SAE飞机机体滚针轴承标准体系分析

林晶,赵颖春

(中国航空综合技术研究所，北京 100028)

由于承载力大、结构紧凑等优点，滚针轴承广泛应用于飞机机体的襟翼、副翼、缝翼等重要部位，与其他应用情况不同，飞机上使用的滚针轴承主要作为滚轮使用，其结构、性能等方面的要求与其他行业存在较大差异。飞机机体滚针轴承标准是滚针轴承产品设计的重要技术文件，构建飞机机体滚针轴承标准体系有助于提高飞机机体滚针轴承的质量可靠性及应用技术水平。鉴于此,分析了SAE(Society of Automotive Engineers)飞机机体滚针轴承标准体系及国内相关轴承标准的差异，以期为我国飞机机体滚针轴承标准的建立提供参考。

1 SAE标准体系分析

国外飞机机体滚针轴承标准体系相对完善，美国SAE标准体系最健全[1-17]，如图1所示，包括产品规范、产品标准、试验方法等。由图1可以看出：在SAE飞机机体滚针轴承标准体系中，顶层通用规范为AS 39901B，产品标准16项。16项标准按结构形式可分为10类，其中类型V，VI，VII分别有3个产品标准。除了通用规范和产品标准外，SAE 飞机机体滚针轴承标准还制定了9项轴承检测试验方法标准。

图1 SAE飞机机体滚针轴承标准体系框图Fig.1 Block diagram of SAE standard system of needle roller bearing for airframe

2 SAE标准内容分析

2.1 结构类型及尺寸

SAE飞机机体滚针轴承标准产品包括单列、双列、带柄、自调心、带密封结构，不同的结构类型应用于不同的工况，并给出了不同结构类型的轴承尺寸系列，见表1。其中，6种类型可用作滚轮，滚轮是飞机机体滚针轴承在飞机上的重要应用。

表1 产品类型、应用及尺寸系列Tab.1 Types, applications and dimension series of products

2.2 材料及热处理

SAE标准中材料及硬度要求见表2。外圈、滚针、杆柄材料多采用50100，51100，52100轴承钢,对应我国的GCr15轴承钢；密封对材料耐磨性有一定要求，多采用尼龙、PTFE、聚甲醛树脂等材料；保持架材料多选用铜或高分子聚合物材料。这些材料是轴承行业常见材料，与国内基本一致。随轴承对耐腐蚀性能要求的提高，氮化耐蚀钢应用也越来越广泛， AS 5927，AS 5928和AS 5929中内圈、外圈以及滚针材料均采用氮化耐蚀钢，其耐腐蚀性能与15-5PH 钢类似，同时又具有较高的硬度和抗疲劳性能，硬度达60 HRC以上。在国内，该类钢的冶炼、加工和应用还处于起步阶段。

由表2可以看出：SAE标准中外圈硬度要求为58～66 HRC,滚针硬度要求为60～64 HRC,杆柄一部分作为内圈滚道，一部分作为安装螺栓，其硬度要求分别为60,36～46 HRC。杆柄材料相同，热处理时要分段处理，作为内圈部分要渗氮、渗碳或高频淬火处理，作为杆柄部分要承受较大弯矩，其芯部相对柔软。

表2 材料及硬度要求Tab.2 Requirements for material and hardness

2.3 表面粗糙度

SAE标准中表面粗糙度的相关要求见表3。由表可以看出，表面粗糙度要求不高，这是由于机体滚针轴承一般以低速摆动或转动为主，满足使用寿命和性能要求即可。

表3 表面粗糙度Ra值要求Tab.3 Requirements for surface roughness Ra value

2.4 表面处理

SAE AS 39901B标准表面处理方法主要有镀铬、镀镉、镀锌镍及钝化，对于普通轴承钢，主要采用镀铬、镀镉、镀锌镍，其中外圈多采用镀铬，而其他零部件多采用镀镉和镀锌镍。外圈镀层厚度为0.010～0.025 mm，其他表面镀层厚度为0.008～0.015 mm。这是由于作为滚轮使用时，轴承外圈与接触表面会发生摩擦，镀层较厚。对于氮化耐蚀钢，由于其耐蚀性能较好，属于不锈钢类，主要采用钝化表面处理方式。

2.5 润滑

SAE AS 39901B标准中2种润滑脂MIL-PRF-81322和MIL-PRF-23827工作温度不同，MIL-PRF-81322工作温度为-54～177 ℃，MIL-PRF-23827工作温度为-54 ～121 ℃。

2.6 其他要求

SAE AS 39901B系列标准对轴承的以下方面进行了规定：1)径向跳动；2)径向游隙；3)轴向游隙；4)尺寸稳定性；5)轴向载荷；6)端面垫片推出；7)自调心；8)密封；9)密封测试(灰尘污染)；10)径向额定动载荷；11)耐蚀性。

径向跳动、径向和轴向游隙、轴向载荷、密封、端面垫片推出、自调心等与我国相关标准的要求基本一致,而在尺寸稳定性、密封、径向额定动载荷、耐蚀性等方面与国内标准要求有较大差异。

2.6.1 尺寸稳定性

AS 39901B规定尺寸稳定性检测方法为：在室温下测量轴承外径，将轴承加热到(122±5)℃并保持最少96 h，然后降至室温，测量外径。然后将轴承冷却到(-54±6)℃并保持最少96 h，然后升温至室温，测量外径。轴承直径变化量应不超过0.000 1 mm/mm。

国内部分标准虽要求对轴承进行冷处理以提高轴承尺寸稳定性，但未明确规定轴承尺寸稳定性的检测方法及要求。

2.6.2 密封性能

AS 39901B规定的密封性能检测方法为：在密闭箱中进行，不施加载荷，转速为3 r/min，外圈静止。轴承应在(25±3)℃的室温下进行至少48 h测试。测试介质为ISO 12103.1:2016《Road vehicles—test contaminants foe filter evaluation—part 1:arizona test dust》的粗等级Arizona公路灰尘。灰尘测试箱为正方体，边长约为50.8 mm，带观测孔用于观察,在箱底应保持至少25.4 mm厚度的测试介质层。测试箱驱动应提供连续的灰尘运动，形成均匀灰尘，使观察孔很难看到被测轴承。测试轴承与测试轴承及与箱体之间应至少有76.2 mm的距离。试验前后轴承启动力矩增加量不能超过100%且不能超过14.8 N·mm，径向游隙增加量不应超过50%且不能超过0.012 7 mm。

国内标准中没有类似的性能要求和试验方法。

2.6.3 径向额定动载荷

AS 39901B规定的径向额定动载荷测试方法为：对轴承施加规定的额定载荷，转速为10～100 r/min，运行20 000 r。在测试期间应补充润滑脂。试验后轴承不应有卡滞或断裂。试验中轴承外圈旋转，内圈固定，与实际使用工况基本一致。

国内相关标准中还没有类似的要求。

3 结束语

通过对SAE飞机机体滚针轴承的标准体系进行分析，可以看出国内目前在飞机机体滚针轴承标准方面存在的不足，对开展我国飞机机体滚针轴承标准体系构建和相关标准编制、确定标准技术内容和参数等具有重要参考意义。