縣鵬宇

(甘肅海林中科科技股份有限公司 技術(shù)中心，甘肅 天水 741018)

1 軸承的常規(guī)設(shè)計(jì)

常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)是基于安全概念的“合格設(shè)計(jì)”，各種幾何參數(shù)只要能夠保證零件安全就認(rèn)為合格，但這不一定是最優(yōu)。近十幾年來(lái)，由于各種優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂優(yōu)化設(shè)計(jì)就是根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，綜合考慮多方面的復(fù)雜因素，在滿足各種約束條件后，合理設(shè)計(jì)各種參數(shù)，尋求預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)化方案和最佳參數(shù)，在重量、成本、性能、可靠性、承載能力等設(shè)計(jì)指標(biāo)中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)，這樣在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，可有效確保所要求的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。軸承作為一種機(jī)械基礎(chǔ)件，通常承載能力和可靠性是衡量其性能的重要指標(biāo)，因此在軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將額定載荷最大確定為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

我國(guó)軸承行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在20世紀(jì)80年代以前多沿用和借鑒原蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要以蘇聯(lián)產(chǎn)品為藍(lán)本，普遍存在結(jié)構(gòu)笨重、承載能力低、形位公差偏大等情況，均為非加強(qiáng)型產(chǎn)品。隨著改革開放的深入，一些采用歐美國(guó)家先進(jìn)技術(shù)的軸承隨引進(jìn)主機(jī)開始進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)迫切需要結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越的加強(qiáng)型軸承來(lái)取代非加強(qiáng)型產(chǎn)品。因此以原機(jī)械工業(yè)部洛陽(yáng)軸承研究所為主體，聯(lián)合行業(yè)骨干企業(yè)開始了軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將額定動(dòng)載荷最大作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，先后對(duì)深溝球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、角接觸球軸承、滾針軸承、推力球軸承、外球面軸承等類型軸承的套圈、滾動(dòng)體、密封圈和保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，每一類型軸承都形成了一套完整的設(shè)計(jì)方法和統(tǒng)一圖冊(cè)。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)公制軸承基本上都已完全采用優(yōu)化后的統(tǒng)一圖冊(cè)，各個(gè)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)公制軸承結(jié)構(gòu)基本一致，由于標(biāo)準(zhǔn)公制軸承采用了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，這對(duì)于零部件的加工和采購(gòu)更為便利。

目前國(guó)內(nèi)軸承設(shè)計(jì)依然是以額定載荷最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，軸承額定動(dòng)載荷和軸承壽命是利用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281—2007(GB/T 6391—2010)提供的公式進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算的先決條件是排除磨損、腐蝕和電蝕對(duì)軸承壽命的影響，而且軸承是在常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下安裝正確，無(wú)外來(lái)物侵入，潤(rùn)滑充分，工作溫度不苛刻，運(yùn)轉(zhuǎn)速度不是特別高或者特別低，是在理想條件下對(duì)軸承進(jìn)行的理論壽命計(jì)算。而且按照GB/T 2467—2009《滾動(dòng)軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》規(guī)定，在常規(guī)的軸承壽命與可靠性試驗(yàn)中，軸承在試驗(yàn)機(jī)上所加載荷恒定(當(dāng)量載荷為計(jì)算額定動(dòng)載荷的20%～30%)，轉(zhuǎn)速恒定(一般為極限轉(zhuǎn)速的20%～60%)，潤(rùn)滑是采用循環(huán)油潤(rùn)滑，壽命試驗(yàn)中的考核條件也是按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這種試驗(yàn)只是軸承通用性的考核試驗(yàn)。

2 軸承的應(yīng)用型設(shè)計(jì)

在常規(guī)軸承設(shè)計(jì)中對(duì)軸承的剛度、預(yù)載荷、防塵、潤(rùn)滑、極限轉(zhuǎn)速等考慮很少，一些軸承設(shè)計(jì)上的結(jié)構(gòu)參數(shù)和精度要求缺乏理論依據(jù)，只能夠憑經(jīng)驗(yàn)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)被越來(lái)越多地引入到機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，軸承作為一種廣泛使用的通用機(jī)械基礎(chǔ)件也不例外，按照常規(guī)設(shè)計(jì)的普通軸承已無(wú)法滿足主機(jī)在特定工況、環(huán)境下的性能要求，同一型號(hào)的軸承雖然外形尺寸相同，但應(yīng)用在不同主機(jī)上的工作狀態(tài)千差萬(wàn)別，這就要求在保持外形尺寸不變的情況下，軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須根據(jù)主機(jī)的性能要求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，否則就無(wú)法滿足主機(jī)的運(yùn)行要求，影響主機(jī)的性能。

軸承在主機(jī)上的運(yùn)行環(huán)境主要包括其安裝部位、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑狀況、主機(jī)系統(tǒng)的功率或傳動(dòng)部件的受力情況等等。軸承運(yùn)行環(huán)境的分析過(guò)程實(shí)際上就是依據(jù)主機(jī)的載荷譜，將主機(jī)系統(tǒng)所承受的載荷具體分解到單套軸承上，然后對(duì)軸承進(jìn)行詳細(xì)的受力分析計(jì)算，據(jù)此估算出軸承在應(yīng)用狀態(tài)下的理論壽命，這對(duì)軸承的實(shí)際應(yīng)用才具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

因此，軸承的應(yīng)用型設(shè)計(jì)是指軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)主機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，依據(jù)軸承的受力、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)速等情況對(duì)軸承的壽命可靠性進(jìn)行理論分析計(jì)算，最后從理論上得出軸承是否能夠滿足主機(jī)的理論壽命要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，滿足主機(jī)的性能要求。

3 國(guó)內(nèi)外軸承應(yīng)用設(shè)計(jì)發(fā)展情況

國(guó)外一些著名軸承企業(yè)在軸承應(yīng)用設(shè)計(jì)方面開展的非常好，如SKF，NSK，SCHAEFFLER，NTN，TIMKEN等都有其相應(yīng)的軸承應(yīng)用分析軟件，這些軟件與CAD，CAE等分析軟件相結(jié)合就形成了集軸承設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用為一體的軸承綜合分析系統(tǒng)，這類系統(tǒng)對(duì)軸承的設(shè)計(jì)，尤其是應(yīng)用服務(wù)提供了強(qiáng)有力的支持，目前國(guó)外一些先進(jìn)軸承企業(yè)的應(yīng)用分析軟件已由傳統(tǒng)靜力學(xué)分析轉(zhuǎn)向了動(dòng)力學(xué)分析，可對(duì)滾動(dòng)體和保持架等在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)性能及應(yīng)力做出分析判斷。

國(guó)外一些軟件公司開發(fā)了專門針對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的分析軟件，如英國(guó)ROMAX公司根據(jù)自身在傳動(dòng)領(lǐng)域多年積累的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了一款Romax Designer軟件，主要應(yīng)用于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)和分析。該軟件可以建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，其包括部件的強(qiáng)度和可靠性分析及傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲分析，同時(shí)可考慮更多實(shí)際工況，如裝配誤差、軸承間隙、預(yù)載荷等，極大地加快了傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)流程。Romax Designer應(yīng)用很廣，其中包括汽車、船舶、工程機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)、軸承以及航空航天等領(lǐng)域齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

國(guó)外許多大型整機(jī)和部件制造企業(yè)常常對(duì)一些關(guān)鍵部位的軸承(特別是傳動(dòng)部位，如變速箱、齒輪箱、車橋等)提出一些專門的要求，基本上是以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)，例如美國(guó)CAT公司，其對(duì)于一些關(guān)鍵傳動(dòng)部位的軸承提出了詳細(xì)的要求，包括軸承零件所使用的材料、材料中主要元素的含量、軸承尺寸公差、軸承零件熱處理后的理化組織和硬度要求等。再如美國(guó)某車軸制造公司，對(duì)于車橋主減速器部位軸承提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)中提供了車軸的載重量、主減速器的輸入和輸出扭矩、傳動(dòng)齒輪的載荷譜、齒輪的一些設(shè)計(jì)用參數(shù)、軸承的安裝部位以及軸承與其他關(guān)聯(lián)件之間幾何尺寸等，另外還對(duì)軸承零件的材料、軸承的潤(rùn)滑劑、軸承外形尺寸公差、軸承的試驗(yàn)(模擬臺(tái)架試驗(yàn))等提出了具體要求，并要求按照所提供的工況條件對(duì)軸承的理論壽命進(jìn)行分析計(jì)算，提供相關(guān)的理論分析報(bào)告。

對(duì)軸承的個(gè)性化需求更加強(qiáng)烈，例如所需要的軸承仍為常規(guī)軸承，但對(duì)軸承的精度要求已不是常規(guī)意義上的P0，P6，P5等精度等級(jí)，而是所謂的“混合精度”，如軸承的外形尺寸公差仍是普通精度等級(jí)，但是表面粗糙度、圓度等一些形位公差卻為P5，甚至更高，這主要與軸承的使用場(chǎng)合有關(guān)。

由此可以看出，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的主機(jī)企業(yè)對(duì)軸承的應(yīng)用分析相當(dāng)重視，因?yàn)檩S承性能直接影響著主機(jī)的性能和壽命，軸承制造企業(yè)只有按照所配套主機(jī)的性能要求進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)，才能提高軸承的技術(shù)水平。

目前國(guó)內(nèi)主機(jī)企業(yè)對(duì)軸承的應(yīng)用要求較少，軸承的選用基本上還是從機(jī)械手冊(cè)中選取，對(duì)于一些引進(jìn)的主機(jī)依然處于仿制階段，關(guān)鍵核心技術(shù)并未吸收和掌握，產(chǎn)品雖然能夠制造出來(lái)，但是性能卻與國(guó)外同類產(chǎn)品相差較多，這就造成了我國(guó)主機(jī)制造企業(yè)與國(guó)外的巨大差距。

在軸承設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)對(duì)軸承應(yīng)用環(huán)境考慮不全面，往往采用的都是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，沒(méi)有對(duì)軸承的使用工況和使用要求進(jìn)行深入細(xì)致的調(diào)查研究，大部分設(shè)計(jì)都是常規(guī)通用設(shè)計(jì)，沒(méi)有進(jìn)行針對(duì)性的專門設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致軸承在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)各種問(wèn)題，不能夠滿足主機(jī)的功能性需求，導(dǎo)致軸承產(chǎn)品壽命與可靠性的降低。

隨著國(guó)內(nèi)外主機(jī)企業(yè)對(duì)軸承應(yīng)用要求的提高，迫切需要軸承的設(shè)計(jì)由常規(guī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入到應(yīng)用型設(shè)計(jì)中，軸承的設(shè)計(jì)理念需突破常規(guī)。

4 軸承應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

在軸承的應(yīng)用型設(shè)計(jì)中，軸承的額定載荷不再是軸承設(shè)計(jì)唯一追求的目標(biāo)，軸承的適用性才是設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須根據(jù)主機(jī)的具體性能要求來(lái)確定，才能夠適應(yīng)主機(jī)的發(fā)展。

例如有的主機(jī)需要軸承具有低摩擦力矩，在設(shè)計(jì)中首要考慮的是軸承的低摩擦性，其次才是保證軸承的額定載荷。在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮如何減小軸承的摩擦，即需要降低滾動(dòng)接觸面積，在滾子軸承的設(shè)計(jì)中可通過(guò)縮短滾子長(zhǎng)度、減少滾子數(shù)量、降低滾子與套圈接觸面的表面粗糙度值；而在球軸承的設(shè)計(jì)中可通過(guò)減少鋼球數(shù)量、降低鋼球與套圈滾動(dòng)接觸面的表面粗糙度值。采取這樣的設(shè)計(jì)，雖然額定載荷比常規(guī)軸承有一定的降低，但是滾動(dòng)接觸面積減少了，使得摩擦阻力降低，這種差異化設(shè)計(jì)的軸承，雖然外形尺寸和精度與普通軸承一樣，但是軸承使用性能卻有了大幅提高。

再例如汽車車橋主減速器中的主動(dòng)錐齒輪支承用圓錐滾子軸承，為了安裝調(diào)整的需要，對(duì)軸承的裝配寬度進(jìn)行適當(dāng)壓縮，壓縮到正常裝配高寬度的一半，甚至更窄，這樣軸承在安裝時(shí)就免去了繁瑣的調(diào)整，大大提高了安裝效率。如某型號(hào)汽車車橋輪轂軸承為標(biāo)準(zhǔn)圓錐滾子軸承，軸承采用統(tǒng)一圖冊(cè)提供的結(jié)構(gòu)，但用戶在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)軸承內(nèi)圈擋邊掉塊情況，故障率較高。通過(guò)對(duì)輪轂軸承運(yùn)用環(huán)境分析，該種車橋輪端承受的沖擊載荷較大，在保證軸承基本載荷能力的情況下，對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，增大了內(nèi)圈大擋邊厚度，縮小了滾子長(zhǎng)度，同時(shí)在熱處理時(shí)適當(dāng)降低軸承套圈的硬度，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)用戶使用，再?zèng)]有出現(xiàn)擋邊掉塊的問(wèn)題。這說(shuō)明同一型號(hào)的軸承，在不同的使用工況下，對(duì)軸承經(jīng)過(guò)差異化設(shè)計(jì)后會(huì)達(dá)到不一樣的效果。

在軸承的應(yīng)用型設(shè)計(jì)中要充分利用ISO/TS 16949質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)體系中的設(shè)計(jì)FMEA(潛在失效模式分析)和過(guò)程FMEA分析系統(tǒng)，分析軸承產(chǎn)品以及與之相關(guān)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件之間的關(guān)系，盡可能多地將軸承在應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種失效模式羅列出來(lái)，以便在軸承的設(shè)計(jì)中予以考慮，提高軸承的使用性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)已經(jīng)開始意識(shí)到軸承應(yīng)用型設(shè)計(jì)方面的差距，在軸承行業(yè)“十二五”規(guī)劃中已提出要在產(chǎn)品開發(fā)前期，在新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、工程開發(fā)研究、信息化方面取得重大突破，這將有利于軸承應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，縮短我國(guó)軸承行業(yè)與國(guó)外先進(jìn)軸承企業(yè)技術(shù)方面的差距。

正是由于軸承應(yīng)用型設(shè)計(jì)的使用，催生了軸承單元的產(chǎn)生，軸承單元已脫離了傳統(tǒng)意義上的軸承，將軸承的功能和主機(jī)的部分功能緊密地結(jié)合在一起，這不但減少了主機(jī)零部件的數(shù)量，也提高了部件的安裝效率。目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的軸承單元就是汽車輪轂軸承單元，將凸緣、傳感器、密封圈、計(jì)數(shù)裝置等結(jié)合在一起，極大提高了輪轂軸承的安全性和使用性。

在國(guó)務(wù)院頒布的《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)(2012—2015)規(guī)劃》中提出企業(yè)要由生產(chǎn)制造型向服務(wù)制造型轉(zhuǎn)化，也就是說(shuō)軸承產(chǎn)品發(fā)展方向應(yīng)該由單純的提供產(chǎn)品向提供全套的軸承應(yīng)用解決方案方向發(fā)展，將提供產(chǎn)品和服務(wù)結(jié)合起來(lái)，與主機(jī)企業(yè)一起解決應(yīng)用挑戰(zhàn)。