滚动轴承摩擦与润滑

1、 滚动轴承的摩擦力矩分析 目录 摩擦力矩概述 角接触球轴承的摩擦力矩分析 摩擦力矩测试仪的结构 结论 参考文献 摩擦力矩概述 摩擦力矩是滚动轴承的一项重要的使用性能。摩 擦力矩涉及到轴承运转过程中温度的上升，过分 的温度上升将使润滑剂劣化、磨损加剧，甚至导 致滚动表面烧伤，轴承损坏。摩擦力矩还关联着 精密机械仪表动作和信息传递的准确性。经验认 为，滚动摩擦低于滑动摩擦，滚动轴承的摩擦力 矩低于滑动轴承。但是，滚动轴承摩擦力矩的产 生是多种因素综合作川的结果。其中，有滚动摩 擦，也有滑动摩擦，有固体间的摩擦，也有润滑 剂的粘性阻力。 角接触球轴承摩擦力矩的主要因素 根据角接触球轴承内部摩擦特点，

2、引起角接触球 轴承摩擦力矩的主要因素有滚动材料的弹性滞后 、滚动体与滚道之间的润滑的粘性、滚动体与滚 道之间差动滑动、滚道体在滚道上的自旋滑动、 滚动体与保持架之间的摩擦和保持架与引导挡边 摩擦，这六个因素引起的摩擦力矩的总和即为角 接触球轴承摩擦力矩。 钢球与滚道之间的弹性滞后引起的摩擦 力矩 u 根据能量守恒，因弹性 滞后引起的角接触球轴 承摩擦力矩分量 流体动压引起的摩擦力矩 对于角接触球轴承，当钢球不发生陀螺旋转是， 某J钢球与滚道接触出的能量损耗可以由润滑油中 的内摩擦所耗的能量来确定 u 根据能量守恒，因润滑油油膜引 起的角接触球轴承摩擦力分量为 差动滑动引起的摩擦力矩 第J个钢球

3、与滚道之间差动滑动所消耗能量为 u 根据能量守恒，因角接触球 轴承钢球差动滑动引起的角 接触球轴承摩擦力矩分量 自旋滑动引起的摩擦力矩 钢球相对滚道的法向自旋运动将产生自旋摩擦， 引起自旋力矩。某J钢球单位时间内相对内滚道自 旋摩擦消耗的能量为 u 根据能量守恒定律， 因角接触轴承钢球自 旋滑动引起的角接触 球轴承力矩分量为 钢球与保持架之间的摩擦引起的摩擦力矩 根据能量守恒定律，单位时间内所有钢球与保持 架兜空所消耗的能量应等于单位时间轴承摩擦力 矩Mc所消耗的能量可得 u单位时间内第J个钢 球滑动摩擦力和滚道 摩擦力所消耗的能量 分别为 保持架与引导当边摩擦一起的摩擦力矩 根据能量守恒定律

4、，可得轴承因保持架引导挡边 摩擦引起的轴承摩擦力矩如下 总摩擦力矩总摩擦力矩 角接触球轴承总摩擦力矩为 计算结果与分析 轴承转速对轴承摩擦力矩的影响。角接触球轴承 转速与摩擦力矩的关系 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大而增大 轴承工作温度对摩擦力矩的影响 轴承工作温度与角接触球轴承摩擦力矩的关系如 图。 u 刚开始运转是随着轴承工 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 温度升高到一定值后，轴 承摩擦力矩随着工作温度 的升高而迅速增速 轴承结构参数对摩擦力矩的影响 内沟曲率半径系数对轴承摩擦力矩

5、的影响 u 当轴承外圈的转速较低时， 即轴承润滑处于干涸状态 时，这是小的内沟曲率半 径系数反而有利于钢球与 滚道间的油膜厚度增大， 从而使轴承的摩擦力矩降 低。 角接触球轴承摩擦力矩的影响因素 前面所述六个因素对角接触球轴承摩擦力矩的影 响有所不同。在轴承所受轴向力60N情况下得摩 擦力矩理论计算值 PM9906摩擦力矩测量仪摩擦力矩测量仪 u 01.轴向加载机构轴向加载机构 u 02.驱动主轴驱动主轴 u 03.空气轴承空气轴承 u 04.轴承更换套轴承更换套 u 05.被测试轴承被测试轴承 u 06.力传感器力传感器 u 07.速度传感器速度传感器 u 08.电机电机 PM9906摩擦力

6、矩测量仪工作原理摩擦力矩测量仪工作原理 被测轴承内圈固定在驱动主轴上，外圈由空气轴承支撑，被测轴承内圈固定在驱动主轴上，外圈由空气轴承支撑， 在内圈上施加轴向载荷，机座上固定有力传感器。工作时在内圈上施加轴向载荷，机座上固定有力传感器。工作时 伺服电机驱动主轴带动轴承内圈旋转，由于轴承摩擦力的伺服电机驱动主轴带动轴承内圈旋转，由于轴承摩擦力的 存在，带动轴承外圈和空气轴承转子旋转，固定在机座上存在，带动轴承外圈和空气轴承转子旋转，固定在机座上 力传感器对空气轴承转子施加平衡力阻止其旋转，进而阻力传感器对空气轴承转子施加平衡力阻止其旋转，进而阻 止轴承外圈旋转，力传感器施加的平衡力与轴承的摩擦力

7、止轴承外圈旋转，力传感器施加的平衡力与轴承的摩擦力 保持动态平衡，所以其采集到的信号反映了被测试轴承动保持动态平衡，所以其采集到的信号反映了被测试轴承动 态摩擦力的大小。力传感器产生的电信号经放大滤波后输态摩擦力的大小。力传感器产生的电信号经放大滤波后输 入计算机，经过数据处理，得到逆时针和顺时针两个方向入计算机，经过数据处理，得到逆时针和顺时针两个方向 的轴承的摩擦力矩测量结果及两个方向的力矩变化曲线。的轴承的摩擦力矩测量结果及两个方向的力矩变化曲线。 PM695球轴承摩擦力矩测量仪结构示意图球轴承摩擦力矩测量仪结构示意图 u 01.应变传感器应变传感器 02.空空 气轴承气轴承 03.空气

8、轴承空气轴承 转子转子 04.外更换件外更换件 05. 被测试轴承被测试轴承 06.载荷载荷 加载环加载环 07.汽缸汽缸 08.被被 测试轴承测试轴承 09.外更换外更换 件件 10.滚动轴承滚动轴承 11.同同 步带轮步带轮 12.支撑支撑 13.内内 更换件更换件 14. 直流电机直流电机 组组 15.驱动主轴驱动主轴 16.密密 珠轴承珠轴承 17传动齿轮传动齿轮 PM695球轴承摩擦力矩测量仪球轴承摩擦力矩测量仪工作原理工作原理 该试验机可对成对安装的角接触轴承分别进行内环驱动或该试验机可对成对安装的角接触轴承分别进行内环驱动或 外环驱动的摩擦力矩测试。被测试轴承垂直成对安装在驱外环

9、驱动的摩擦力矩测试。被测试轴承垂直成对安装在驱 动主轴上，外圈或内圈与空气轴承转子相连，当永磁直流动主轴上，外圈或内圈与空气轴承转子相连，当永磁直流 力矩测速电机组通过同步带带动轴承内圈或外圈低速旋转力矩测速电机组通过同步带带动轴承内圈或外圈低速旋转 时，由于摩擦力矩作用带动轴承外圈或内圈和空气轴承转时，由于摩擦力矩作用带动轴承外圈或内圈和空气轴承转 子旋转，应变传感器与空气轴承转子相连，利用应变式传子旋转，应变传感器与空气轴承转子相连，利用应变式传 感器弹性体的变形产生的力矩与被测试轴承产生的摩擦力感器弹性体的变形产生的力矩与被测试轴承产生的摩擦力 矩平衡。由传感器将轴承的摩擦力矩转换为电信

10、号，经过矩平衡。由传感器将轴承的摩擦力矩转换为电信号，经过 放大滤波后进入计算机进行数据处理，得到正反向六组测放大滤波后进入计算机进行数据处理，得到正反向六组测 量结果和两组力矩变化曲线，可随机显示、存档或打印输量结果和两组力矩变化曲线，可随机显示、存档或打印输 出测量数据及图形出测量数据及图形 欧洲空间技术实验室摩擦力矩试验台结构示意图欧洲空间技术实验室摩擦力矩试验台结构示意图 欧洲空间技术实验室摩擦力矩试验台工作原理欧洲空间技术实验室摩擦力矩试验台工作原理 法兰盘安装在筒状支撑的顶端，由一个气体轴承支撑，使法兰盘安装在筒状支撑的顶端，由一个气体轴承支撑，使 它的位置固定。被测试轴承的外圈由

11、法兰盘固定，保证了它的位置固定。被测试轴承的外圈由法兰盘固定，保证了 被测试轴承的轴线是垂直的。筒状支撑、法兰盘和外圈一被测试轴承的轴线是垂直的。筒状支撑、法兰盘和外圈一 起转动，最高转速起转动，最高转速5000rpm5000rpm。被测试轴承的转速通过位于。被测试轴承的转速通过位于 法兰上面的计数器测得，在筒状支撑下端可以悬挂加载轴法兰上面的计数器测得，在筒状支撑下端可以悬挂加载轴 向载荷。在法兰上面安装的横梁上有摩擦力传感器，用来向载荷。在法兰上面安装的横梁上有摩擦力传感器，用来 测试轴承的摩擦力矩，摩擦力矩信号可以准确可靠的被记测试轴承的摩擦力矩，摩擦力矩信号可以准确可靠的被记 录。由于

12、轴承是垂直于轴线安装，所以测得的轴承摩擦力录。由于轴承是垂直于轴线安装，所以测得的轴承摩擦力 矩值精度较高。矩值精度较高。 轴承摩擦力矩测试仪 结论 轴承的摩擦力矩可以通过数学方法比较精确的计 算出来。通过对摩擦力矩在不同情况下得计算可 以知道轴承在不同条件下的运转状态 轴承在低速工作时较大的内沟曲率半径系数有利 于角接触球轴承摩擦力矩的减低；高速运转时， 较小的内沟曲率半径系数更有利于轴承摩擦力矩 的减少。 参考文献 【1】朱爱华，朱成九，张卫华。滚动轴承摩擦力矩的计算分析。轴承 2008年7月 【2】万长森。滚动轴承的分析方法。北京：机械工业出版社，1987 【3】徐跃进。高速脂润滑滚动轴承的摩擦力矩的计算株洲师范高等专科 学校学报，第12卷第5期2007年10月 【4】邓