚀对轴承寿命的影响，而且轴承是在常规运转条件下安装正确，无外来物侵入，润滑充分，工作温度不苛刻，运转速度不是特别高或者特别低，是在理想条件下对轴承进行的理论寿命计算。而且按照GB/T 2467—2009《滚动轴承 寿命与可靠性试验及评定》规定，在常规的轴承寿命与可靠性试验中，轴承在试验机上所加载荷恒定(当量载荷为计算额定动载荷的20%～30%)，转速恒定(一般为极限转速的20%～60%)，润滑是采用循环油润滑，寿命试验中的考核条件也是按照标准规定，这种试验只是轴承通用性的考核试验。

2 轴承的应用型设计

在常规轴承设计中对轴承的刚度、预载荷、防尘、润滑、极限转速等考虑很少，一些轴承设计上的结构参数和精度要求缺乏理论依据，只能够凭经验。

随着现代工业的发展，产品的个性化设计被越来越多地引入到机械产品的设计中，轴承作为一种广泛使用的通用机械基础件也不例外，按照常规设计的普通轴承已无法满足主机在特定工况、环境下的性能要求，同一型号的轴承虽然外形尺寸相同，但应用在不同主机上的工作状态千差万别，这就要求在保持外形尺寸不变的情况下，轴承内部结构必须根据主机的性能要求进行适应性设计，否则就无法满足主机的运行要求，影响主机的性能。

轴承在主机上的运行环境主要包括其安装部位、转速、润滑状况、主机系统的功率或传动部件的受力情况等等。轴承运行环境的分析过程实际上就是依据主机的载荷谱，将主机系统所承受的载荷具体分解到单套轴承上，然后对轴承进行详细的受力分析计算，据此估算出轴承在应用状态下的理论寿命，这对轴承的实际应用才具有现实的指导意义。

因此，轴承的应用型设计是指轴承的设计应根据主机系统的运行环境，依据轴承的受力、润滑、转速等情况对轴承的寿命可靠性进行理论分析计算，最后从理论上得出轴承是否能够满足主机的理论寿命要求，在此基础上对轴承的内部结构进行专门的设计，满足主机的性能要求。

3 国内外轴承应用设计发展情况

国外一些著名轴承企业在轴承应用设计方面开展的非常好，如SKF，NSK，SCHAEFFLER，NTN，TIMKEN等都有其相应的轴承应用分析软件，这些软件与CAD，CAE等分析软件相结合就形成了集轴承设计、制造、应用为一体的轴承综合分析系统，这类系统对轴承的设计，尤其是应用服务提供了强有力的支持，目前国外一些先进轴承企业的应用分析软件已由传统静力学分析转向了动力学分析，可对滚动体和保持架等在运动状态下的动态性能及应力做出分析判断。

国外一些软件公司开发了专门针对传动机械的分析软件，如英国ROMAX公司根据自身在传动领域多年积累的经验，开发了一款Romax Designer软件，主要应用于齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析。该软件可以建立齿轮传动系统虚拟样机模型，其包括部件的强度和可靠性分析及传动系统振动噪声分析，同时可考虑更多实际工况，如装配误差、轴承间隙、预载荷等，极大地加快了传动系统的设计和开发流程。Romax Designer应用很广，其中包括汽车、船舶、工程机械、风力发电、工业、轴承以及航空航天等领域齿轮传动系统的设计。

国外许多大型整机和部件制造企业常常对一些关键部位的轴承(特别是传动部位，如变速箱、齿轮箱、车桥等)提出一些专门的要求，基本上是以企业标准的形式出现，例如美国CAT公司，其对于一些关键传动部位的轴承提出了详细的要求，包括轴承零件所使用的材料、材料中主要元素的含量、轴承尺寸公差、轴承零件热处理后的理化组织和硬度要求等。再如美国某车轴制造公司，对于车桥主减速器部位轴承提出了一个标准，在标准中提供了车轴的载重量、主减速器的输入和输出扭矩、传动齿轮的载荷谱、齿轮的一些设计用参数、轴承的安装部位以及轴承与其他关联件之间几何尺寸等，另外还对轴承零件的材料、轴承的润滑剂、轴承外形尺寸公差、轴承的试验(模拟台架试验)等提出了具体要求，并要求按照所提供的工况条件对轴承的理论寿命进行分析计算，提供相关的理论分析报告。

对轴承的个性化需求更加强烈，例如所需要的轴承仍为常规轴承，但对轴承的精度要求已不是常规意义上的P0，P6，P5等精度等级，而是所谓的“混合精度”，如轴承的外形尺寸公差仍是普通精度等级，但是表面粗糙度、圆度等一些形位公差却为P5，甚至更高，这主要与轴承的使用场合有关。

由此可以看出，欧美发达国家的主机企业对轴承的应用分析相当重视，因为轴承性能直接影响着主机的性能和寿命，轴承制造企业只有按照所配套主机的性能要求进行个性化的设计，才能提高轴承的技术水平。

目前国内主机企业对轴承的应用要求较少，轴承的选用基本上还是从机械手册中选取，对于一些引进的主机依然处于仿制阶段，关键核心技术并未吸收和掌握，产品虽然能够制造出来，但是性能却与国外同类产品相差较多，这就造成了我国主机制造企业与国外的巨大差距。

在轴承设计方面，国内轴承企业对轴承应用环境考虑不全面，往往采用的都是经验设计，没有对轴承的使用工况和使用要求进行深入细致的调查研究，大部分设计都是常规通用设计，没有进行针对性的专门设计，这就导致轴承在实际应用中出现各种问题，不能够满足主机的功能性需求，导致轴承产品寿命与可靠性的降低。

随着国内外主机企业对轴承应用要求的提高，迫切需要轴承的设计由常规设计转入到应用型设计中，轴承的设计理念需突破常规。

4 轴承应用设计实例

在轴承的应用型设计中，轴承的额定载荷不再是轴承设计唯一追求的目标，轴承的适用性才是设计的最终目标，轴承的内部结构必须根据主机的具体性能要求来确定，才能够适应主机的发展。

例如有的主机需要轴承具有低摩擦力矩，在设计中首要考虑的是轴承的低摩擦性，其次才是保证轴承的额定载荷。在轴承结构设计时要重点考虑如何减小轴承的摩擦，即需要降低滚动接触面积，在滚子轴承的设计中可通过缩短滚子长度、减少滚子数量、降低滚子与套圈接触面的表面粗糙度值；而在球轴承的设计中可通过减少钢球数量、降低钢球与套圈滚动接触面的表面粗糙度值。采取这样的设计，虽然额定载荷比常规轴承有一定的降低，但是滚动接触面积减少了，使得摩擦阻力降低，这种差异化设计的轴承，虽然外形尺寸和精度与普通轴承一样，但是轴承使用性能却有了大幅提高。

再例如汽车车桥主减速器中的主动锥齿轮支承用圆锥滚子轴承，为了安装调整的需要，对轴承的装配宽度进行适当压缩，压缩到正常装配高宽度的一半，甚至更窄，这样轴承在安装时就免去了繁琐的调整，大大提高了安装效率。如某型号汽车车桥轮毂轴承为标准圆锥滚子轴承，轴承采用统一图册提供的结构，但用户在使用过程中经常出现轴承内圈挡边掉块情况，故障率较高。通过对轮毂轴承运用环境分析，该种车桥轮端承受的冲击载荷较大，在保证轴承基本载荷能力的情况下，对轴承结构进行了重新设计，增大了内圈大挡边厚度，缩小了滚子长度，同时在热处理时适当降低轴承套圈的硬度，产品经过用户使用，再没有出现挡边掉块的问题。这说明同一型号的轴承，在不同的使用工况下，对轴承经过差异化设计后会达到不一样的效果。

在轴承的应用型设计中要充分利用ISO/TS 16949质量管理标准体系中的设计FMEA(潜在失效模式分析)和过程FMEA分析系统，分析轴承产品以及与之相关的系统、子系统和零部件之间的关系，尽可能多地将轴承在应用中可能出现的各种失效模式罗列出来，以便在轴承的设计中予以考虑，提高轴承的使用性能。

5 结束语

目前国内轴承行业已经开始意识到轴承应用型设计方面的差距，在轴承行业“十二五”规划中已提出要在产品开发前期，在新结构与新技术的基础研究、应用研究、工程开发研究、信息化方面取得重大突破，这将有利于轴承应用技术的发展，缩短我国轴承行业与国外先进轴承企业技术方面的差距。

正是由于轴承应用型设计的使用，催生了轴承单元的产生，轴承单元已脱离了传统意义上的轴承，将轴承的功能和主机的部分功能紧密地结合在一起，这不但减少了主机零部件的数量，也提高了部件的安装效率。目前最成熟、应用最广泛的轴承单元就是汽车轮毂轴承单元，将凸缘、传感器、密封圈、计数装置等结合在一起，极大提高了轮毂轴承的安全性和使用性。

在国务院颁布的《工业转型升级(2012—2015)规划》中提出企业要由生产制造型向服务制造型转化，也就是说轴承产品发展方向应该由单纯的提供产品向提供全套的轴承应用解决方案方向发展，将提供产品和服务结合起来，与主机企业一起解决应用挑战。