国外航空自润滑关节轴承标准分析

杨 昆 林 晶

（1.中航重机股份有限公司，北京 100022；2.中航工业综合技术研究所，北京 100028）

自润滑关节轴承以其结构简单，自润滑，免维护等特点目前在我国航空型号中的应用越来越广泛。其组成及常见的结构形式如图1所示。根据工作频率的高低，自润滑关节轴承又分为低速重载自润滑关节轴承和高速轻载自润滑关节轴承。其中高速轻载自润滑关节轴承一般只在直升机旋翼系统中使用，而低速重载自润滑关节轴承的应用范围相对较广。

图1 自润滑关节轴承结构图

由于我国在该领域的研究起步较晚，与国外相比在技术上还存在着一定的差距，在标准体系的建设方面也有很大的差距，目前为止还没有形成完善的标准体系，尤其是在产品标准方面，还没有形成国内的航空自润滑关节轴承产品标准。

本文通过对目前国外主要的航空低速重载自润滑关节轴承产品标准的技术内容进行分析，为编制我国的航空低速自润滑关节轴承产品标准提供一定的借鉴。

1 标准体系分析

国外的航空低速自润滑关节轴承的标准体系相对比较完善，尤其以美国SAE的标准体系比较健全，图2所示，包括了产品规范、产品标准、试验方法标准等。其主要产品标准如表1所示。

表1 SAE自润滑关节轴承产品标准细目

从SAE的标准体系分析可以看出，目前美国的航空低速重载自润滑关节轴承主要包含一般产品系列，即AS14101～AS14104系列，这类产品为常用的航空低速自润滑关节轴承，分为宽系列和窄系列，其中又分外圈倒角和外圈带挤压沟槽的2种结构形式。另一大类为AS81820/1～AS81820/4系列，这类产品与AS14101系列产品的主要区别在于其内球孔上也粘结了自润滑衬垫，其它的结构形式基本一致，也分为宽、窄系列和外圈倒角和带挤压沟槽的结构形式。

图2 SAE自润滑关节轴承标准体系框图

欧洲的航空低速重载自润滑关节轴承的标准体系也相对较为完善，包括了产品规范和系列产品标准等，如图3所示。其主要产品标准如表2所示。

表2 EN自润滑关节轴承产品标准细目

图3 EN自润滑关节轴承标准体系框图

EN的产品标准中，主要包括了一般产品系列、减少启动力矩系列和英制系列。一般产品系列包括EN2584、EN2585和EN3048，这一系列轴承中按照结构的不同分为宽系列和窄系列以及轻系列，这些结构系列的设置主要为满足不同的使用需求，在同样的内径时，宽系列的结构尺寸最大，承载能力也相对较大，窄系列的相对较小，轻系列的最小，在这些结构形式中还可分为外圈倒角和带挤压沟槽的结构形式。减少启动力矩系包括EN4037～EN4040系列产品，这一系列产品中，与EN2584系列的主要区别为其旋转启动力矩降低，同时增加了内圈加宽的系列轴承EN4040。英制系列的包括EN4613、EN4614和EN6096，EN4613～4614与公制的EN2584～2585相对应，EN6096为内圈加宽的产品系列。

从标准组成看，SAE和EN的产品组成各有特点。其中SAE中包含了一类内圈带自润滑衬垫的产品，而EN中没有。但EN产品类别较多，除了一般系列外，还包括了减少启动力矩系列，而且有轻系列的产品以及内圈加宽系列的产品，这些产品在SAE中没有包括。

2 标准技术内容分析

目前国内外较常使用的航空低速重载自润滑关节轴承产品为AS14101～AS14104系列，EN2584～EN2585以及EN4037～EN4039系列的产品，下面针对这些常用的产品系列，对其标准的主要的技术内容进行进一步的对比分析。

2.1 尺寸系列

从标准中可以看出，SAE系列产品的产品规格包含内径为0.19 in到1 in共11个规格，相当于公制的内径5 mm～25 mm，EN的产品系列中包含5 mm～50 mm共14个规格。从产品规格看，EN标准的产品系列多，尺寸范围广，最大可到50 mm。

2.2 材料

SAE和EN产品标准中材料及硬度的要求见表3。

从对比可以看出，SAE和EN对于材料和硬度的要求基本一致。SAE中内球材料增加了PH13-8Mo,这种材料的抗冲击性能较好，可以在一些承受冲击载荷的部位选用。

表3 材料及硬度要求

2.3 粗糙度

SAE和EN产品标准中粗糙度的相关要求见表4。

表4 粗糙度要求

从对比可以看出，SAE和EN标准对轴承的表面粗糙度的要求基本一致。其中内球外表面是摩擦副表面，因此粗糙度要求较高。内球孔、内球侧面以及外圈外表面属于安装配合表面，因此也有较高的要求。

2.4 表面处理

SAE和EN产品标准中表面处理的相关要求见表5。

表5 表面处理要求

自润滑关节轴承外圈的表面处理主要是针对轴承有防腐蚀性能要求时，内球的表面处理除了考虑防腐蚀性能要求外，还需要考虑其摩擦学性能，因为内球是摩擦副的一部分。

从对比中可以看出，SAE和EN标准在轴承的表面处理方法存在着一定的差异。在外圈的表面处理方面，SAE规定了镀铬和镀锌镍，其中镀镉有耐腐蚀性好、氢脆性小、润滑性好、附着力强等特点，但由于镉属于重金属，对环境有污染，因此在一些国家禁止使用。镀锌镍在防腐蚀等方面的性能与镀镉的性能相近，同时环境污染较小，因此可以替代镀镉。EN标准中规定有要求时进行镀铬处理。镀铬的工艺较为成熟，是一种常用的表面处理方法，其镀层硬度高，耐磨性好，同时也有一定的耐腐蚀性能。

内球的表面处理中，考虑到耐腐蚀和摩擦学性能的要求，SAE规定了表面钝化和镀铬，表面钝化是不锈钢常用的一种表面处理方法，具有一定的耐腐蚀性能。镀铬对摩擦磨损性能也有一定的改善。EN标准中，内球的表面处理只规定了镀铬。

2.5 径向静态承载能力

自润滑关节轴承的静态承载能力是其关键的技术参数，包括径向和轴向极限载荷要求。轴承一般按照单位面积上的承载能力来设计的，承载面积为径向的投影面积。

单位面积的径向静载荷的计算如式（1）所示，

式中：

Pr——单位面积的径向静载荷，MPa；

Cr——额定径向静载荷，N；

D——内球的直径，mm；

h——最小衬垫厚度，即外圈宽度减去衬垫缩进的距离，mm。

按照式（1）计算了几个系列轴承的单位面积径向静载荷，结果如图4所示。

图4 单位面积径向静载荷对比

从图4中可以看出，SAE和EN的产品标准中，轴承的单位径向载荷水平基本一致。尤其是规格8 mm以上的产品，非常接近，都在450 MPa左右。AS14102的0.19 in和0.25 in 2个小规格的轴承载荷水平相对较低，只有268MPa。

2.6 轴向静态承载能力

按照上述的方法分析了单位面积的轴向载荷，单位面积的轴向静载荷的计算如式（2）所示：

式中：

Pa——单位面积的轴向静载荷，MPa；

Ca——额定轴向静载荷，N；

h——最小衬垫厚度，mm。

各系列轴承的单位面积轴向静载荷如图5所示。

图5 单位面积轴向静载荷对比

从图5中可以看出，SAE和EN的产品标准中，轴承单位面积轴向载荷水平基本一致。都在200 MPa左右。AS14101的0.19 in小规格的轴承载荷水平相对较低，只有50 MPa。

2.7 径向动态承载能力

单位面积的径向动载荷计算公式如式（3）所示：

式中：

Pd——单位面积的径向动载荷，MPa；

Cd——额定径向静载荷，N；

D——内球的直径，mm；

h——最小衬垫厚度，mm。

各系列轴承的单位面积径向动载荷如图6所示。

图6 单位面积径向动载荷

从图6中可以看出，SAE和EN产品的单位面积径向动载荷水平基本一致。在规格8 mm～22 mm时，载荷水平较高，在270 MPa左右，25 mm～50 mm时的动载荷水平在230 MPa左右，有所降低。AS14101的规格为0.19 in的轴承载荷水平较低，只有160 MPa。由于额定动载荷是自润滑关节轴承的重要技术指标，是轴承研制和使用中主要关注的参数之一。从SAE和EN产品的分析结果可以看出，两者在技术水平上基本一致。

2.8 无载旋转启动力矩

无载旋转启动力矩是自润滑关节轴承的一项重要参数，用于评价轴承的灵活性，表6和表7为SAE和EN主要系列轴承的无载旋转启动力矩。

从表中的数据可以看出，SAE和EN产品在无载旋转启动力矩方面的要求存在着一定的差异。SAE的产品系列与EN2584的产品系列相近规格轴承的无载旋转启动力矩要求相近，力矩的上限要求基本一致，但下限要求SAE相对较小，因此其力矩的范围要求相对较宽。EN中的减少启动力矩系列的无载启动力矩比较小，其力矩的上下限要求都明显小于一般产品的要求。

表6 SAE标准无载旋转启动力矩要求

表7 EN标准无载旋转启动力矩要求

3 结论

通过对SAE和EN 航空低速重载自润滑关节轴承产品标准的分析可以看出，两者的技术体系和 产品的技术水平基本一致。EN的产品规格相对较多，涵盖了内径5mm～50mm的系列产品。且具有一般启动力矩和低启动力矩2个系列的产品，更好地满足了使用的需求。从对轴承的承载能力水平的分析可以看出，SAE和EN 自润滑关节轴承产品的技术水平一致，没有很大的差别。

通过对国外自润滑关节轴承产品标准的分析，对于开展我国航空自润滑关节轴承产品标准的编制，确定产品的尺寸结构、材料、热表处理、机械性能等关键的技术参数具有重要的参考价值。