李彥偉 林 晶 張 令 趙穎春

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

國(guó)外航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)分析

李彥偉 林 晶 張 令 趙穎春

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于SAE和EN的航空機(jī)體球軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析了SAE和EN的航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)相應(yīng)的SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容，包括尺寸、材料、表面處理、密封固定性能、潤(rùn)滑、無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩、靜態(tài)承載能力、動(dòng)態(tài)承載能力等性能進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了標(biāo)準(zhǔn)之間存在的共同點(diǎn)和差異，為我國(guó)航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作提供一定的借鑒。

機(jī)體；球軸承；標(biāo)準(zhǔn)

球軸承泛指利用球的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)最小摩擦，并限制一個(gè)物體相對(duì)于另一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的各種類(lèi)型軸承。航空機(jī)體球軸承是指在飛機(jī)機(jī)體如起落架、方向舵、襟翼、縫翼、尾翼、安定面、操縱系統(tǒng)件使用的球軸承。機(jī)體球軸承具有摩擦阻力小、啟動(dòng)快、效率高、易于互換等優(yōu)點(diǎn)，是飛機(jī)傳遞運(yùn)動(dòng)與承受載荷的重要支撐零件，在飛機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

航空機(jī)體球軸承主要有深溝球軸承和調(diào)心球軸承，如圖1所示。深溝球軸承是滾動(dòng)軸承中最為普遍的一種類(lèi)型?；拘偷纳顪锨蜉S承由外圈、內(nèi)圈、鋼球和保持架組成，可同時(shí)承受徑向和軸向載荷。調(diào)心球軸承由、內(nèi)圈、鋼球、保持架和具有球面滾道的外圈組成，其特點(diǎn)是具有調(diào)心性能，以補(bǔ)償軸的兩支點(diǎn)軸線不同軸產(chǎn)生的角度偏差和軸的撓度的影響。

國(guó)外經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)航空機(jī)體球軸承的尺寸、啟動(dòng)力矩、硬度、極限載荷、徑向動(dòng)載荷等綜合性能開(kāi)展了全面的研究，已經(jīng)形成了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，保證了航空機(jī)體球軸承的質(zhì)量和規(guī)范性，為航空機(jī)體球軸承的研制和使用提供了重要的標(biāo)準(zhǔn)資料。

我國(guó)在航空機(jī)體球軸承方面與國(guó)外相比還存在很大的差距，通用規(guī)范不完整，缺乏必要的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，標(biāo)準(zhǔn)的操作性差，亟需補(bǔ)充相應(yīng)的通用規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，形成系統(tǒng)的航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系。

本文基于SAE和EN的航空機(jī)體球軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析了SAE和EN的航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)相應(yīng)的SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容，包括尺寸、材料、表面處理、密封固定性能、潤(rùn)滑、無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩、靜態(tài)承載能力、動(dòng)態(tài)承載能力等性能進(jìn)行了對(duì)比分析，為我國(guó)航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作提供一定的借鑒。

圖1 航空機(jī)體球軸承類(lèi)型

1 標(biāo)準(zhǔn)體系分析

1.1 SAE標(biāo)準(zhǔn)體系分析

SAE標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，包括轎車(chē)、飛機(jī)、材料及制造等標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，SAE航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系相對(duì)完善，包括了通用規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等。目前美國(guó)的航空機(jī)體球軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要包含普通軸承鋼材料和不銹軸承鋼材料兩種系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，普通軸承鋼材料系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系相對(duì)完善，按承載能力劃分，覆蓋了重載、中載、輕載和特輕載球軸承；按滾動(dòng)體列數(shù)劃分，覆蓋了單列和雙列球軸承；按調(diào)心類(lèi)型劃分，覆蓋了非調(diào)心、調(diào)心和外部調(diào)心球軸承；并且還包括特寬球軸承、精密球軸承和滑輪球軸承三種特殊球軸承。不銹軸承鋼材料系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系相對(duì)不太完善，只涉及部分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 SAE航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

1.2 EN標(biāo)準(zhǔn)體系分析

EN標(biāo)準(zhǔn)是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲最主要的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，EN航空機(jī)體球軸承的標(biāo)準(zhǔn)體系也相對(duì)完善，包括了技術(shù)規(guī)范和系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等，雖然不具有獨(dú)立的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，但技術(shù)規(guī)范具有試驗(yàn)方法附錄，雖然沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的航空機(jī)體球軸承技術(shù)規(guī)范，但具有航空機(jī)體滾動(dòng)軸承技術(shù)規(guī)范，此技術(shù)規(guī)范涉及的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)大部分為球軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

EN的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，主要包括了深溝球軸承和調(diào)心球軸承兩個(gè)系列。深溝球軸承系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)每個(gè)直徑系列，分別給出了普通鋼制、普通鋼制鍍鎘和不銹鋼制三種類(lèi)型軸承的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，這些同直徑系列不同類(lèi)型的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置主要為滿(mǎn)足不同的使用需求。調(diào)心球軸承系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)包括EN 3287～EN 3289、EN 4034。

1.3 SAE和EN標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)比分析

從標(biāo)準(zhǔn)組成看，SAE和EN的產(chǎn)品組成各有特點(diǎn)。其中SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)按承載能力劃分為重載、中載、輕載和特輕載球軸承，并且還包括特寬球軸承、精密球軸承和滑輪球軸承三種特殊球軸承，而EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有，但EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)包括法蘭式外圈的雙列自調(diào)心球軸承。EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)按承載能力劃分只分為標(biāo)準(zhǔn)和輕載兩種系列軸承，直徑系列0和2為標(biāo)準(zhǔn)系列，直徑系列8和9為輕載系列。SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不僅包括雙列自調(diào)心球軸承，也包括單列自調(diào)心球軸承和外部調(diào)心球軸承，而EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)只包括雙列自調(diào)心球軸承，但EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將鋼制鍍鎘軸承單獨(dú)列為一類(lèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，明確指出了鍍鎘軸承的技術(shù)參數(shù)，與其他軸承進(jìn)行區(qū)分，這更有利于鍍鎘軸承的科學(xué)合理使用。

圖3 EN航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

2 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析

目前國(guó)內(nèi)外較常使用的機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)主要為AS 7949及其SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、EN 3280及其EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，下面對(duì)這些常用的機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)的主要的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析。

2.1 尺寸系列

從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，SAE系列產(chǎn)品的規(guī)格包含內(nèi)徑為0.19 in到2.312 5 in共18個(gè)規(guī)格，相當(dāng)于公制的內(nèi)徑為5 mm～80 mm，EN的產(chǎn)品系列中包含內(nèi)徑為5 mm～30 mm共10個(gè)規(guī)格。從產(chǎn)品規(guī)格看，SAE標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品系列多，尺寸范圍廣，最大可到80 mm。

2.2 材料

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中材料及硬度的要求見(jiàn)表1。

表1 材料及硬度要求

美國(guó)的52100材料和歐洲的FE-PL31材料均對(duì)照于中國(guó)的GCr15材料，從對(duì)比可以看出，SAE和EN對(duì)于普通鋼材料和硬度的要求基本一致。

歐洲的FE-PM43材料均對(duì)照于中國(guó)的9Cr18材料，美國(guó)的440N材料是新開(kāi)發(fā)材料，現(xiàn)還沒(méi)有中國(guó)材料與之對(duì)應(yīng)，與歐洲的FE-PM43材料的主要區(qū)別是增加了氮元素，在過(guò)去的幾十年中，氮作為合金元素被用來(lái)提高鋼的性能變得越來(lái)越誘人。目前，各國(guó)已相繼開(kāi)發(fā)出含氮不銹軸承鋼（如法國(guó)的XD15N、日本的ES1等）。美國(guó)采用1種在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下熔煉可使馬氏體不銹鋼的氮含量達(dá)到極限值的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了含氮馬氏體不銹軸承鋼——440N。此鋼可被整體淬硬，最小硬度可達(dá)HRC60，同時(shí)增加氮含量可獲得更高的硬度和耐蝕性能。用440N制成的軸承的耐腐蝕性能和無(wú)噪音性能對(duì)于航空和計(jì)算機(jī)工業(yè)是非常有用的。

從對(duì)比可以看出，SAE和EN對(duì)于不銹鋼材料不一致，但對(duì)硬度的要求基本一致。

2.3 表面處理

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中表面處理的相關(guān)要求見(jiàn)表2。

航空機(jī)體球軸承表面處理主要是為了使軸承具有防腐蝕性能。SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)普通鋼和不銹鋼兩種材料分別規(guī)定了表面處理的部位和方式，鍍鋅鎳有耐腐蝕性好、氫脆性小、潤(rùn)滑性好、附著力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)環(huán)境污染較小，因此近些年采用鍍鋅鎳的表面處理方式較多。鍍鎘在防腐蝕等方面的性能與鍍鋅鎳的性能相近，但由于鎘屬于重金屬，對(duì)環(huán)境有污染，因此在一些國(guó)家禁止使用。表面鈍化是不銹鋼常用的一種表面處理方法，具有一定的耐腐蝕性能。而EN并沒(méi)有在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定表面處理，但EN技術(shù)規(guī)范中規(guī)定了表面處理可參照軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)設(shè)計(jì)文件，相應(yīng)放寬了對(duì)機(jī)體球軸承表面處理的規(guī)定。

表2 表面處理要求

2.4 密封固定性能

因?yàn)樵O(shè)計(jì)目的，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定自調(diào)心角度不大于10°，但允許密封蠕變或移動(dòng)所產(chǎn)生的較大角度?；谧哉{(diào)心球軸承功能的要求，EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定自調(diào)心角度不小于6°?？梢?jiàn)SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自調(diào)心角度規(guī)定的區(qū)別，在自調(diào)心角度滿(mǎn)足實(shí)際使用需要的前提下，以上規(guī)定均合理。

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中保證密封固定完好所規(guī)定的最大扭矩對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 最大扭矩對(duì)比圖

從圖4可見(jiàn)，對(duì)于同規(guī)格軸承，EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的扭矩小于SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的扭矩。對(duì)于同規(guī)格軸承，保證密封固定完好所規(guī)定的最大扭矩值越大，密封固定性能越高。

2.5 潤(rùn)滑

軸承對(duì)滾動(dòng)軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動(dòng)等有著重要影響，沒(méi)有正常的潤(rùn)滑，軸承就不能良好的工作。軸承的良好潤(rùn)滑是減小軸承摩擦和磨損的有效措施。

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中潤(rùn)滑要求見(jiàn)表3。

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的填脂量相同，填脂量的大小影響軸承潤(rùn)滑效果，機(jī)體球軸承為低速擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的軸承，填脂量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致軸承缺少潤(rùn)滑劑，從而影響潤(rùn)滑效果。SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了潤(rùn)滑劑所符合的標(biāo)準(zhǔn)，而EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了潤(rùn)滑劑的性能，SAE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)潤(rùn)滑劑性能的規(guī)定與EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定基本一致。

表3 潤(rùn)滑要求

2.6 無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩

無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩是機(jī)體球軸承的一項(xiàng)重要參數(shù)，用于評(píng)價(jià)軸承的靈活性，圖5為SAE和EN主要系列軸承的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩對(duì)比圖。

圖5 無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩對(duì)比圖

由圖5可見(jiàn)，SAE和EN產(chǎn)品在無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩方面的要求存在著一定的差異。與EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相比，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩較大，并且隨著軸承規(guī)格的增大，啟動(dòng)力矩值增加幅度也增大。這是由于軸承規(guī)格增加，啟動(dòng)力矩半徑相應(yīng)增大和摩擦力相應(yīng)增大等因素共同作用的結(jié)果。

2.7 靜態(tài)承載能力

靜態(tài)承載能力是航空機(jī)體球軸承關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，包括徑向和軸向許用靜載荷要求。軸承許用靜載荷由基本額定靜載荷計(jì)算得出，徑向許用靜載荷計(jì)算如式（1）所示，

式中:

CN——徑向許用靜載荷，kN；

C0——基本額定靜載荷，kN；

R——徑向載荷安全系數(shù)。

軸向許用靜載荷計(jì)算如式（2）所示，

式中:

Famax.——軸向許用靜載荷，kN；

C0——基本額定靜載荷，kN；

A——軸向載荷安全系數(shù)。

基本額定靜載荷為作用于非旋轉(zhuǎn)軸承上，并使最大承載滾動(dòng)體與內(nèi)圈或外圈滾道接觸的薄弱處產(chǎn)生0.0001倍滾動(dòng)體直徑永久變形的載荷。為了方便查閱，SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)均直接給出了徑向和軸向許用靜載荷。

圖6 徑向許用靜載荷對(duì)比圖

圖7 軸向許用靜載荷對(duì)比圖

從圖6和圖7中可以看出，SAE和EN的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，軸承的徑向許用靜載荷基本一致。EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸向許用靜載荷大于SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸向許用靜載荷。并且EN規(guī)定許用靜載荷測(cè)試后，軸承不應(yīng)產(chǎn)生永久變形并且手動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸承檢測(cè)軸承旋轉(zhuǎn)靈活性不應(yīng)明顯降低，而SAE未作此規(guī)定，只是規(guī)定了手動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸承檢測(cè)軸承旋轉(zhuǎn)靈活性不應(yīng)明顯降低。在載荷值和合格判定要求兩方面都明顯發(fā)現(xiàn)EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的軸承靜態(tài)承載能力高于SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的軸承。

2.8 動(dòng)態(tài)承載能力

動(dòng)態(tài)承載能力是航空機(jī)體球軸承的一項(xiàng)重要性能，直接影響航空機(jī)體球軸承的壽命。SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)內(nèi)圈或外圈承載的兩種情況，分別規(guī)定了軸承的徑向動(dòng)態(tài)承載能力，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的徑向額定動(dòng)載荷為使軸承能成功進(jìn)行10000次擺角為90°的循環(huán)擺動(dòng)情況下所承受的載荷，圖8為內(nèi)外圈承載情況下徑向額定動(dòng)載荷對(duì)比圖。

圖8 徑向額定動(dòng)載荷對(duì)比圖

由圖8可見(jiàn)，外圈承載情況下的徑向額定動(dòng)載荷略高于內(nèi)圈承載情況下的徑向額定動(dòng)載荷，但兩種情況下隨軸承規(guī)格改變的載荷變化趨勢(shì)基本一致。

EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)承載能力作任何規(guī)定。也許是因?yàn)楫a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編制人員認(rèn)為航空機(jī)體球軸承使用工況為低速擺動(dòng)，相信軸承制造商能生產(chǎn)和銷(xiāo)售滿(mǎn)足壽命要求的航空機(jī)體球軸承。但個(gè)人認(rèn)為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸承動(dòng)態(tài)承載能力的規(guī)定是必要的。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SAE和EN機(jī)體球軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析可以看出，兩者的技術(shù)體系和產(chǎn)品的技術(shù)水平基本一致。

在標(biāo)準(zhǔn)體系方面，SAE和EN的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系各有特點(diǎn)。但均包含深溝球軸承和調(diào)心球軸承，EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)涉及鍍鎘軸承，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)涉及單列調(diào)心軸承，分別滿(mǎn)足了使用的需求。

在軸承材料方面，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的含氮不銹軸承鋼制軸承具有更好的硬度、耐蝕和無(wú)噪聲性能。

在無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩方面，與EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相比，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩較大，可見(jiàn)SAE軸承的旋轉(zhuǎn)靈活性較差。

在軸承的靜態(tài)承載能力方面，在載荷值和合格判定要求兩方面都明顯發(fā)現(xiàn)EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的軸承靜態(tài)承載能力高于SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的軸承。

在軸承的動(dòng)態(tài)承載能力方面，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了軸承的動(dòng)態(tài)承載能力，而EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)承載能力作任何規(guī)定。

通過(guò)對(duì)國(guó)外航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析，對(duì)于開(kāi)展我國(guó)航空機(jī)體球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，確定產(chǎn)品的尺寸、材料、表面處理、潤(rùn)滑和機(jī)械性能等關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，提高航空機(jī)體球軸承技術(shù)水平具有重要的參考價(jià)值。

（編輯：勞邊）

V229+.2 ，V26-65

C

1003–6660（2014）01–0052–05

[收修訂稿日期] 2013-10-10