薄壁深沟球轴承保持架设计及摩擦力矩试验分析

张延彬，刘良勇，魏秀军，时连卫

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 417039)

轴承是机械装备的关键部件,被誉为“工业的关节”,广泛应用于航空航天、雷达及微波设备、精密机器人关节、太阳能电池阵驱动系统、制导系统、玻璃生产设备和旋转工作台、精密医疗器械、光学扫描仪器设备、半导体加工制造设备等领域[1]，随该类高端装备向轻量化，高精密，高稳定性，低噪声，长寿命等高性能和高可靠性方向发展，其对轴承的轻量化、精度、摩擦力矩要求越来越高[2]。目前，为了最大限度的减轻主机质量，比18，19系列更薄的“等截面”系列薄壁轴承被大量应用于各类卫星通信、飞行器光学系统中。由于薄壁轴承工作环境的特殊性，摩擦力矩是其除了精度以外最为关注的性能指标，为保证装备的定位和跟踪精度， 对轴承的摩擦力矩及波动性提出了严苛的要求[3]。

国内外对薄壁轴承的研究大多集中在加工[4-5]及接触特性方面[6-7]，关于薄壁深沟球轴承摩擦力矩的研究较少，文献[8]开展了薄壁球轴承启动摩擦力矩的研究，得到了启动摩擦力矩与轴向载荷的关系。

影响球轴承摩擦力矩的因素较多，具有随机性和复杂性，由于安装和加工误差的影响，轴承摩擦力矩并不是定值，存在一定的波动。球轴承摩擦力矩一般包括以下5个方面：1)材料弹性滞后使钢球在沟道上滚动时产生的摩擦力矩；2)球与沟道接触椭圆面上各点线速度不同产生微观滑动引起的摩擦力矩；3)高速球轴承球与沟道接触处自旋滑动引起的摩擦力矩；4)钢球运动时克服润滑油膜黏性张力而产生的摩擦力矩；5)钢球与保持架相对运动产生的摩擦力矩[9]。

对于光学系统所用的薄壁轴承，特别是大尺寸薄壁轴承，其转速和工作载荷相对较低，且多采用边界润滑或固体润滑[4]，由速度和载荷引起的前3种摩擦力矩影响较小；该类轴承尺寸大、截面系数小，套圈和保持架刚度差，球数多，保持架与套圈、钢球的碰撞频次较大，且转速低导致保持架无法稳定运转，保持架结构是影响轴承摩擦力矩及其波动性的主要原因。本文设计了2种不同结构形式的保持架，通过试验分析保持架结构对轴承摩擦力矩的影响。

1 薄壁深沟球轴承保持架设计

以66/220非标薄壁深沟球轴承(内径为220 mm，外径为240 mm，宽度为8 mm)为例，轴承径向截面(8 mm×10 mm)既薄又窄，与相同内径61844薄壁深沟球轴承(内径为220 mm，外径为270 mm，宽度为24 mm)的外径系数(反映轴承轴向方向的壁厚程度)和宽度系数(反映轴承径向方向的壁厚程度)对比见表1。66/220轴承在径向上比标准薄壁系列轴承薄了50%以上，保持架较薄，主要采用常规实体冠形和分段的隔离管2种结构形式，如图1所示。

表1 不同轴承的外径系数和宽度系数

(a)实体冠形结构

实体冠形保持架结构设计参照常规方法。隔离管关键尺寸是内径dc、外径Dc、长度Lc以及圆周间隙S，如图2所示，内、外径分别为

图2 隔离管与钢球位置示意图

dc=yDw，

(1)

Dc=xDw，

(2)

式中：x，y为经验系数；Dw为钢球直径。

隔离管长度Lc和圆周间隙S由下式确定

(3)

式中：Dpw为球组节圆直径。

最终确定2种保持架部分结构参数见表2和表3。钢球直径为4.762 mm，钢球数量为65，球组节圆直径为230 mm。

表2 实体冠形保持架部分结构参数

表3 隔离管保持架部分结构参数

2 轴承摩擦力矩性能试验

薄壁轴承摩擦力矩(包括启动摩擦力矩和运转摩擦力矩)是其应用中最关键的性能指标，启动摩擦力矩一般大于运转摩擦力矩，直接关系到主机轴系驱动系统功率设计，运转摩擦力矩波动过大则会导致轴系运转不稳定，最终导致主机定位精度、跟踪精度下降。

以66/220轴承为例，分析2种保持架结构轴承的启动和运转摩擦力矩。实体冠形和隔离管结构保持架均选用具有良好自润滑性能的聚酰亚胺复合高分子材料，且加工精度相同。

2.1 启动摩擦力矩

采用传统启动摩擦力矩仪测试轴承启动摩擦力矩，轴向载荷为200 N，滴润滑油5滴，采用同一精度的工装附件，分别取10套轴承进行试验，2种保持架轴承启动摩擦力矩如图3所示，启动摩擦力矩平均值和波动值如图4所示。由图3和图4可知：实体冠形保持架轴承启动摩擦力矩平均值为54.20 mN·m，波动值为±9.92 mN·m；隔离管保持架轴承启动摩擦力矩平均值为58.01 mN·m，波动值为±8.41 mN·m。

图3 66/220轴承启动摩擦力矩实测值

图4 66/220轴承启动摩擦力矩平均值和波动值对比

2.2 运转摩擦力矩

搭建试验台对2种保持架66/220轴承的运转摩擦力矩进行试验，如图5所示，该试验机由电动机、万向节弹性联轴器、力矩传感器、试验轴系、安装座等组成。试验机工作原理是电动机通过万向节联轴器、力矩传感器带动试验轴系外圈旋转，试验轴系由2套预紧后的66/220轴承组成，预紧力为200 N，轴承采用多孔材料的保持架含油润滑，利用负载块径向加载50 N，通过丝杠轴向加载200 N，转速为30 r/min，通过力矩传感器采集轴承的运转摩擦力矩。

图5 66/220轴承运转摩擦力矩试验机

分别对2种保持架结构的轴承进行1 h的试验，每秒采集一次数据，结果如图6所示：实体冠形保持架轴承运转摩擦力矩平均值为91.54 mN·m，波动值为±8.97 mN·m；隔离管保持架轴承运转摩擦力矩平均值为101.80 mN·m，波动值为±4.68 mN·m。

(a)实体冠形结构

2.3 结果分析

实体冠形保持架轴承的启动摩擦力矩和运转摩擦力矩平均值略小于隔离管保持架轴承，波动值分别为后者的1.26倍和2倍以上。这是由于隔离管与钢球、内外圈的接触点多，运转时难以保持在同一个轴承截面上，而且其质量轻，运动状态易改变导致其波动值较小，实体冠形保持架尺寸大，壁薄，刚性差，易变形，运转过程中变形较大， 增加了其与轴承内、外圈挡边的接触频率和接触面积，导致其波动值较大。

上述结论均为基于稀油润滑的测试结果，对于脂润滑状态的薄壁轴承，摩擦力矩平均值会成倍增加，受润滑脂被扫过的体积影响，实体冠形保持架轴承摩擦力矩将明显大于隔离管保持架轴承，受润滑脂对保持架运转自由度的影响，其波动值差距将降低。

3 结束语

以66/220非标薄壁深沟球轴承为研究对象，分析了2种薄壁轴承保持架的设计方法，开展了薄壁轴承启动摩擦力矩和运转摩擦力矩的测试分析。在稀油润滑条件下，实体冠形保持架轴承的启动摩擦力矩和运转摩擦力矩平均值略小于隔离管保持架轴承，波动值略大于后者。薄壁轴承保持架的选择还需要具体问题具体分析，同时要根据主机对轴承摩擦力矩的要求选择。轴承应用均希望摩擦力矩越小越好，但不同的应用还有不同要求：例如连续运转工况一般要求轴承运转摩擦力矩平均值和波动值较小，可采用隔离管保持架；频繁启动或反向旋转的轴承要求启动摩擦力矩较小，可采用实体冠形保持架。