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滑动轴承 |
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性能卓越的滑动轴承 |
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作者：GGB轴承技术有限公司 来源：AI汽车制造业 |
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对于大多数应用，可以用滑动轴承替代传统的滚动轴承。如果应用得当，滑动轴承不仅可节省空间和质量，承受更多载荷，需要更少的维护，而且其吸收振动的能力比滚动轴承更好。汽车工程师已经将泵、转向系统、空调压缩机、气门顶杆、节气门和变速器中的滚动轴承更改为滑动轴承。
滑动轴承正在很多应用中替代滚动轴承，这些应用包括泵、风力发电机、农业和建筑机械等领域。以往设计师认为复杂的零部件需要复杂的滚动轴承，但是现在设计师开始认识到滑动轴承有设计简单等诸多优势。但这并不是说滑动轴承在现有的应用中可以替代所有的滚动轴承，比如要求精度极高的轴定位或摩擦极小的应用中，可以排除使用滑动轴承。
对于大多数应用，可以用滑动轴承替代传统的滚动轴承，给客户带来技术和竞争上的优势。如果应用得当，滑动轴承不仅可以节省空间和质量，承受更多载荷，需要更少的维护，而且其吸收振动的能力比滚动轴承更好。表1显示了基于类似轴承内径和长度，转换到滑动轴承的好处。
引领这一替代趋势的是滚针轴承使用者，他们认为使用滑动轴承时，更容易实现轴承座和轴尺寸的一些设计变化。大尺寸滚动轴承的使用者也正有意识地想到使用滑动轴承可以节省成本。
图1 典型的滚针轴承（左）和金属－聚合物滑动轴承（右）：在滑动轴承中没有相互运动的元件
更有利于经济性
吸引设计者使用滑动轴承的因素之一是成本。滚动轴承比较复杂，多元件和精密的结构使得它比滑动轴承的成本要高25%～400%。此外，某些滚动轴承的安装工具是另外一项成本，而滑动轴承的成本却要低50%～75%。
在某些领域的应用中，如汽车和航空工业领域，设计者也可以通过减重而附加经济价值。汽车制造商一直积极地减轻整车质量，以实现燃油经济性。
同样尺寸的滑动轴承，其质量还不到冲压外圈滚针轴承的一半。由于不同的工艺，厚外圈滚针轴承的质量差不多是滑动轴承的5倍，而深沟球轴承的质量达14倍以上。表2显示了不同类型、类似尺寸的轴承的质量对比。
除了轴承自身的质量外，设计者应当考虑轴承座的质量和复杂性。典型滑动轴承的壁厚是1～2.5mm，设计者可以修整轴承座，从而降低质量和原材料成本。改用单个滑动轴承，也不需要卡簧、轴肩和其他保持结构，这些都可以降低轴承的质量。
图2 滑动轴承在很多应用中代替滚动轴承，例如在液压齿轮泵中
更大的承载面
由于滑动轴承比滚动轴承有着更大的表面接触面积，因此设计者可以选择较小的滑动轴承以适应更大的负载，同时节省空间和成本。例如，典型的20mm×23mm×15mm的滑动轴承可以承受42kN的动态负载和75kN的静态负载，而对应的20mm×26mm×16mm的冲压外圈滚针轴承可以分别承受12.7kN的动态负载和20.1kN的静态负载。
滑动轴承同样能够很好地承受冲击载荷，工作状况就像在不平整的路面上的悬架系统。在这种情况下，滚动轴承可能容易产生疲劳损坏和压痕——一种轴承损坏形式，即滚子上的力大于滚道材料的弹性极限时产生的永久凹痕。打个比方，女士高跟鞋可以在地板上产生类似的破坏，但是同样一个人穿平底鞋就没有任何的痕迹。同样的载荷，滑动轴承载荷分布比滚动轴承的集中载荷更有优势，特别是相对于滚针轴承和球轴承。
材料的一致性也使滑动轴承比滚动轴承能承受更大的轴偏心。除了特殊设计，滚动轴承还需要补偿偏心量，否则偏心会增加轴承磨损，减少轴承寿命，因为载荷集中后应力会增加。相对地，滑动轴承即使有轻微的不对中，也不会载荷集中，而会很均匀地分布。
图3 典型的聚合物滑动轴承的截面：
显示钢背衬（灰色）、烧结铜夹层（黄色）和滑动层（黑色）
最小化接触面积是减少摩擦的一种方法，所以设计者传统地将滚动轴承定义为可用于极端低摩擦的应用。然而只考虑摩擦力，可能会选择不合适的轴承。一些滑动轴承需要定期的润滑，但是许多滑动轴承的固态润滑剂整合在滑动层上，去除了辅助润滑、切开检测和维护的需要。
滚动轴承可能无法在摆动情况下拥有很好的性能。滚动轴承的滚动体由于质量比较大，会产生比简单紧凑的滑动轴承更大的惯性。这种惯性必须通过反向运动来克服。另外，低振幅高频率的摆动会损坏滚动轴承。这种载荷形成的接触应力集中在少数的滚动体和相应的滚道上，导致疲劳损坏和密封磨损。如果摆动角度小于360°除以滚动体个数的数值，滚动体接触区域会产生润滑不足；如果摆动角度大于90°，则润滑剂受搅动而降解。
另一方面，滑动轴承可以将载荷分布在更大的区域，贴着轴滑行，充分降低接触应力和疲劳的危险。此外，由于没有滚动元件，滑动轴承可以防止润滑剂流动，进而防止搅动引起的降解。
更小的振动和噪声
滚动轴承会由于滚动体的磨损或润滑剂的消耗而产生更大的噪声。无论滚动体及滚道细微的不同心或“倾斜”都会产生振动和噪声，而振动和噪声会进一步扩展到相邻的部件。
由于滑动轴承没有内部相互运动的部件，所以没有任何的噪声，而且现在的滑动轴承由多层的工程金属和聚合物的涂层组成，涂层材料结构易于吸收振动。其结果是轴和轴承工作时保持低噪声。
一片式的结构易于安装和维护。只要压入轴承座中，就轻松完成了安装。对于滚动轴承，操作和安装不当会引起损坏和早期失效。
如果设计和安装正确，任何轴承都可以在应用中达到期望的性能和寿命。用户可以通过选择正确的工作状况和适当及时的维护，避免过早失效。也就是说，许多自润滑滑动轴承比滚动轴承需要更少的维护，更少的部件会产生磨损和失效，所以需要的维护也更少。
长寿命的泵轴承（其他选项）
领先的汽车动力传动系统供应商，新开发了一款六速、前轮驱动变速器，该变速器的燃油经济性得到进一步优化，同时可降低排放，200000km内不需要更换机油和过滤器。与该变速器相配的叶片泵被安装在液力变矩器的壳上，通过链轮带动。它可以在7000r/min的速度和320psi（2.2MPa）的油压下工作。根据性能要求，这种泵要通过150000km测试，达到99.95%的可靠性。
泵的叶片转子由前底盘上的滚针轴承支撑着。其工作条件为2400psi（16.5MPa）的载荷，转动速度为7500r/min，温度达到266F（130℃）。
该供应商用Glacier Garlock滑动轴承替换了滚针轴承。这种轴承既耐流蚀，又耐气蚀，因此尤其适用于起动/停止系统的应用。这种轴承结构由钢背衬、烧结铜和填充在表面层的PTFE组成。涂层中的稀土纤维使轴承能承受250MPa的负载，温度范围为-200～280℃。
某专业的泵制造商通过轴承的成套测试，包括压力/速度循环试验、混合油膜分布试验、完全油膜和边界润滑试验、润滑不足试验和开关试验。测试条件：负载为50～2 400psi（0.34～16.5MPa），泵速度为500～7000r/min，温度从室温到500F（260℃）。测试结果使得该制造商将滚针轴承改为DP4滑动轴承，下一步计划将钢背衬改为铜背衬。 (end)
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(4/7/2010) |
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