手持式电动工具用轴承性能浅析

张永恩方承志宋贵州李兴林

（1.博世电动工具(中国) 有限公司 杭州 310052 2.杭州轴承试验研究中心 博士后工作站 杭州 310022）

手持式电动工具用轴承性能浅析

张永恩1方承志1宋贵州1李兴林2

（1.博世电动工具(中国) 有限公司 杭州 310052 2.杭州轴承试验研究中心 博士后工作站 杭州 310022）

摘要以深沟球轴承为代表，在不考虑工具装配等因素的前提下，结合电动工具安全标准的相关章节，讨论并分析手持式电动工具用滚动轴承的主要性能和要求，可供设计选用和质量评价时参考。

关键词轴承 性能 要求 安全标准

0　引言

滚动轴承（下称“轴承”）作为功能零部件，广泛应用于手持式电动工具（下称“电动工具”）行业，其中又以深沟球轴承使用量最大，并呈现出高转速、使用环境相对恶劣的特点。有研究表明，绝缘系统和轴承是导致电动工具故障比例较高的零部件。绝缘属电气安全问题，很早便引起了人们的关注，随着绝缘技术的发展，其性能得到大幅改进。而根据调研，在轴承产品的尺寸偏差与旋转精度均符合标准的情况下，源于轴承的问题已占据产品质量反馈的相当比重而显得越发突出，如图1严重漏脂和图2疲劳失效现象。

图1　轴承漏脂

图2　轴承保持架疲劳失效

本文以深沟球轴承为代表，在不考虑工具装配等因素的前提下，结合安全标准的相关章节，介绍电动工具用轴承几项重要的、影响整机质量水平的工作性能及要求。

1　密封性能

根据设计需求，电动工具常采用两面带有密封圈或防尘盖的密封球轴承，此时，须考虑其密封性能。密封性能主要包括轴承的防尘、漏脂和温升性能，JB/T 8571-2008《滚动轴承 密封深沟球轴承防尘、漏脂、温升性能试验规程》（以下简称“JB/T 8571-2008”）规定了其检测方法和限值。密封圈或防尘盖的结构和材料对密封性能影响很大，对轴承是否能正常运转至关重要。带密封圈深沟球轴承判定标准因接触形式不同而有差别， 接触式密封深沟球轴承防尘及防漏脂性能俱佳，但温升较高；非接触式密封深沟球轴承防尘及防漏脂性能欠佳，但温升较低。

1.1防尘性能

防尘性能是指在密封球轴承运转的过程中防止外界灰尘侵入轴承内腔的能力。

碳刷磨损而形成的碳粉随着风扇的作用，可能会充斥电动工具机壳内各个部位。极端恶劣工作场合时，环境中细微的粉尘、锯末、水汽或铁屑等也都会进入工具中。若轴承的防尘性能不好，这些微小的粉尘颗粒较易进入轴承内部，污染润滑脂，从而影响润滑性能和使用寿命，严重时则导致轴承的早期失效。

JB/T 8571-2008规定接触式密封轴承灰尘侵入量≤16 000个/cm3，非接触式密封轴承灰尘侵入量≤80 000个/cm3。

1.2漏脂性能

漏脂性能是指在密封球轴承运转过程中，防止轴承腔内润滑脂泄漏到轴承外部的性能。润滑脂被称为轴承的第五大元件。轴承的可靠运行，必须依赖充分润滑以防止滚动体、滚道和保持架之间的金属直接接触。若漏脂严重，则会导致润滑不良而直接影响轴承的温升、振动、噪声、摩擦力矩和使用寿命等工作性能。

自从明治文明开化以来，西方的各种思想也进入了日本，西方的利己主义和本位主义也随之来到日本。从藤尾的行为来看，她遭到了这个主义的侵害。而且，因为这个主义是她悲剧结局的根源。

国家标准GB 3883.1-2008《手持式电动工具的安全 第一部分 通用要求》21.14规定“工具的结构通常不应使内部布线、绕组、换向器、滑环等类似零件以及一般绝缘与油脂或其他类似物质相接触”，除齿轮箱外，轴承的漏脂性能也与此密切相关。

轴承被认为是不可拆卸零件，一旦装配就不可再补充润滑，明显漏脂会影响轴承性能和工具的电气安全，是不允许的。当然，过度润滑也是不利的。

JB/T 8571-2008规定接触式密封轴承漏脂率≤5%，非接触式密封轴承漏脂率≤10%。

1.3温升性能

温升性能是指轴承在运转过程中其外圈表面最高温度高出环境温度的程度。GB 3883.1-2008第12章温升试验规定了电动工具各部位的温升限值，考虑对绝缘的影响和热伤害。JB/T 8571-2008规定接触式密封轴承温升≤55℃；非接触式密封轴承温升≤45℃。对于密封轴承，其寿命还取决于润滑脂寿命等因素，而温升对润滑脂寿命有相当大的影响。另外，温度上升意味着润滑脂粘度降低，使得油膜形成困难，从而导致更大的摩擦，温度更高。与此同时轴承的工作游隙因内外圈温度差增加而减小，最终可能导致轴承卡死。考虑到轴承的失效会导致绝缘损坏而影响工具的安全，笔者认为有必要检测密封轴承外圈的温升情况。

2　振动与噪声性能

轴承振动是指轴承在运转过程中，除轴承零件间的一些固有的、由功能所要求的运动以外其他一切偏离理想位置的运动。由振动产生的机械波向空间辐射，振动能量转换成压力波，经空气介质再传播出去即为声辐射。其中，20 Hz～20 000 Hz部分为人耳可接收到的，即为轴承噪声。轴承的振动与噪声对整机的工作性能有着重要影响。噪声测量一般需在消音室或半消音室内进行，但其建造成本高且不能用于现场测试，而振动测试则相对易于实现。多数国家一般通过控制振动来间接控制噪声，而不直接涉及噪声问题。考核量可分为振动速度和振动加速度，优先选用前者，它们的有效值和峰值的限值均有相应标准规定，超出即为不合格。

以内径为8 mm的深沟球轴承为例：振动速度的要求见表1，V组为最低要求，低频带(50 Hz～300 Hz)、中频带(300 Hz～1 800 Hz)和高频带(1 800 Hz～10 000 Hz)振动速度有效值≤130 μm/s、96 μm/s和80 μm/s；振动加速度要求见表2，Z组为最低要求，通频带(50 Hz～10 000 Hz)振动加速度级≤39 dB(A)。VP和ZP则是在满足相应V组的限值基础上对峰值的要求，常用于更高水平的约定验收。

表1　深沟球轴承振动（速度）限值和振动（速度）峰值限值 单位：μm/s

表2　深沟球轴承振动加速度级限值和振动加速度级峰值限值 单位：d B(A)

3　寿命及其可靠性

轴承的寿命是轴承质量的综合反映，通常指疲劳寿命，即主要部件出现疲劳之前的转数或时间。广义上也明确了限值的磨损、振动、噪音等性能寿命。产品的可靠性则是指产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。轴承行业已制订实施相关的评测标准并取得了显著成效。寿命是基于一定的可靠性前提而言的，所以，滚动轴承的寿命及可靠性密不可分。

作为一个串联的机电系统，电动工具寿命及其可靠性受制于某个最薄弱的零部件。当轴承失效时，会出现摩擦力矩增大、堵转等现象并导致绝缘损坏甚至烧机现象，严重影响电动工具的安全和性能。在实践中，轴承各部件疲劳失效是最常见的形式。理想情况下轴承应与其他部件做到同寿设计，以达到技术性和经济性的良好结合。但实际上，整机或轴承的寿命都具有相当大离散性，只能以统计学的方式预计。进行试验评价时，对于球轴承，L10t/L10≥1.4为合格，其中L10t指基本额定寿命的试验值，L10指基本额定寿命。

4　选用与设计

为保证轴承与整机有相同的（尽可能）使用寿命，除正确选用合适的轴承外，应特别注意轴承内/外圈与之相接触的机轴/轴承腔配合形式的选择与尺寸精度的控制。如配合选择过紧，会引起轴承游隙的变化，额外增加各种附加力矩，导致早期失效。若外圈与轴承腔配合过松，会导致外圈与轴承腔的相对运动，除轴承温升急剧升高外，还会引起轴承腔（多为铝合金/铝镁合金/塑料等材料）的早期磨损失圆，进而导致整机失效，工程实践中俗称“走外圆”。这两种极端情况，在工程实践中大量存在。因此，设计人员必须对轴承内/外圈的配合形式及尺寸精度加以正确设计和控制，确保轴承在其全生命周期内不过早失效。

GB 3883.1-2008第11章要求“电动工具的额定输入功率或电流应至少为空载输入功率或电流的110%”。即电动工具在空转时，包括轴承在内的各部件的摩擦力矩不能过大。一般情况下，此条易于满足。

IECEE的263号CTL决议规定：即使是有接地的I类工具，易触及的电机轴与电枢绕组和换向器也要由基本绝缘隔离变为双重绝缘或加强绝缘隔离（II类结构）。如此规定是因为通过轴承与接地外壳的连接被认为不是永久和可靠的连接，即考虑到油膜或游隙的存在，不认为轴承是可靠的导体。

5　结语

轴承作为实现电动工具功能设计的重要零部件，除了旋转精度、尺寸精度和游隙等指标需满足要求外，在正确选用和成本关注的基础上，电动工具制造企业应重视轴承的密封、振动与噪音、寿命及可靠性等综合性能，以确保整机的质量。对于轴承用户而言，有利的是轴承的相关评价标准已较系统和成熟，但由于检测设备和能力的限制，轴承质量与性能的评价工作可以委托给有能力的第三方检测机构进行。

参考文献：

[1]GB 3883.1-2008 手持式电动工具的安全 第一部分： 通用要求[S].

[2]JB/T 8571-2008 滚动轴承 密封深沟球轴承防尘、漏脂、温升性能试验规程[S].

[3]夏新涛.滚动轴承振动与噪声的研究现状与发展[J].现代零部件，2004(3).

[4]JB/T 10187-2011 滚动轴承 深沟球轴承振动(速度)技术条件[S].

[5]JB/T 7047-2006 滚动轴承 深沟球轴承振动(加速度)技术条件[S].

[6]GB/T 24607-2009 滚动轴承 寿命与可靠性评定[S].

[7]李兴林，张永恩，等.滚动轴承疲劳寿命强化试验评估方法研究[J].轴承，2003(4).

中图分类号TM08 文献标示码A

文章编号1674-17969（2014）01-0012-04

[收稿日期]2013-11-20

[作者简介]张永恩（1981-），男，工程硕士，工程师，主要从事电动工具安全和性能检测等工作。

Brief Performance Analysis on the Bearings Applied to Hand-held Motor-operated Electric Tools

Zhang Yongen1, Fang Chengzhi1, Song Guizhou1, Li Xinglin2
(1. Bosch power tools (China) co. Ltd. Hangzhou 310052; 2. Postdoctoral workstation of Hangzhou bearing test and research center Hangzhou 310022)

Abstract:Deep groove ball bearings, represented in the tool assembly without considering other factors, combined with the relevant sections of the power tool safety standards, the content mainly discusses several performance requirements of the bearings applied to hand-held motoroperated electric tools and their relationship and effects with safety standard. This content can also be referenced while make technical design and quality appraisal.

Keywords:bearingperformancerequirementsafety standard