走出直線運動軸承設計的誤區(qū)

? ? ? ? ?在進行直線運動軸承的設計時，存在著諸多誤區(qū)，包括所有鋼軸都是相同的、不可在惡劣環(huán)境中使用直線軸承、軸承座圈與滾動體接觸越緊密負荷能力越強、不重視軸承潤滑劑的正確選擇、快速運轉直線軸承將縮短軸承的運動周期、滾動接觸體不會磨損、不重視表面拋光、使用小型軸承會降低系統(tǒng)高度、軸出現溝槽時軸會損壞，以及材料硬度越大軸承性能越好等。為了更好地幫助設計者在進行直線運動軸承的設計中避免這些誤區(qū)，本文將逐一對上述誤區(qū)進行分析。

直線軸承不可在惡劣環(huán)境中使用

? ? ? ? ?請?zhí)貏e注意，當在低溫或深海環(huán)境中使用直線軸承時，設計結構、正確密封和材料選擇均是至關重要的因素。其中一個要避免的誤區(qū)是忽略溫度的劇烈變化（例如，-40~85℃）導致尺寸變化的熱效應對軸承軸向和徑向裝配間隙的影響。其可能需要配有刮板的特殊密封和潤滑選件，而選擇涂層和材料時，鹽霧試驗也有可能不會最終測量出特定應用的抗腐蝕性。舉例說明，標準鹽霧與完全浸沒并不相同。另外，還有很多保護表面的選件，都各有其優(yōu)勢。對于滾動軸承，TDC（薄密鍍鉻）涂層要比TDN（薄密鍍鎳）涂層具有更好的耐磨損特性，原因并不在于摩擦特性，而是其硬度更高。但在標準鹽霧試驗中優(yōu)于TDC的TDN在軸承接觸應力方面則表現較差。

所有鋼軸都是相同的

? ? ? ? ?直線運動軸承的軸最常用的材料是中度高碳鋼。工程師應當與供應商確認所使用鋼材的碳含量、伸直度、彎曲度、表面拋光度、硬度以及硬化層深度等是否適用于軸承的應用環(huán)境。鋼材內的雜質會導致軸承過早損壞，原因是其可能會對軸承產生較大的Hertzian接觸應力。材料的化學組成和均勻性不足會影響軸的加工性能，尤其會影響降低粗糙度或高點的能力。通常其表面需要含有帶有波谷的坪區(qū)，同樣也需要足夠的硬度和硬化深度以支持較高軸承負荷下的Hertzian接觸應力，確保不會發(fā)生表層以下的過早損壞。

軸承座圈與滾動體接觸越密切負荷能力越強

? ? ? ? ?人們通常誤認為負荷能力越強，軸承性能越好。對于滾動軸承，溝槽半徑與滾動體半徑之間的比率為密切因數，而由于材料特性會對應力有一定限制，幾何一致性（密切度）的增加則擴大了接觸表面的面積，因此，提高了軸承的負荷能力。但是由于特定的限制性，當密切度變得很大時，軸承的性能開始下降，負荷能力也隨之降低。其中一部分原因是切向切變差異（作為相對表面加速度的函數）的增大。同時，公差減少以及高密切度因數也會導致高摩擦特性，這些都證明了密切度過大并不是好事。

直線運動軸承產品的設計存在諸多誤區(qū)

不重視軸承潤滑劑的正確選擇

? ? ? ? ?中等厚度的鋰基潤滑脂即可適用于大多數軸承。認為潤滑劑并不重要，或者認為潤滑脂作為軸承潤滑劑要比潤滑油更好，這些都是錯誤概念。正確選擇潤滑劑是直線軸承應用的一個重要環(huán)節(jié)，通常可能會是軸承性能完全或不足的根本原因所在。滾動體和軸承座圈之間的膜層是EHL（彈流潤滑層）。這種潤滑層具備極高的應力，可同時抗擊物理（例如熱力和切變）和化學（例如污染物和溶劑）沖擊（可導致潤滑劑失效的沖擊），作為軸承表面的主要保護層，防止過早損壞。潤滑是保證軸承性能的重要因素。

? ? ? ? ? 潤滑劑的種類很多，從用于高負荷的帶有EP添加劑的高粘度潤滑脂，到用于化學保護的帶有防腐劑的低粘度潤滑油；從用于降低粘度破壞或防止蒸發(fā)損失的合成潤滑劑，到用于低摩擦特性或兼容性考量的中性或有機潤滑劑。有些特殊潤滑劑專門設計用于消聲或抵抗富氧環(huán)境亦或極端溫度狀況。因此，選擇正確潤滑劑的重點就是要詳細了解操作環(huán)境。

快速運轉直線軸承將會縮短軸承的運動周期

? ? ? ? ? 滑動軸承以及狹義上的徑向軸承和油膜軸承在其運動周期中對速度這一因素極其敏感，但是有趣的是，滾動直線軸承的運動周期僅僅因速度和加速度對系統(tǒng)負荷的影響而改變。只要運動體系用作影響負荷的因素，直線軸承就不會受到PV（壓力速度）的影響，不會對排熱因素敏感，也不會受是否支持宏觀膜層因素的影響（根據伯努利方程，液體邊界層是主宰因素，速度是主要變量）。當速度和加速度超過一定的標準，即滾動體不再滾動或開始影響EHL（超過v=3~5m/s且a= 10g），此時，滾動直線軸承的L10運動周期可通過Lundberg和Palmgren軸承失效理論中的方程進行估算：運動周期=（額定負荷/等效負荷）3×額定運動量，其中速度和加速度并不是因數。

滾動接觸體不會磨損

? ? ? ? ?滾動接觸體不會達到滑動軸承的磨損程度，與較低的摩擦系數有著莫大的關聯，只是微觀上的磨損而已。在有著明顯密切幾何體的軸承中，滾動體和軸承座圈之間的相對切向表面速度存在差異。表面明顯不會以相同速度運轉。這一差異會導致潤滑劑的切變，損壞潤滑膜層的粘度，危及到EHL（可導致磨損和過早損壞）。根據負荷和環(huán)境狀況的不同，可能需要較高頻率的再潤滑循環(huán)。

忽視表面拋光的重要性

? ? ? ? ? 并不是所有所謂的表面拋光都是相同的，有時候外表是具有欺騙性的。表面拋光可稱之為Ra、Rrms和Rpk等。有些表面拋光基于平均讀數，而有的則是峰值到谷值或峰值到峰值的讀數。對于軸承的負荷性能來說，表面拋光至關重要。通常設計者需要注意高點，對于相同表面拋光值，帶有谷值的坪區(qū)要優(yōu)于帶有峰值到谷值的坪區(qū)。表面太粗糙（長刺或高點），通常意味著拋光更難，這對于軸承的性能無益。表面太精細，拋光則會影響潤滑劑在軸承表面形成適當膜層的性能，同樣不利于軸承的性能。因此，在大多數情況下，在軸承應用中表面拋光不應低于2 Ra，這是決定表面拋光優(yōu)勢的關鍵。

使用小型軸承會降低系統(tǒng)高度

? ? ? ? ?許多設計者都會陷入這樣一個誤區(qū)，即力求尋找更為緊湊且小巧的軸承。這一誤區(qū)忽視了實際決定系統(tǒng)整體高度的其他參數或元件。這些元件通常是驅動系統(tǒng)、支架、馬達或者變速箱。這些會限制尺寸大小的元件對于系統(tǒng)至關重要，設計系統(tǒng)時需要及早考慮。忽視這一點往往會導致設計者需要在小型尺寸的直線軸承下面放置額外的墊圈或冒口，以構建足夠的高度與驅動器、馬達或支架相匹配。通過整體設計以及正確選擇系統(tǒng)元件，即可避免時間、資金的浪費，以及系統(tǒng)元件誤用的損失。

軸出現溝槽時會損壞

? ? ? ? ?恰恰相反，軸出現溝槽并不是壞事。有些時候直線軸承會在高負荷情況下運行，在幾次運行之后軸就會出現溝槽，這種現象稱之為“安定狀態(tài)”。當軸承在高負荷狀態(tài)下運行時，Hertzian接觸應力會非常大，大到足夠熔化硬度極高的高碳軸承鋼。由于這只是壓力效應，熔化的材料并不會移動或轉換，導致下層脫離，最終導致材料損壞或磨損。其實際接觸應力由于溝槽導致接觸面積增加而低于等效應力的位置保持穩(wěn)定狀態(tài)。負荷不會造成材料的進一步熔化。

? ? ? ? ?如果出現這種情況，即軸開始出現溝槽，然后保持穩(wěn)定。因此，工程師此時不應旋轉或更換軸，因為接下來軸承會承受另外一次“安定狀態(tài)”循環(huán)，若滾珠不夠堅硬就會超過限定值。

材料硬度越大軸承性能越好

? ? ? ? ?較高的材料硬度代表了較高的屈服應力極限值，但是這并不一定是好事。高硬度同樣意味著脆度的增加，也就意味著要犧牲材料的韌度。其可能在彎曲之前就會破裂，但有時彎曲是必須的。

? ? ? ? ?這也是一種平衡取舍。緊密接觸軸承元件的適當硬度會優(yōu)化軸承的性能。標準直線軸承基本上有3個主要負荷軸承元件：內座圈、滾動體和外座圈。如果滾珠比內座圈要硬很多，則會由于高接觸應力而磨損內座圈。如果滾珠較軟，則自身會磨損，導致滾珠出現平斑。外座圈同樣存在這些問題。通常情況下，對于直線軸承，外座圈要比內座圈運行更多的循環(huán)周期，但是根據內座圈的幾何形狀（例如密切度），外座圈最好比內座圈的硬度稍高或稍低。不管是何種情況，稍低硬度的滾動體（因材料而異）會更為理想，可以優(yōu)化軸承的整體性能。

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