胡静
黑龙江省哈尔滨轴承集团公司 黑龙江省哈尔滨市 150030
摘要：轴承摩擦力矩是轴承动态性能指标，主要影响电主轴的传动效率。基于此，本文对角接触球轴承摩擦力矩特性进行了详细的论述。
关键词：角接触球轴承；摩擦力矩；特性
一、角接触球轴承摩擦力矩来源
1、弹性滞后引起的摩擦阻力。滚动体在滚道上滚动时因材料的弹性滞后，接触区前后两部分压力分布具有不对称特点。前半部接触面上压力对滚动体滚动的阻力矩要大于后半部的推动力矩，从而产生一个滚动摩擦力。
2、差动滑动引起的摩擦阻力。球轴承和球面滚子轴承，受到载荷后滚珠和内滚道的接触会变形，接触面是一个曲面，除两物体的相对转轴与接触曲面相交的两个点外，接触面上各点两物体的线速度都不同，因此而产生的微观滑动称为差动滑动。两物体在接触面上的线速度不可能处处相等，肯定有滑动存在。只有接触曲面的交点与滚动体相对内圈的角速度瞬轴两物体无相对滑动，是纯滚动点，其余各点在接触面上均有相对滑动。并且在纯滚动点处把接触区分为两部分，在两侧的部分与中间的部分上相对滑动速度方向相反，差动滑动摩擦力的方向也相反。根据滚动体受的摩擦力与力矩平衡，用数值方法可计算纯滚动点的位置和差动滑动引起的摩擦力矩。由于滚道的密合度与差动滑动与滚动体关系很大，当密合度越大差动滑动越大。所以，球轴承的沟曲率半径系数要取的稍大，密合度较小，所以差动滑动摩擦阻力小。
3、自旋滑动引起的摩擦阻力。在角接触球轴承中，因接触角的存在，定然存在着滚动体相对滚道绕接触面法线的自旋滑动。因在高速角接触球轴承中自旋滑动是摩擦的重要因素，应合理减小旋滚比。
4、滚动体打滑引起的摩擦阻力。在高速轻载的角接触球轴承应用中，因离心力作用，会使内滚道对滚动体的摩擦拖动力不足，滚动体的纯滚动理论值大于实际公转速度，发生滚动体相对内圈打滑的现象，打滑是一种严重的滑动摩擦，应从轴承使用条件方面与结构设计采取措施予以防止。
5、滚动体陀螺旋转引起的摩擦阻力。在高速轻载角接触球轴承中，当滚动体在旋转时，一定会受到陀螺力矩作用，滚动体的陀螺旋转也是一种严重的滑动摩擦。滚动体在陀螺力矩的作用下，会有陀螺旋转或自转。滚动体相对于滑道的滑动运动是陀螺自转，会加剧摩擦发热，在轴承正常工作下这种情况不允许发生。减小陀螺力矩可通过优化结构设计，或通过轴向预负荷加大接触负荷，或通过增大接触区的摩擦系数等方法。
二、角接触球轴承摩擦力矩特性
1、轴承工况对轴承摩擦力矩的影响。轴承工况为内圈静止，外圈旋转。
1)轴承转速对轴承摩擦力矩的影响。角接触球轴承低速旋转时，轴承摩擦力矩随着轴承的转速增大而增大，这是因此时钢球与滚道间弹流润滑膜还未建立，轴承基本处于干涸润滑状态；当轴承转速达到一定值时，即钢球与滚道间润滑已形成，轴承摩擦力矩随着轴承转速的增大而减小，当轴承转速继续增大，轴承润滑油膜厚度逐渐增大，油膜引起的摩擦力矩也随之增大，从而造成轴承摩擦力矩随着轴承的转速继续增大而增大。
2)轴承载荷对轴承摩擦力矩的影响。角接触球轴承轴向载荷对轴承摩擦力矩影响，轴承摩擦力矩随着轴向力的增加而增大。
3)轴承工作温度对摩擦力矩的影响。
刚开始运转时，随着轴承工作温度的升高，润滑油粘度下降，从而造成轴承摩擦力矩逐渐减小：当轴承工作温度升高到一定值后，轴承摩擦力矩随着工作温度的升高而迅速增大。
2、轴承结构参数对摩擦力矩的影响
1)内沟曲率半径系数对轴承摩擦力矩的影响。当轴承外圈的转速较低时，即轴承润滑处于干涸状态时，轴承摩擦力矩随着内沟曲率半径系数的增大而减小，当轴承转速增大到一定程度时，即轴承润滑已进入流体润滑状态时，这时小的内沟曲率半径系数反而有利于钢球与滚道间的油膜厚度增大，从而使轴承摩擦力矩降低。这表明含油保持架角接触球轴承在低速工作时，应选用较大的内沟曲率半径系数，高速工作时，应适当选用较小的内沟曲率半径系数。
2)外沟曲率半径系数对轴承摩擦力矩的影响。当轴承转速较低时，即轴承润滑处于干涸状态时，轴承摩擦力矩随着外沟曲率半径系数的增大而减小，并随着轴承外圈转速的提高而增大；当轴承转速增大到一定程度时，即轴承润滑已进入流体润滑状态时，较小的外沟曲率半径系数反而有利于钢球与滚道间的油膜形成，从而使轴承摩擦力矩降低；随着轴承外圈速度进一步的升高，又出现轴承摩擦力矩随着外沟曲率半径系数增大而减小的趋势。因此轴承外沟曲率半径系数应根据具体的工况来选取。
3)保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩的影响。轴承摩擦力矩随着保持架兜孔间隙的增大而减小，这主要是由保持架兜孔间隙的增大将降低钢球与保持架兜孔间的摩擦所致，因此对含油保持架角接触球轴承，保持架兜孔间隙应在考虑保持架运动平稳性前提下适当取大些。
4)保持架引导间隙对轴承摩擦力矩的影响。轴承摩擦力矩随着保持架引导间隙的增大而减小，当保持架引导间隙增大到一定值后，轴承摩擦力矩随着保持架引导间隙的增大而增大。保持架引导间隙在0.25mm左右时角接触球轴承摩擦力矩最小，这说明对角接触球轴承来说，存在一个合理的保持架引导间隙，使轴承摩擦力矩最小。
5)保持架兜孔形状对轴承摩擦力矩的影响。在轴承低速情况下，钢球与保持架间很难形成弹流润滑，基本处于干涸摩擦状态，因此，方柱型直兜孔保持架的角接触球轴承摩擦力矩要比圆柱型直兜孔保持架的轴承摩擦力矩小，但在轴承高速旋转情况下，圆柱型直兜孔保持架的轴承摩擦力矩比方柱型直兜孔保持架的轴承摩擦力矩小，这是因圆柱直兜孔比方柱型直兜孔在钢球与保持架兜孔间更利于形成弹流润滑，从而使钢球与保持架兜孔间的摩擦引起的摩擦力矩下降。因此保持架兜孔形状的选用应根据轴承的具体工况而定。
3、角接触球轴承摩擦力矩的影响因素。本文的角接触球轴承摩擦力矩理论主要由钢球与滚道间的弹性滞后、流体动压、差动滑动、自旋滑动、滚动体与保持架间的摩擦和保持架与引导挡边摩擦因素引起角接触球轴承摩擦力矩分量组成，每个因素对角接触球轴承摩擦力矩的影响有所不同。当角接触球轴承转速小于700 r/min时，影响角接触球轴承摩擦力矩大小主要因素为弹性滞后、自旋滑动和差动滑动，且这三个因素影响角接触球轴承摩擦力矩的程度依次减小，这三个主要因素引起的摩擦力矩之和占角接触球轴承摩擦力矩的95%左右；随着角接触球轴承转速提高，角接触球轴承润滑油膜厚度逐渐形成，这时流体动压和滚动体与保持架间的摩擦引起的摩擦力矩分量也随之增加，钢球与滚道间的润滑油膜形成使钢球与滚道间的滑动摩擦因数下降，从而造成差动滑动和自旋滑动两因素引起的摩擦力矩随之下降；当角接触球轴承转速高于4500r/min时，影响角接触球轴承摩擦力矩大小的主要因素为弹性滞后、流体动压、滚动体与保持架间的摩擦、差动滑动和自旋滑动，且影响角接触球轴承摩擦力矩的程度依次减小，这五个因素引起的摩擦力矩之和占角接触球轴承摩擦力矩的99%左右。因此，角接触球轴承低速时，低摩擦力矩角接触球轴承结构参数设计时应重点从降低角接触球轴承的弹性滞后、自旋滑动和差动滑动引起的摩擦力矩分量方面考虑。角接触球轴承高速时，低摩擦力矩角接触球轴承结构参数设计时还应考虑润滑油特性和角接触球轴承保持架参数的设计。
参考文献：
[1]李兴林.角接触球轴承摩擦力矩特性研究[J].机械工程学报，2016(05).
[2]徐锦鑫.角接触球轴承摩擦力矩的特性分析[J].机械工程学报，2016(23).