國外航空機體球軸承標準分析

李彥偉 林 晶 張 令 趙穎春

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

國外航空機體球軸承標準分析

李彥偉 林 晶 張 令 趙穎春

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

基于SAE和EN的航空機體球軸承產品標準，對比分析了SAE和EN的航空機體球軸承標準體系，對相應的SAE和EN產品標準的主要技術內容，包括尺寸、材料、表面處理、密封固定性能、潤滑、無載旋轉啟動力矩、靜態(tài)承載能力、動態(tài)承載能力等性能進行了對比分析，指出了標準之間存在的共同點和差異，為我國航空機體球軸承標準體系建設工作提供一定的借鑒。

機體；球軸承；標準

球軸承泛指利用球的滾動實現(xiàn)最小摩擦，并限制一個物體相對于另一個物體運動的各種類型軸承。航空機體球軸承是指在飛機機體如起落架、方向舵、襟翼、縫翼、尾翼、安定面、操縱系統(tǒng)件使用的球軸承。機體球軸承具有摩擦阻力小、啟動快、效率高、易于互換等優(yōu)點，是飛機傳遞運動與承受載荷的重要支撐零件，在飛機中的應用越來越廣泛。

航空機體球軸承主要有深溝球軸承和調心球軸承，如圖1所示。深溝球軸承是滾動軸承中最為普遍的一種類型。基本型的深溝球軸承由外圈、內圈、鋼球和保持架組成，可同時承受徑向和軸向載荷。調心球軸承由、內圈、鋼球、保持架和具有球面滾道的外圈組成，其特點是具有調心性能，以補償軸的兩支點軸線不同軸產生的角度偏差和軸的撓度的影響。

國外經過多年的發(fā)展，對航空機體球軸承的尺寸、啟動力矩、硬度、極限載荷、徑向動載荷等綜合性能開展了全面的研究，已經形成了較為完善的標準體系，保證了航空機體球軸承的質量和規(guī)范性，為航空機體球軸承的研制和使用提供了重要的標準資料。

我國在航空機體球軸承方面與國外相比還存在很大的差距，通用規(guī)范不完整，缺乏必要的產品標準，整個標準體系不完善，標準的操作性差，亟需補充相應的通用規(guī)范和產品標準，形成系統(tǒng)的航空機體球軸承標準體系。

本文基于SAE和EN的航空機體球軸承產品標準，對比分析了SAE和EN的航空機體球軸承標準體系，對相應的SAE和EN產品標準的主要技術內容，包括尺寸、材料、表面處理、密封固定性能、潤滑、無載旋轉啟動力矩、靜態(tài)承載能力、動態(tài)承載能力等性能進行了對比分析，為我國航空機體球軸承標準體系建設工作提供一定的借鑒。

圖1 航空機體球軸承類型

1 標準體系分析

1.1 SAE標準體系分析

SAE標準是美國機動車工程師學會標準，包括轎車、飛機、材料及制造等標準。如圖2所示，SAE航空機體球軸承標準體系相對完善，包括了通用規(guī)范、產品標準、試驗方法標準等。目前美國的航空機體球軸承產品標準主要包含普通軸承鋼材料和不銹軸承鋼材料兩種系列產品標準，普通軸承鋼材料系列產品標準體系相對完善，按承載能力劃分，覆蓋了重載、中載、輕載和特輕載球軸承；按滾動體列數(shù)劃分，覆蓋了單列和雙列球軸承；按調心類型劃分，覆蓋了非調心、調心和外部調心球軸承；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品標準體系相對不太完善，只涉及部分產品標準。

圖2 SAE航空機體球軸承標準體系框圖

1.2 EN標準體系分析

EN標準是歐洲標準，是歐洲最主要的標準制定機構標準。如圖3所示，EN航空機體球軸承的標準體系也相對完善，包括了技術規(guī)范和系列產品標準等，雖然不具有獨立的試驗方法標準，但技術規(guī)范具有試驗方法附錄，雖然沒有專門的航空機體球軸承技術規(guī)范，但具有航空機體滾動軸承技術規(guī)范，此技術規(guī)范涉及的產品標準大部分為球軸承產品標準。

EN的產品標準中，主要包括了深溝球軸承和調心球軸承兩個系列。深溝球軸承系列產品標準針對每個直徑系列，分別給出了普通鋼制、普通鋼制鍍鎘和不銹鋼制三種類型軸承的產品標準，這些同直徑系列不同類型的產品標準的設置主要為滿足不同的使用需求。調心球軸承系列產品標準包括EN 3287～EN 3289、EN 4034。

1.3 SAE和EN標準體系對比分析

從標準組成看，SAE和EN的產品組成各有特點。其中SAE產品標準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產品標準中沒有，但EN產品標準包括法蘭式外圈的雙列自調心球軸承。EN產品標準按承載能力劃分只分為標準和輕載兩種系列軸承，直徑系列0和2為標準系列，直徑系列8和9為輕載系列。SAE產品標準不僅包括雙列自調心球軸承，也包括單列自調心球軸承和外部調心球軸承，而EN產品標準只包括雙列自調心球軸承，但EN產品標準將鋼制鍍鎘軸承單獨列為一類產品標準，明確指出了鍍鎘軸承的技術參數(shù)，與其他軸承進行區(qū)分，這更有利于鍍鎘軸承的科學合理使用。

圖3 EN航空機體球軸承標準體系框圖

2 標準技術內容分析

目前國內外較常使用的機體球軸承標準主要為AS 7949及其SAE產品標準、EN 3280及其EN產品標準，下面對這些常用的機體球軸承標準的主要的技術內容進行進一步的對比分析。

2.1 尺寸系列

從標準中可以看出，SAE系列產品的規(guī)格包含內徑為0.19 in到2.312 5 in共18個規(guī)格，相當于公制的內徑為5 mm～80 mm，EN的產品系列中包含內徑為5 mm～30 mm共10個規(guī)格。從產品規(guī)格看，SAE標準的產品系列多，尺寸范圍廣，最大可到80 mm。

2.2 材料

SAE和EN產品標準中材料及硬度的要求見表1。

表1 材料及硬度要求

美國的52100材料和歐洲的FE-PL31材料均對照于中國的GCr15材料，從對比可以看出，SAE和EN對于普通鋼材料和硬度的要求基本一致。

歐洲的FE-PM43材料均對照于中國的9Cr18材料，美國的440N材料是新開發(fā)材料，現(xiàn)還沒有中國材料與之對應，與歐洲的FE-PM43材料的主要區(qū)別是增加了氮元素，在過去的幾十年中，氮作為合金元素被用來提高鋼的性能變得越來越誘人。目前，各國已相繼開發(fā)出含氮不銹軸承鋼（如法國的XD15N、日本的ES1等）。美國采用1種在標準大氣壓下熔煉可使馬氏體不銹鋼的氮含量達到極限值的技術，開發(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HRC60，同時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噪音性能對于航空和計算機工業(yè)是非常有用的。

從對比可以看出，SAE和EN對于不銹鋼材料不一致，但對硬度的要求基本一致。

2.3 表面處理

SAE和EN產品標準中表面處理的相關要求見表2。

航空機體球軸承表面處理主要是為了使軸承具有防腐蝕性能。SAE產品標準根據(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、潤滑性好、附著力強等特點，同時環(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，對環(huán)境有污染，因此在一些國家禁止使用。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并沒有在產品標準中規(guī)定表面處理，但EN技術規(guī)范中規(guī)定了表面處理可參照軸承產品標準或相關設計文件，相應放寬了對機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

因為設計目的，SAE產品標準規(guī)定自調心角度不大于10°，但允許密封蠕變或移動所產生的較大角度?；谧哉{心球軸承功能的要求，EN產品標準規(guī)定自調心角度不小于6°?？梢奡AE和EN產品標準對自調心角度規(guī)定的區(qū)別，在自調心角度滿足實際使用需要的前提下，以上規(guī)定均合理。

SAE和EN產品標準中保證密封固定完好所規(guī)定的最大扭矩對比見圖4。

圖4 最大扭矩對比圖

從圖4可見，對于同規(guī)格軸承，EN產品標準規(guī)定的扭矩小于SAE產品標準規(guī)定的扭矩。對于同規(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 潤滑

軸承對滾動軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動等有著重要影響，沒有正常的潤滑，軸承就不能良好的工作。軸承的良好潤滑是減小軸承摩擦和磨損的有效措施。

SAE和EN產品標準中潤滑要求見表3。

SAE和EN產品標準規(guī)定的填脂量相同，填脂量的大小影響軸承潤滑效果，機體球軸承為低速擺動或旋轉的軸承，填脂量過小會導致軸承缺少潤滑劑，從而影響潤滑效果。SAE產品標準規(guī)定了潤滑劑所符合的標準，而EN產品標準規(guī)定了潤滑劑的性能，SAE規(guī)定的標準中對潤滑劑性能的規(guī)定與EN產品標準中的規(guī)定基本一致。

表3 潤滑要求

2.6 無載旋轉啟動力矩

無載旋轉啟動力矩是機體球軸承的一項重要參數(shù)，用于評價軸承的靈活性，圖5為SAE和EN主要系列軸承的無載旋轉啟動力矩對比圖。

圖5 無載旋轉啟動力矩對比圖

由圖5可見，SAE和EN產品在無載旋轉啟動力矩方面的要求存在著一定的差異。與EN產品標準相比，SAE產品標準規(guī)定的無載旋轉啟動力矩較大，并且隨著軸承規(guī)格的增大，啟動力矩值增加幅度也增大。這是由于軸承規(guī)格增加，啟動力矩半徑相應增大和摩擦力相應增大等因素共同作用的結果。

2.7 靜態(tài)承載能力

靜態(tài)承載能力是航空機體球軸承關鍵的技術參數(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算得出，徑向許用靜載荷計算如式（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軸承上，并使最大承載滾動體與內圈或外圈滾道接觸的薄弱處產生0.0001倍滾動體直徑永久變形的載荷。為了方便查閱，SAE和EN產品標準均直接給出了徑向和軸向許用靜載荷。

圖6 徑向許用靜載荷對比圖

圖7 軸向許用靜載荷對比圖

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

2.8 動態(tài)承載能力

動態(tài)承載能力是航空機體球軸承的一項重要性能，直接影響航空機體球軸承的壽命。SAE產品標準中針對內圈或外圈承載的兩種情況，分別規(guī)定了軸承的徑向動態(tài)承載能力，SAE產品標準規(guī)定的徑向額定動載荷為使軸承能成功進行10000次擺角為90°的循環(huán)擺動情況下所承受的載荷，圖8為內外圈承載情況下徑向額定動載荷對比圖。

圖8 徑向額定動載荷對比圖

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

EN產品標準并未對軸承的動態(tài)承載能力作任何規(guī)定。也許是因為產品標準編制人員認為航空機體球軸承使用工況為低速擺動，相信軸承制造商能生產和銷售滿足壽命要求的航空機體球軸承。但個人認為產品標準對軸承動態(tài)承載能力的規(guī)定是必要的。

3 結論

通過對SAE和EN機體球軸承產品標準的對比分析可以看出，兩者的技術體系和產品的技術水平基本一致。

在標準體系方面，SAE和EN的產品標準體系各有特點。但均包含深溝球軸承和調心球軸承，EN產品標準涉及鍍鎘軸承，SAE產品標準涉及單列調心軸承，分別滿足了使用的需求。

在軸承材料方面，SAE產品標準中的含氮不銹軸承鋼制軸承具有更好的硬度、耐蝕和無噪聲性能。

在無載旋轉啟動力矩方面，與EN產品標準相比，SAE產品標準規(guī)定的無載旋轉啟動力矩較大，可見SAE軸承的旋轉靈活性較差。

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產品標準的軸承靜態(tài)承載能力高于SAE產品標準的軸承。

在軸承的動態(tài)承載能力方面，SAE產品標準詳細規(guī)定了軸承的動態(tài)承載能力，而EN產品標準未對軸承的動態(tài)承載能力作任何規(guī)定。

通過對國外航空機體球軸承標準體系和產品標準的對比分析，對于開展我國航空機體球軸承標準體系建設工作，確定產品的尺寸、材料、表面處理、潤滑和機械性能等關鍵的技術參數(shù)，提高航空機體球軸承技術水平具有重要的參考價值。

（編輯：勞邊）

V229+.2 ，V26-65

C

1003–6660（2014）01–0052–05

[收修訂稿日期] 2013-10-10