滚动轴承的薄壁化与轻量化技术.pdf

滾動軸承的薄壁化與輕量化技術 捷胤工業有限公司 總合研究所 前言 滾動軸承在負荷容量、信賴性、壽命等軸承機能，要保持其原有的基本機能，又要能 達到軸承輕量化的目的，軸承材料的改良、生產技術的改善、量測技術的提升等多樣技 術的改善、技術難點的突破等，是必須努力去追求的。有關軸承薄壁化、輕量化技術開 發的現狀與實際技術的應用等，僅作部份的介紹供大家參考。 軸承輕量化技術的特徵 (一) 軸承材料的轉換 機械部品、機械的輕量化目的，最簡單的對策就是材料的選擇。選用如鋁合金或高分 子合成樹脂等較輕量化的材料使用。滾動軸承方面，也出現以陶瓷材料等有力的替代材 料，在一些特定限制用途上被使用。然而受信賴性、成本、生產量等多方面考量，在普 通一般性用途的地方，要將原來鋼鐵材料轉換成上述輕量材料，確實也尚有一些困難須 要時間的努力。 (二) 降低軸承負荷容量的設計 軸承用鋼材的改良，熱處理技術的革新，設計技術的進步，使得軸承之負荷容量能力 (額定負荷)增大很多。約此 10 年間，軸承鋼材製造技術的精進，使得鋼材非金屬夾雜 質物的含量減低很多，尤其是含氧量的降低，以現有的技術，已有能力控制在 10PPM 以 下的低量，更使得軸承的實質壽命有 2 倍以上的延長效能。因此由理論上的推論，在同 一壽命、同一信賴度的需求，軸承尺度的選用就能夠比原使用軸承尺度小於 10~20% 程 度。例如 :日本新幹線車輛用滾柱軸承的設計，原來使用 100 系列尺度的軸承 (內徑 x 外徑 x 內環寬度/外環寬度 mm)之 130x280x215/210 ，重量約為56kg 。而必威体育精装版型設計已改 為 400 系列尺寸之軸承，尺寸為 120x230x170/165 ，重量為31kg 。如圖 1 所示，不但總 重量減少為原設計之 45% ，且更因此省掉承載止推負荷的滾珠軸承。由於此軸承的減量， 也使得軸承箱週邊部品的設計同時減量，而得到相當大的效果，而 1 軸約有 180kg 的輕 量化效果。當然此案例，由於車體改用鋁合金材料的設計，使得軸承的承載負荷減輕了 很多也是重要要因。然而主要還是由於軸承負荷容量的增大，使軸承的耐久壽命、信賴 性因而提升的效果。 (三) 軸承薄壁化設計 雖然軸承的負荷容量、耐久性有充裕的能量，但軸的強度、鋼性、振動等特性也要考 慮。大部分的機械，軸徑 (或軸承內徑)多數不能減少。因此內徑不能減少，只有減少外 徑，也就是軸承內徑與外徑之差 (斷面高度) 。這就是所謂的軸承薄壁化，為軸承輕量化 對策的主流。滾子軸承的薄璧型式如滾針軸承，從以前使用較寬的型式，到最近也朝向 如滾珠軸承寬度小的薄璧化方向推進。滾動軸承的負荷容量，為由內環與外環之間所插 入滾動體的直徑比例來計算得到。所謂薄壁化即是將此負荷容量減小，而如何補償此薄 璧化之負荷容量的減小，是為關鍵重點。 所謂薄璧滾珠軸承與標稱軸承，如圖 2 所示。以現有的技術，此種軸承製品為比較容 易取得供應的。此型軸承適用於產業用自動機 (組立機、焊接機、塗裝機等) 、減速機驅 動裝置之簡諧軸承、醫療機器等。 (四) 內環、外環的鋼板化設計 此也是薄璧軸承的一種。使用鋼板沖製成軸承軌道環，利用鋼板沖製比切削加工實體 的軌道環，可達到薄璧加工特性。軌道面再以表面硬化熱處理方式及表面加工處理，使 具有軸承的負荷能力等基本功能，並不比實體軸承的機能遜色。但是要達到實體環軸承 的高精度就比較困難了。如圖 3 所示為鋼板製徑向滾珠軸承或如圖 4 鋼板製止推滾針軸 承。