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借着轴承话题，聊一些曾经见过的和读到的，总结一下自己的理解，顺便看看自己到了哪一层。大家有疑问或见解，欢迎补充，互相学习。
前段时间在交叉看各基础件的寿命计算，也追踪到了轴承。B10寿命多少小时？有标准计算公式，在这个基础上应用厂家根据积累的数据加以修正，算出寿命，再跟SFK，NSK等轴承厂的计算做对比。比如某个具体项目用SKF的轴承，提供应用工况数据后，SKF给出完整的轴承方案，包括前后轴承外形图，各工况循环下的寿命预测；也有赫兹应力分布图，内圈和外圈受力一目了然。应用厂家参考大量项目中SKF，NSK，koyo的这些计算，综合积累的应用数据，验证数据，形成一套自己的评估方法，再给整机厂提供寿命预测和质保。
这种常规应用，有足够的富裕度，有大量的应用数据，按流程评估就好。
复杂应用，极限工况的应用，仅仅评估赫兹应力这些常规参数就不够了，需要详细的评估接触。接触区，当放大了来看，实际是两个面波峰高点接触，波谷低点存油。一方面是应力状态，一方面是润滑状态，交汇在一起。比如应力状态，赫兹应力只是一个单纯的平均应力，实际在不同的截面上，有不同的应力，在不同的深度上，有不同大小的切应力，是一个应力场，切出一个单元体，列出应力张量，算出最大主应力，沿深度的主切应力。如果有滑移，无论宏观还是微观，又会歪曲这个应力场。
到了这里轴承，齿轮，凸轮是一回事了。
材料和热处理不足以承受这个主应力和主切应力的时候，可以从工艺上给预先箍一个负应力场，中和掉一部分大负载下的极限应力，把应力幅值拉回到材料能承受的区间。强力滚压，虽没具体接触过，肯定也是这个原理，类似还有弹簧的塑性热固，表面喷丸，高压管内壁的预压胀，都是形成一个残余应力。滚压参数一定挺复杂，表面本身已经很硬了，再去滚，用多大直径的滚轮，多大的压力，中间怎么撑住，圆度偏差多少。滚后测残余应力，标出各深度处的大小，X光衍射法，方向有要求。工艺要调好多轮，最后做验证实验。前期不妨做快速对比实验，滚压和不滚压的，不同滚压参数的内圈，放同一炉子里回火，硬度软化下来了，组装成对，跑中高强度载荷实验，很快就跑出失效时间了。
除去滚压，抛丸也是一种办法，也是要先磨削，再喷丸粒，控制大小，弧深，覆盖率。要回火, 研磨, 谬级的去处量。
改变应力状态的方法还有一些，比如表面渗氮薄薄的一层，设计log坐标的桶形滚子，提高两接触曲面轴线的平行度。另外，凸轮环热装到光轴上，内圈被胀大，对接触面的应力状态也有影响。这些，每一个展开看都有挺复杂内容的。
另一个影响很大的因素就是滑移了，直接形成一个剪切力，极大的扭曲应力状态。相比于轴承，凸轮的滚子是一直在做加减速运动的，设计之初，就要评估角加速度，这个运动学计算就挺复杂，滚子和凸轮接触点不在旋转中心连线上，而是在曲率中心连线上，而轮廓每个位置曲率都是变化的。有了角加速度就有了惯性扭矩。当凸轮给滚子的牵引扭矩克服不了惯性扭矩的时候，就滑移了，这是决定了凸轮不能像轴承那样轻松上万转的一个因素，另一个因素是弹簧，都与惯性有关。
怎么直接测量滚子的宏观滑移？可以用编码器。滚子侧面镶磁铁，用磁敏传感器测转速。不过有两个问题，一个是做不到完全同心，采集到的转速有噪音。这时构造一个正弦波，把这个噪音中和掉，别的不敢乱说，单是构造机械曲线的水平还算过关的。把测得的转速曲线与理论转速曲线对比，标出哪些位置有错位，突跳，再去分析原因。另一个问题是分辨率，转速一高，读取的数据就糊了，虽然凸轮转速不高，但是滚子是能轻松上2万转的，再寻求高分辨率的模拟编码器，数据处理逻辑也改变了。滑移还有微观的，接触区域微小的线速度不同步，这个没法直接测，只能根据失效面或振动数据推测。
既要提供给滚子足够的牵引扭矩，还要防止微观应力集中，波谷存油润滑，这决定了表面粗糙度是一个区间要求。要控制Ra, Rt, Rpk, Rvk一系列参数，也考验工艺和过程能力。高精度场合，测量方法也需要确定好，怎么滤波，取样长度，带不带max都影响最终的评定结果。同样对于直径尺寸，最小二乘法，外接圆/内切圆拟合出来的数值也都有差异。
两接触面的综合粗糙度值，对比油膜厚度，决定了这个接触的润滑状态。有油楔，有转速，肯定就有油膜，哪怕非常非常薄。这就到了接触的另一个话题，润滑状态。
对于油膜和润滑，最典型的是另外一种轴承，滑动轴承。滚子和轴承外圈的配合，内接触的凸轮环和滚子，都类似于滑动轴承，只不过滚动体直径非常小。凸轮从动件那个挺柱体上的滚子就是一种滑动轴承，滚子套在销轴上转动，这在发动机上有应用，SKF，伊顿都供小总成。当然，最终是自己设计，外协加工再回来组装，关键部件不受制于人。凸轮对滚子的驱动扭矩除了要克服滚子的惯性扭矩，还要克服滚子-销轴这对滑动轴承组合的摩擦扭矩。
这要预先知道摩擦力，或者摩擦系数。而摩擦系数跟润滑状态有关，这就到了滑动轴承那个著名的摩擦因数-润滑状态曲线了。两接触面刚对刚接触，是边界润滑，油楔压力把两接触面顶开，形成一层油膜，油膜足够厚，是油膜润滑，而表面高点接触则是混合润滑，看具体的膜厚和接触表面综合粗糙度的比值来划分。最终要的是摩擦因数-滚子转速的曲线，需要实测得到，设计很巧妙的受力结构，采集到力和转速，再转化成摩擦因数。
啰嗦了这么些，其实还是绕回到凸轮滚子打滑，不过是又引入了从动件端滚子-销轴这个滑动轴承的摩擦扭矩。这样，凸轮对滚子滚动的驱动扭矩需要大于滚子惯性扭矩＋滚子销轴的摩擦扭矩。才能预测是不是打滑，很复杂的计算。好在不同应用挺柱体不经常变，而凸轮轮廓一般要新设计，新轮廓套入上面流程算一遍，得到了滑移的安全裕度。
当然，最典型的滑动轴承还是在轴的两端做支撑的类型。不同于滚动轴承评估接触应力和寿命，而滑动轴承讲究在正常工况下油膜润滑，要解雷诺方程，算这个油膜。这是个二阶偏微分方程，只有数值解，具体不啰嗦了，有大量文献，也可以查表，根据黏度温度转速负载还有自身尺寸参数，最终得到的是最小膜厚，压力梯度，偏转角度。
如果极限工况下就是达不到油膜润滑，还可以用自润滑轴承。外层钢背，中间层是铜合金，内层是PEEK或者PTFE，不同材质对负载，温度的敏感度不同，厂家会提供性能对比雷达图。如果要更严格的前后轴承同轴度，可以把PEEK层做厚，装配后再加工到内径尺寸。就能遇到GGB，Daido, 包括圣戈班还有国内大大小小的厂家。各家都有自己的工艺，核心是聚合物的配方，大厂一般在国外配好再发国内，圣戈班更是把聚合物层做好，发国内热压。头部厂家能计算油膜，国内的基本只懂加工制造。好的自然贵，人家把能承受的最小膜厚，验证数据都提供给你。最终，还是要装到自己的设备上做验证。
滚动轴承的膜厚，是另一套算法，有点像经验公式。滚子半径很小，又是外接触，难以达到油膜润滑，接触应力还是赫兹理论占主导。不过油膜对应力状态是有影响的，这是EHD的范畴了，目前追究的不深。 |
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