軸承的摩擦特性是軸承應用中的一項重要性能指標。滾動軸承的發展和廣泛應用得益於其低摩擦的優點,但很多場合也是因不當的摩擦導致軸承失效。滾動軸承中存在非常複雜的摩擦現象,劇烈摩擦會損耗能量,產生大的磨損使軸承喪失精度,產生過高的溫升使工作表麵發生燒傷,或使潤滑劑失效。衡量摩擦力大小的物理量是摩擦力矩,用摩擦力矩以及軸承旋轉的速度可以計算軸承的功率損失。
滾動軸承的摩擦來自滾動體與滾道之間的滾動摩擦和滑動摩擦,滾動體、保持架、擋邊、密封件等滑動接觸部位的滑動摩擦,以及潤滑劑的黏性摩擦。它主要分為下列幾個方麵:
由於材料的彈性滯後性質,鋼球在滾道上滾動時接觸區前後兩部分壓力分布不對稱。前半部分接觸麵上壓力對鋼球滾動的阻力矩大於後半部分接觸麵上壓力對鋼球滾動的推動力矩,從而產生一個滾動摩擦力。圖6-1表示彈性滯後引起的壓力分布和一個假想的作用於球心的當量彈性滯後滾動阻力Fh。
圖6-1 彈性滯後產生的滾動摩擦
不考慮彈性滯後影響時,接觸麵上到X軸距離為y的窄帶dy上的壓力為
式中,p0為赫茲接觸麵壓力。
0≤y≤b半橢圓上的壓力對鋼球(X軸)的力矩為
半徑為R的鋼球滾過單位弧長時,Mx做的功為
由於彈性滯後導致前後兩半橢圓上壓力分布不對稱,所以滾過單位弧長時,-b≤y≤0半橢圓上的壓力對鋼球的力矩所做的功小於Wx,這個差值就是彈性滯後造成的能量損失。由於接觸橢圓上的實際壓力分布難以確定,故引入一個彈性滯後損失係數ah,把損失功表示為
引入一個假想的作用於球心的當量彈性滯後滾動阻力Fh和彈性滯後阻力係數fh,使
且滾過單位弧長時有
因此可以得到鋼球滾動過程的彈性滯後當量阻力和阻力係數分別為
類似地,可以得到滾子滾動過程的彈性滯後當量阻力和阻力係數分別為
損失係數ah與材料和轉速有關,由試驗確定,一般轉速高時ah比較大。另外,因式(6-6)中接觸半寬b是與Q1\/3成正比例的,所以對球軸承的阻力Fh與接觸力Q4\/3成正比例。同樣由式(6-8)可知,對滾子軸承的阻力Fh與接觸力Q3\/2也成正比例。與滾動軸承中的其他摩擦相比,彈性滯後引起的摩擦一般是比較小的,隻有在轉速較高、載荷較重條件下彈性滯後損失才比較大。
球軸承和球麵滾子軸承受載後滾動體和滾道的接觸變形表麵是一個曲麵,除了其相對轉軸與接觸曲麵相交的兩個點之外,其餘各點的線速度都不相同,由此而產生的微觀滑動稱為差動滑動。
圖6-2所示為深溝球軸承鋼球與內圈的差動滑動。內圈轉速為Ωi,鋼球自轉角速度為ωb,鋼球相對內圈的角速度為ωbi。由於內滾道表麵各點的線速度與到軸承軸線的距離成正比例,鋼球表麵各點的線速度與到球自轉軸線的距離成正比例,因此接觸麵上兩物體的線速度不同,存在差動滑動。隻有在鋼球相對內圈的角速度的瞬軸與接觸曲麵的交點C處兩物體無相對滑動,為純滾動點,接觸麵上其餘各點均有相對滑動。另外,純滾動點C把接觸區分為兩部分,在中間的部分和兩側的部分上相對滑動速度vbi方向相反,滑動摩擦力的方向也相反。
圖6-2 差動滑動
應當注意的是,差動滑動與軸承的密合度關係很大,密合度越大差動滑動越大。例如用於靈敏儀表的球軸承的溝曲率半徑係數較大,密合度比較小,差動滑動造成的摩擦也較小。
除設計合理的圓錐滾子軸承之外,在接觸角大於零的球軸承和滾子軸承中都存在滾動體相對滾道繞接觸麵法線的自旋滑動。
點接觸的接觸區壓力分布為
設接觸區各點的滑動摩擦係數為常量μ,則接觸橢圓上總的自旋滑動摩擦力矩為
式中,L(k)為第二類完全橢圓積分。
自旋滑動是高速角接觸球軸承中摩擦的重要因素之一,合理地減小旋滾比可以降低由自旋滑動帶來的摩擦。在中低速的推力圓柱滾子軸承中,因接觸角是90°,自旋滑動也很嚴重,所以常在每個兜孔中裝入幾個短滾子代替一個長滾子,以減小這種自旋滑動。
在高速輕載的軸承中,因離心力作用,滾動體壓向外滾道,使滾動體與內滾道的接觸力小於滾動體與外滾道的接觸力,造成內滾道對滾動體的摩擦拖動力不足,滾動體的實際公轉速度小於純滾動的理論值,發生內圈相對滾動體的打滑現象。打滑是嚴重的滑動摩擦,應從軸承結構設計和使用條件方麵采取措施予以防止。
高速輕載角接觸球軸承中鋼球的陀螺旋轉也是一種嚴重的滑動摩擦。本書在第5章已詳細分析了鋼球的陀螺旋轉,並給出了防止發生陀螺旋轉所需要的最小軸向載荷計算方法。
如圖6-3所示,滾子繞Z軸的轉動稱為滾子的歪斜。滾子發生歪斜後,滾子在滾道裏不能維持正常的滾動運動,將產生很大的滑動摩擦,加劇了滾子和保持架之間及滾子和引導擋邊之間的摩擦。其中,滾子兩端和外滾道之間的摩擦磨損最為嚴重。
受軸向載荷的圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承,以及運轉過程中內、外圈軸線有傾斜的滾子軸承,都存在因摩擦力沿滾子長度分布不均而產生的使滾子發生歪斜的力矩。圖6-4表示圓柱滾子軸承在徑向和軸向載荷作用下滾子的受力情況,由圖可知,因內、外圈擋邊法向力Qfi和Qfe的作用,內、外滾道的接觸力沿滾子長度分布不均,導致摩擦應力τ分布也不均,加上擋邊摩擦力Ffi和Ffe的共同作用,將產生一個使滾子發生歪斜的力矩。滾子發生歪斜之後,保持架對滾子的作用力將抵抗歪斜,同時,擋邊對滾子端麵作用力的位置將發生變化,也產生一個抵抗歪斜力矩,從而使滾子處於具有某一歪斜角度的穩定狀態。
減小歪斜的辦法是改善保持架和擋邊對滾子的引導,並正確地使用軸承。
圖6-3 滾子歪斜
圖6-4 圓柱滾子軸承的徑向力、軸向力和摩擦力
在圓錐滾子軸承和具有非對稱滾子的調心滾子軸承中,滾子受到一個分力的作用壓向套圈擋邊,進而滾子端麵與套圈擋邊之間發生應力集中。圓柱滾子軸承主要承受徑向載荷,依靠內外圈擋邊也能承受軸向載荷,但此時滾子與內外圈擋邊之間會產生滑動。推力調心滾子軸承的滾子端麵與套圈擋邊的接觸形式及壓力分布如圖6-5所示。
綜上所述,滾子端麵與套圈擋邊的幾何形狀對該滑動摩擦力的大小影響巨大,這也是不容忽視的摩擦源之一。高速情況下滾子和擋邊之間如果潤滑不良,會產生嚴重的摩擦磨損,甚至燒傷,導致軸承失效。改進滾子端麵和擋邊引導麵的設計,實現點接觸,使其易於形成潤滑油膜或是采用環下潤滑的方法都可以減小滾子與擋邊之間的滑動摩擦。
圖6-5 推力調心滾子軸承的滾子端麵與套圈擋邊的接觸形式及壓力分布
對圓錐滾子軸承,可用下式近似計算滾子端麵和擋邊之間的滑動摩擦所產生的軸承摩擦力矩
式中,μ為滾子端麵與擋邊間的滑動摩擦係數;ef為滾子與擋邊的接觸載荷作用點至擋邊底部的距離;φ為圓錐滾子的半錐角;Fa為軸承受的軸向載荷。
滾動體和保持架兜孔之間存在著滑動摩擦,摩擦力的大小取決於滾動體和兜孔之間法向力的大小、潤滑劑的性質、滾動體速度以及兜孔的幾何形狀,其中最後一個因素是最主要的。通常情況下,應用簡單的彈流動力潤滑理論即可對滑動摩擦力進行分析。
球和滾子軸承使用的保持架有三種基本引導方式:①滾動體引導;②內圈擋邊引導(內引導);③外圈擋邊引導(外引導)。保持架的結構型式如圖6-6。
保持架由內圈或外圈擋邊引導時,保持架和引導麵之間存在滑動摩擦。對於動平衡狀態良好的保持架,可用下式計算滑動摩擦力
式中,η0為常壓下潤滑劑動力黏度(Pa·s);WCR為保持架引導麵總寬度(mm);j為指內圈或外圈,ju003di、e;Cj為常數,Ciu003d-1,Ceu003d1;dCR為保持架引導麵直徑(mm);Ωm為保持架轉速(rad\/s);Ωn為套圈轉速(rad\/s);d1為保持架引導麵直徑(mm)和擋邊引導麵直徑(mm)中較小的一個;d2為保持架引導麵直徑(mm)和擋邊引導麵直徑(mm)中較大的一個。