陶瓷轴承：降低滚动扭矩的解决方案
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在选择机器或设备内使用的轴承时，通常没有考虑的一个方面是滚动扭矩，即保持一个轴承套圈相对于另一个轴承套圈以恒定速度旋转所需的扭矩。产生滚动扭矩的是轴承的内部摩擦。摩擦越大，滚动扭矩越大。 作为轴承内部摩擦的量度，滚动扭矩可能很重要，因为它会导致功率耗散，一方面会降低机械传动的效率，另一方面会产生热量和轴承本身和接触的机械部件的潜在温度升高。
一、让我们看一下轴承中的摩擦源：1、滚动体相对于轴承套圈的运动（旋转/滑动） 在轴承内部，滚动元件和轨道之间的接触通常在滚动元件为球体的情况下示意为点，在滚动元件为圆柱体的情况下示意为线。 实际上，接触不是通过点或线发生的，而是通过通常呈椭圆形的表面发生的。在这个接触面中，只有一小部分以带有滚动摩擦的纯旋转运动为特征。在其余部分，滚动体的运动是相对于轨道的滑动类型，因此具有滑动摩擦的特征。因此，很明显，接触面越大，滚动体与轨道之间的摩擦力就越大。 2、滚动体与保持架的相互作用 除特殊情况外，轴承的滚动体通过使用可根据应用有不同材料制成的保持架来引导其运动。保持架本身没有运动，而是由滚动元件带动运动。这意味着滑动将主要发生在滚动体和保持架之间。这些滑动越大或滚动体与保持架之间的摩擦力越大，滚动扭矩就越大。正确选择保持架材料和形状可以降低滚动扭矩。 3、保持架与轴承套圈的相互作用 在轴承的旋转运动过程中，保持架可能会在轴承套圈上爬行。这导致滚动扭矩增加。 4、滚动体、保持架、环和任何密封件与润滑剂的相互作用 通常在轴承内部加入润滑剂，其目的不仅是尽量减少滚动元件和滚道之间直接接触的可能性，而且还可以改善散热。此外，在轴承内部分布的润滑剂会与保持架、环和任何密封件接触。如果润滑剂和轴承元件之间存在相对运动，则会产生摩擦，从而增加滚动扭矩。类似地，随着摩擦的产生和滚动扭矩的增加，可以在不同的润滑剂层之间产生相对运动。因此，必须仔细确定润滑剂的用量，因为如果用量过高，会导致滚动扭矩增加，从而导致内摩擦显着增加。 5、密封件与轴承套圈的相互作用 在某些应用中，需要使用密封轴承（所谓的 RS 版本）。防水轴承的密封件由橡胶材料制成，为了发挥其作用，它们可以在两个环之一上滑动。当然，这会导致滚动扭矩增加的摩擦。 6、轴承游隙或预紧力 滚动体和滚道之间的接触面对于滚动扭矩很重要，无论是在延伸（表面越大，摩擦力越大）和接触面的数量方面。在带游隙的轴承中，游隙值越大，实际与滚道接触的滚动体数量就越少。在零游隙轴承中，所有滚动体都与滚道接触。在带预载的轴承中，所有滚动元件不仅与滚道接触，而且还被“挤压”在滚道上，从而导致接触面高于零游隙轴承和正游隙轴承。这意味着当从间隙变为预载时，滚动扭矩会增加。为了减小扭矩，最好选择游隙尽可能大的轴承， 7、承载载荷的滚动体数量，以及载荷类型 由于滚动扭矩取决于滚动体和滚道之间的接触面的宽度以及实际与滚道接触的滚动体的数量，因此轴承承受的载荷的类型和值会显着影响力矩值。滚动。通常，负载的增加涉及滚动扭矩的增加。正是由于这个原因，轴承的滚动扭矩没有绝对值，但必须始终与明确定义的负载条件相关联（通常，滚动扭矩的值是在轴承空载时评估的）。 8、制造套圈和滚动体的材料 制造套圈和滚动体的材料直接影响接触面的尺寸。更具弹性的材料将具有更宽的表面，因此，在其他条件相同的情况下，滚动扭矩会增加。 9、制造套圈和滚动体的材料的硬度 材料的硬度也会影响滚动扭矩，因为硬度越高，滚动体与滚道之间的接触面越小，滚动扭矩越低。 10、套圈和滚动体的粗糙度 接触面的粗糙度直接影响摩擦系数，从而影响滚动扭矩。粗糙度越大，滚动扭矩越大。 11、轴承精度 轴承的精度会影响滚动扭矩，因为它涉及到滚道的椭圆化。理论上，轴承的滚道应该是完美的圆形。实际上，由于加工公差，一定的椭圆度总是存在的。椭圆化意味着轨道和滚动元件之间的接触表面不是恒定的，而是可能随着环的旋转而变化。这可能导致增加的滚动扭矩。对于具有低游隙或预载的轴承，精度对于滚动扭矩可能变得很重要。 12、轴承温度 轴承温度可能会影响滚动扭矩，因为它会对某些摩擦原因产生积极和消极的影响。例如，温度升高会降低润滑剂的粘度，从而对滚动扭矩产生有益影响。但与此同时，温度升高可能会导致轴承套圈之间出现不同值的热膨胀，从而影响滚动体和滚道之间的接触面；随着表面积的增加，滚动扭矩可能会增加，从而抵消了降低润滑剂粘度的有益效果。 从以上可以推断，要求提供滚动扭矩不超过规定值的轴承，必须伴随必须验证扭矩的条件：负载条件（值和类型负载）、转速、轴承位置（水平、垂直或预定角度的旋转轴）、温度。还应指定润滑条件，即润滑剂的数量和类型，但必须考虑到，轴承中润滑剂的用量公差可能很宽，从而导致滚动扭矩值发生同样大的变化。为此，最好在没有润滑剂的情况下定义滚动扭矩。 但是，在这一点上，如果需要低滚动扭矩的轴承怎么办？让我们看看可以采用哪些解决方案。 二、对于普通钢轴承，与使用条件或成本限制兼容的可能解决方案如下：1、最大化轴承游隙 2、减少滚动体的数量 3、使用少量润滑剂 4、使用低粘度或低摩擦润滑剂（例如食用油代替油脂） 5、使用滚道超精加工的轴承以降低粗糙度 6、使用高精度轴承 7、如果是密封轴承，请使用低摩擦密封件；这可以通过使用合适的材料或通过研磨垫圈的滑动座的特殊版本的轴承来实现。也可以使用虽然“防水”但实际上并不与轴承环接触而是插入迷宫式密封件的密封件 8、保持架使用低摩擦材料（例如 PA6 或 PTFE，而不是钢制保持架） 另一种不同的解决方案是全陶瓷轴承，它可以将滚动扭矩值降至最低，是钢轴承的替代品。在这些轴承中，套圈和滚动体由陶瓷材料制成，而保持架和任何密封件均由塑料制成。 三、让我们看看陶瓷轴承与上述 12 种摩擦源相关的特性：在尺寸和载荷条件相同的情况下，陶瓷轴承中滚动体和滚道之间的接触面小于相应的钢轴承。这意味着滑动面积较小，因此产生的摩擦力也较小。除此之外，陶瓷/陶瓷对的滑动和滚动摩擦系数低于钢/钢对的摩擦系数。所有这些都会导致滚动扭矩的降低。 2、滚动体与保持架的相互作用 在全陶瓷轴承中，保持架由塑料材料（通常为 PEEK 或 PTFE）制成。陶瓷材料制成的滚动体与保持架之间的摩擦系数低于钢轴承中的摩擦系数。因此，全陶瓷轴承中滚动体和保持架之间的摩擦对滚动扭矩的贡献低于钢轴承。 3、保持架与轴承套圈的相互作用 同样在这种情况下，保持架和套圈之间的摩擦系数低于钢轴承中的摩擦系数，因此对滚动扭矩的贡献较小。 4、滚动元件、保持架、环和任何密封件与润滑剂的相互作用 全陶瓷轴承的一个独特特征是需要比钢轴承少得多的润滑，甚至在某些情况下甚至可以完全消除它。这意味着滚动扭矩的这个分量可以大大降低。 5、密封件与轴承套圈的相互作用 正是因为全陶瓷轴承的特点是滚动扭矩非常低，所以任何密封件都是非滑动式的，从而省去了这个部件。 6、轴承游隙或预载 即使在全陶瓷轴承的情况下，游隙的增加也会导致滚动扭矩的降低。因此，确定正确的间隙/预紧力会对滚动扭矩的最终值产生重大影响。 7、承载载荷的滚动体数量以及载荷类型 对于这一点，与上述相同的考虑适用于钢轴承。 8、制造套圈和滚动体的材料 生产全陶瓷轴承的套圈和滚动体的材料弹性低于钢，因此在所有其他条件相同的情况下，接触面较小，对价值产生有利影响的滚动扭矩。 9、制造套圈和滚动体的材料的硬度 制造全陶瓷轴承的陶瓷材料具有非常高的硬度，高于淬硬轴承钢的硬度。这也意味着接触面积随着滚动扭矩的降低而减小。 10、套圈和滚动体的粗糙度 由于陶瓷材料的特性，轴承的粗糙度低于钢轴承，进一步降低了摩擦系数，从而降低了滚动扭矩。 11、轴承精度等级 适用于钢轴承的相同考虑因素。随着轴承精度的提高，在所有其他条件相同的情况下，滚动扭矩会降低。 12、轴承温度 即使对于全陶瓷轴承，轴承温度也会对滚动扭矩值产生影响。但由于陶瓷材料的热膨胀系数低于钢材，热膨胀对轧制力矩的影响较小。 综上所述，在需要尽可能降低轴承滚动扭矩的情况下，选择全陶瓷轴承可能会更胜一筹。在任何情况下，用全陶瓷轴承代替钢轴承都会降低滚动扭矩，同时提高机械传动效率并降低耗散功率。 |
