国外关于轴承减振动降噪的技术措施

时间：2010-12-20

国外关于轴承减振动降噪的技术措施
　　1、轴承减振降噪的技术措施
　　以下所述及的减振降噪技术措施主要针对最为量大面广的低振动低噪声轴承——深沟球轴承，其它类型的轴承也可参考采用。
　　
A、提高轴承套圈沟道的圆度、波纹度、粗糙度和沟形偏差精度水平。例如对中小型深沟球轴承，圆度一般应控制在0.5μm以下，棱数一般应控制在15个以上；波纹度一般应控制在0.3μm以下，粗糙度Ra一般应控制在0.1μm以下。
　
　B、采用波纹度、粗糙度和球形偏差等均较好且经表面强化处理的高精度钢球。例如NSK用于计算机HDD的钢球，波纹度从以前的0.05μm降至现在的0.008μm，粗糙度Ra从以前的0.004μm降至现在的0.001μm。
　　
C、采用塑料保持架。塑料保持架轴承较冲压保持架轴承，不仅振动噪声低，而且振动噪声寿命长。在NSK目前生产的以低噪声轴承为主的深沟球轴承中，内径d≤10mm的轴承，采用塑料保持架约占70%，内径d>10mm的轴承，约占20%，典型应用领域为汽车发电机、空调器风扇电机、录象机驱动主轴、计算机HDD和汽车轮毂等。
　　
D、采用兜孔形状为真圆、兜孔间隙较小、板宽尺寸较大的冲压保持架。
　　
E、采用外径尺寸与形状严加控制的密封圈或防尘盖，以防外圈变形。
　　
F、严格控制对轴承振动噪声有影响的尺寸公差离散度，如内外径、内外沟径、钢球规值和轴承游隙等。
　　
G、严格控制轴承零件工作表面的磕碰伤、划伤、锈蚀和毛刺等缺陷。
　　
H、内外套圈采用不同的沟曲率半径。
　　
I、采用较小的径向游隙。例如，电机轴承应采用CM（电机轴承专用）游隙。
　　
J、对轴承施加预载荷。
　　
K、加大轴承套圈壁厚（减振效果明显，降噪效果一般）。
　　
L、改变滚动体数目，以使轴承的固有频率发生变化，从而避免与系统产生共振现象。
　　
M、提高轴承的清洁度。
　　
N、采用低振动低噪声润滑脂。如NSK采用NS7、NSA、NSC和AV2等润滑脂；SKF采用MT47、MT33、VT105、LHT23和HT51等润滑脂；KOYO采用KNG144、KAM5、KVA和CITRUS2等润滑脂。其中NSK所用主要润滑脂的特性见表8。

表8
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润滑脂牌号 NS7 NSC AV2
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基础油酯酯+醚矿物油
动粘度40℃ 26 53 130
（eSt）100℃ 5.1 8.3 10.3
增稠剂锂基锂基锂基

稠度 245 239 273
滴点（℃） 192 192 182
使用温度（℃）-40~+140 -40~+130 -10~+110
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O、采用FFT（Fast Fourrier Transformation——快速傅里叶变换）频谱分析技术。
　　
P、选用与轴和轴承座合适的配合公差。例如，对于空调器轴承，与轴的配合的可选用js5，与轴承座的配合可选用H6、H7或JS6、JS7；对于吸尘器轴承，与轴的配合可选用j7，与轴承座的配合可选用H6、H7等。
　　
2、轴承异音的检测
　　轴承异音即轴承异常噪声，主要是由轴承工作表面缺陷、润滑剂中污物及预载过大而转速过低时的磨擦自振等原因所致。
　　
轴承异音的检测目前仍以人工听觉的经验判断为主，同时也采用一些专用仪器。由于异音主要是由人的生理心理感觉而决定，因此，即使采用仪器检测，也不能完全代替人工听觉判断。最好的办法，也许只有两者兼而用之。
　　
采用仪器检测轴承异音，一般做法是控制轴承振动的最大峰值、波峰因数（或波峰因子）及脉冲计数。RHP公司将最大峰值的限值定为有效值的4倍，也即波峰因数为4，当超过该限值的脉冲计数少于超过有效值的峰值的脉冲计数的3%时，即认为轴承是无异音的。大量的实验也表明，正常轴承的波峰因数值为3~5，有异音的轴承为6~10，严重者可达10以上。
　　
另外，还有采用峭度系数、频谱分析、包络频率分析和声强测量等方法来检测和分析轴承异音的。
　　
四、总结
　　1、滚动轴承的振动与噪声已成为轴承的基本性能之一，各轴承工业发达国家无不给予高度重视，进行了大量、深入与系统的研究，并取得了十分丰富的成果。低振动低噪声轴承的实物质量水平，以日本等著名轴承公司的产品为代表，现已达到相当高的程度。
　　
2、轴承振动测量主要采用振动速度和加速度，轴承噪声测量主要采用噪声声压级，从发展趋势看，振动速度和噪声声压级将成为轴承振动与噪声测量的主要的物理量。
　　
3、滚动轴承的振动与噪声是一个复杂的随机物理现象。迄今为止，有关轴承振动与噪声的理论，仍是公认的尚不成熟的轴承基础理论之一；有关低振动低噪声轴承技术的研究与开发，仍是国际轴承工业界的热点问题之一。随着现代科技水平的提高，低振动低噪声轴承的技术发展将会不断达到新的阶段。

二、轴承振动与噪声的国际标准和国外先进标准
　　1、国际标准ISO/CD15242-1
　　关于轴承振动与噪声，ISO至今尚无正式标准，但以ISO/TC4 N1235文件的形式，于2000年1月颁布了最新版本的标准草案ISO/CD 15242-1《滚动轴承-振动测量方法该标准草案适用范围为向心球轴承、推力球轴承、向心滚子轴承和推力滚子轴承，提及的测量物理量有振动位移、速度和加速度，但主要推荐的振动速度，对径向和角接触轴承频率范围：5Hz~300Hz、300Hz~1800Hz和1800Hz~10000Hz三个频段。
　　
2、日本国家标准JIS B1548
　　
日本国家标准JIS B1548-1995《滚动轴承声压级测量方法》首次制定于1960年，修订于1976年1995年。
　　
该标准适用范围为深沟球轴承、角接触球轴承和圆锥滚子轴承，测量物理量为噪声声压级，采用标准规定的声压计或具有同等综合功能的仪器在消声室来测量轴承的噪声。测量方法中的主要内容见表4。

表4
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轴承外径D（mm）测量转速深沟球轴承角接触球轴承圆锥滚子轴承
超过到（r/min）传声器距离轴向载荷传声器距离轴向载荷
（mm）（N）（mm）（N）
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- 30（不包括30） 3600 50 10 - -
30 50 1800 70 20 100 40
50 80 1800 100 40 100 40
80 120 1800 100 40 100 80
120 180 1200 150 80 150 80
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3、美国国家标准ANSI/AFBMA Std.13美国国家标准即减摩轴承制造商协会标准ANSI/AFBMA Std.13-1987(R1993)《滚动轴承振动与噪声（测量方法）》首次制定于1970年，修订于1987年和1993年。
　　
该标准适用范围为非仪器球轴承和仪器球轴承，其中非仪器球轴承的振动测量方法主要内容是，测量物理量；振动速度，均方根值；频率范围；5Hz~300Hz、300Hz~1800Hz和1800Hz~10000Hz三个阶段；测量转速1800r/min±2%；测量载荷：见表5。

表5
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轴承内径d(mm) 轴向载荷（N/lb）
超过到径向接触球轴承角接触球轴承
10°22°
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5 10 22.2/5 31.1/7 44.5/10
10 25 66.7/15 89.0/20 111.2/25
25 75 111.2/25 155.7/35 177.9/40
75 130 222.4/50 311.4/70 444.8/100
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4、德国国家标准DIN 5426-1
　　德国国家标准DIN5426-1：1995《滚动轴承-滚动轴承运转噪声-第一部分：固体声测量方法》，主要适用范围为深沟球轴承，测量物理量：振动速度或加速度，均方根值；频率范围：见表6；测量转速：当轴承内径d=1~8mm时为3000r/min±2%，当d=1~8mm时为1800r/min± 2%（d=8~20mm，允许采用两种转速）；测量载荷

见表7。
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加速度速度
一个频段二个频段三个频段
频率下限频率上限频率下限频率上限频率下限频率上限
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fL fH fL fH fL fH
56 2800 450 1400 50 300
1400 4500 300 1800
1800 10000
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　　注：当加速度传感器测头的运动质量m≥10g时，选用一个频段；m<10g时，选用二个频段

表7
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轴承内径d(mm) 轴向载荷（N）
超过到 ±10%
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1 5 10
5 10 20
10 18 50
18 30 100
30 50 220
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　　5、其他国家标准
　　其他有关轴承振动与噪声的国家标准还有俄罗斯、波兰和捷克等国的国家标准。
国外关于滚动轴承振动与噪声技术的研究，早在1933年就已在欧洲开始，当时的研究目的主要是为了在电机中以滚动轴承替代滑动轴承。1940年前后，尤其是1945年即第二次世界大战结束以后，随着轴承主要由军工需求转向民用市场，日本开始对轴承的振动与噪声进行系统的研究，并于1960年制定了世界上第一个有关轴承噪声的国家标准JISB1548《滚动轴承声压级测量方法》。1950年以后，美国主要从国防角度出发，在海军的支持下，开始对轴承的振动与噪声进行系统的研究，其在1954年制定的美国军用标准MIL-B-17931《船舰技术条件》，对世界范围内的低振动低噪声轴承的技术发展，具有广泛的影响力。轴承工业发达国家开始批量且稳定地生产低噪声轴承，则是在1965年左右，随着轴承生产装备的机械化和自动化程度的不断提高、制造工艺的不断改进而实现的。1980年左右，低振动低噪声轴承的生产基本上形成了普及态势。
　　
从研究低振动低噪声轴承的技术路线来看，日本对轴承噪声的研究早于对轴承振动的研究，而且一直比较侧重于对轴承噪声的研究。大约在1970年以后，才开始在批量生产中采用振动测量方法：而欧美则一直偏重于对轴承振动——即轴承噪声产生的原因进行研究。
　　
从低振动低噪声轴承的加工工艺改进历程来看，首先是“以超代抛”——即以超精工艺代替抛光工艺的实现，其使得轴承沟道的波纹度和粗糙度水平改善了50%；继而是轴承清洗新工艺（如超声波清洗）采用和钢球质量水平的不断提高；再后是采用系列化的低振动低噪声润滑脂；最近已进入到不断改善保持架质量水平方面。当今的低振动低噪声轴承，则必须采用磨削、超精、清洗和装配等综合工艺以及高质量的钢球、保持架和润滑脂等配套零件来实现，而机械化、自动化以及专业化则是批量且稳定生产的前提与基础。
　　
从低振动低噪声轴承的技术水平来看，日本NSK、NTN、KOYO等公司的产品一直处于国际领先水平，其中尤以NSK公司最具代表性，例如其已推出了“静音”与“超静音” 轴承，并自豪地将NSK关于“球轴承噪声与振动的研究”称之为“世界水平的成就”，目前的产品与1980年左右的产品相比，振动水平约降低了50%；瑞典SKF和德国FAG等公司的产品处于国际先进水平，与日本等公司的产品略有差距。
　　
一、国外著名轴承公司对低振动低噪声轴承的研究
　　1、NSK公司
　　NSK的轴承噪声（振动）等级分为4级，即：标准、E、ER和EF级。对于电机轴承，则采用MC、MCR和MCF级。ER（MCR）级轴承即为“静音” 轴承，EF（MCF）级轴承即为“超静音” 轴承。

NSK不同噪声（振动）等级轴承的典型用途见表1，其所对应的轴承公差等级一般均为P0级。

表1
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噪声（振动）等级代号典型用途
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标准汽车发电机、洗衣机、摩托车
E 洗衣机、摩托车、吸尘器、抽油烟机、电动工具
ER（MCR）空调器、洗衣机、吸尘器
EF（MCF）空调器
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　　NSK在生产中采用安德鲁测振仪检查轴承的振动及异音。其目前实物水平，以“静音”级的6201CMR 轴承实测值为例，振动加速度级约为27dB，振动速度约为：低频段22μm/s、中频段16μm/s、高频段8μm/s。
　　
NSK对低振动低噪声轴承的研究，现已发展到保持加噪声产生机理分析、振动噪声长寿命化技术、NRRO（Non Repeatable run Out——非重复性旋转精度）评价系统和轴承异音分析系统等精深阶段。
　　
2、SKF公司
　　SKF的轴承振动等级分为7级，即：普通、Q5、Q6、Q05、Q55和Q66级，其含义见表2。对于电机轴承，则采用QE5和QE6级。

表2
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振动等级代号含义
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普通级
Q5 振动平均值低于普通级
Q6 振动平均值低
Q05 振动峰值低于普通级
Q06 振动峰值极低
Q55 Q5+Q05
Q66 Q6+Q06
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　SKF在生产中采用VKL型测振仪检查轴承的振动及异音。
　　SKF最近采用的深沟球轴承NQS（New Quality Standard——新质量标准）见表3，适用的轴承型号为607~6026、1607~16026、626~6222、6300~6319和6403~6416，其中最引人注意的是对EQ5级电机轴承，需同时加轴向载荷和偏心载荷进行振动测量。

表3
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轴承外径D（mm）振动等级尺寸公差旋转精度
超过到
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52 QE5 P6 P5
52 110 Q55 P6 P6
110 200 Q66 P6 P0
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注：测量载荷——对QE5级轴承，同时加轴向载荷和偏心载荷；
对Q55和Q66级轴承，仅加轴向载荷。
测量转速——对D≤100mm的轴承，n=1800r/min；对D>100mm
的轴承，n=700r/min。
　　3、其他公司　　
FAG公司在1980年出版的轴承样本中，就将原代表低噪声轴承的后置代号“G”取消，其意义在于表明低振动低噪声已成为轴承的基本质量要求，无须再另行标志；Steyr公司交轴承振动等级分为3级，即：Q0、Q6和Q5级；原英国RHP和美国Federal-Mogul等公司都制定有轴承振动标准。