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标题: 自行车用轴承技术文章 [打印本页]

作者: 肥狸扑 时间: 2008-6-12 16:21
标题: 自行车用轴承技术文章
现在大家用的自行车花鼓，其结构无非两种，一是以shimano为代表的珠档结构，其顺畅性是毋庸置疑的，在设计精巧并表面硬化技术的条件下，是能保证一定条件下的正常使用时间的。二是以久裕为代表的bearing 轴承，这么说很别扭，因为bearing 本身就是轴承的意思，那么就是“轴承轴承”，工业上普遍用这种结构作为相对转动部件的连接，但并没有这么叫的，因为只有中间的环形结构才是真正的轴承，外面的部分只能说是轴承座，或者大家说道花鼓皮。所以我建议大家以后把它们叫做珠档花鼓，轴承花鼓。
珠档的我就不多说了，大家随便拆开永久，凤凰的花鼓就可以看到，还没有看过的，赶紧去拆。有些人认为珠档的花鼓，结实，耐用，并以自己的shimano花鼓的寿命比久裕的高为例说明，可能是事实的一部分，另外一部份事实可能是他用装久裕的车去DH,用shimano的车在市内上班，这样是没法比的，还有可能是shimano的表面工艺和加工精度远胜比久裕用地轴承要好。但从工业设计的角度说，珠档是不如轴承得，要不然工业机器，汽车等等早就用这种钢珠加铁棍的设计了。a点接触导致受力面压力过大，b钢珠间隙过大导致钢珠不规则运动产生冲力，c钢珠的硬度不好处理，太硬遇到冲击，表面会有碎粒，或内部过早产生疲劳，太软容易变形。但是轴承花鼓也不都是大家认为对是线接触，大部分轴承比如6001是深沟球轴承，它其实接触的是一个小圆面，产生这样的误解可能和轴棍和轴承是线接触的有关，另外，滚针轴承是线接触的。
我们现在来说说轴承花鼓所选用的轴承类型，为什么要这么选择，什么样的车应该选择什么轴承，我们的车还可能在轴承上有什么升级。
首先轴承常见的有
深沟球轴承，角接触球轴承，自调心球轴承圆柱滚子轴承
，滚针滚子轴承，球面滚子轴承，圆锥滚子轴承。
因为不能贴图这里省略5000字……. 其他还有推力轴承，种类很多，但是因为主要受力是轴向的，自行车上用不着，所以就不多介绍了，大致径向轴承的都有相应的轴向推力型号。
有推力球，角接触推力球轴承，圆柱滚子推力球轴承，滚针推力轴承，圆锥滚子推力轴承。

适合在自行车上使用的，最好的是深沟球轴承，而且无防尘盖无密封圈的，最安静，最低阻。
我们来看看这款轴承的参数。（参数以skf公司的产品6001为例）
内径d= 12(mm)
外径D=28(mm)
宽度B=8(mm) 动态压力C=5.4(kN) 静态压力C0= 2.36(kN)疲劳负荷极限Pu=0.1( kN ) 额定速度60000 r/min
限制速度38000 r/min
重量0,022kg C,C0,Pu是三个关键数据，决定了我们可不可能使用该轴承。
“基本额定动载荷C” 用于计算在动态应力下的轴承，即一个在受载状态下转动的轴承。该数值表示根据ISO 281:1990标准，提供100万转基本额定寿命的轴承载荷。假定载荷大小和方向不变，对径向轴承而言为径向载荷，对推力轴承而言为作用于中心的轴向载荷。也就是说如果我们想让轴承转100万转，那么在不考虑润滑，转速，污染物能因素，轴承运动时应该不能超过对压力。

ISO 76:1987标准中定义的基本额定静载荷为：同载荷最重的滚动体/滚道接触中心的计算接触应力相应的静载荷，该应力会引起滚动体和滚道的总体永久性变形，大约为滚动体直径的万分之一。自调心球轴承为4 600 MPa；
所有其它球轴承为4 200 MPa；
所有滚子轴承为4 000 MPa。

疲劳负荷极限是指一只设计优秀、材质卓越、制造精良而且安装正确的轴承，只要其承受的负荷足够轻松，则这个轴承的材料将永远不会产生疲劳损坏，这个令轴承很轻松的数值就是疲劳极限负荷。

假设一个人的重量是70公斤，加上车重10公斤，一共是80公斤，那么假设前后重量分配是4:6,在正常行驶下后轴的压力是80*0.6*9.8/1000=0.47（kN）那么远小于C和C0，但是大于Pu，所以大家的轴承早晚还是要坏的，但是我们的轴承能有多久呢，这个问题很难回答，因为要考虑到因素太多了，如果我们偷一偷懒，用一些假设和理想状态，那么我们可以得到一个大概的参考值，下面我们来计算。
L10 = (C/P)p
p= 寿命计算方程式的指数：3 指球轴承 10/3滚子轴承
L10 = (5.4/0.47)3 = 1516（百万转），如果是匀速的话，假设一秒钟4圈（大概时速30公里）则圈速n= 30*1000/( 3.14*28*2.54/100)/60=224(r/min )，那么工作小时就是L10 h = 106/(60n) L10 =1000000/（60*224）*1516=112849（小时）各位一定很高兴吧，我的轴能用这么久吗？11万个小时阿，一天3小时，也要用100年了。
但是冷静一下，这是没有考虑摩擦润滑的，也就是说这个值只具有理论参考价值，为了获得实际参考的数值，我们还要麻烦一下。
额定寿命Lnm = a1* *L10 其中a1寿命可靠性系数,就是你想要求出来的值具有多大的可靠性,(它是随机数学上的量，代表公差，公差的意思，大家到网上查吧，你可以理解为可信度)时，我们要添加的修正参数值。
可靠性
故障可能性 SKF额定寿命
系数

%
n %

Lnm

a1
90
10
L10m

1 95
5
L5m

0,62 96
4
L4m

0,53 97
3
L3m

0,44 98
2
L2m

0,33 99
1
L1m

0,21
因为不是精密仪器，对可靠性要求不高，我们取90%的可靠性吧 a1 = 1
是skf公司的计算修正参数，他们有自己的一套理论，而且据说非常准确，那我们就采用了，这个系数表示疲劳负荷极限比率(Pu/P)、润滑条件(粘度比)和轴承内污染程度(ηc)三者之间的关系，见下图 k
是粘度比=v/v1 v是润滑指数，取决于我们用的润滑油，这个暂且不论，设为32，已经是很好的润滑了。
V1即运用轴承平均直径 dm = (D + d)/2（mm）和轴承转速（r/min）这两个值来计算，（具体计算需要使用函数表，因为无法贴图，就省略）。
   此图解已根据滚动轴承摩擦学中的最新研究成果做了相应的修改，如果转速是224的话，那么可以求得V1 = 98.9,由此k= 0.324,再由前面一个图，大致可以得到
= 0.342，
那么Lnm = a1 aSKF L10 L10m = 1* 0.342*1516=518（百万转）
L10mh = 518*1000000/60/224=38576（小时）=38576/（3*365）=35年！！！！！。
   这个数字仍然不错哦，但是这真的是实际的情况吗？我们知道，对轴承的最大伤害来自偶然的随机的重强度冲击，比如从山上冲下来，或降落台阶。下面我们要看看在动量冲击下，你的轴承能走多远。
   在随着时间的推移，轴承负荷在强度和方向上随速度，温度，润滑条件和污染程度变化的应用中，轴承寿命不能直接计算,需要同可变运行条件相关的当量负荷的中间计算步骤。但考虑到系统的复杂性，这个中间参数不容易确定，也不会简化计算。
   因此，在波动的工作条件下，需要将应用的负荷范围或负荷周期，降低到更简单的负荷情况的有限数量。在连续可变负荷下，每个不同负荷水平可累计，负荷范围可简化为恒定负荷区的矩形图，每个矩形图描写该应用的运行的一定百分率或时间百分率。因此，在负荷图解中充分显示冲击负荷和高峰负荷是重要的，即使这些负荷的发生相对少见，而且仅限于数转。

在每个负荷周期或短期内,轴承负荷和工作条件可平均为一定的恒定值。而且,每个负荷周期预期的工作小时数或转数，表示那个特定负荷条件所需要的寿命百分率。因此,例如用N1表示负荷条件P1所需要的转数,用N表示应用的整个寿命周期,则负荷条件P1使用寿命百分率U1 = N1/N,其计算寿命为L10m1。在可变工作条件下,轴承寿命可使用以下公式预测：

其中
L10m
=
SKF额定寿命（90％可靠性），百万转

L10m1, L10 m2, ...
=
恒定条件1,2,... 下的SKF额定寿命（90％可靠性）百万转
U1, U2, ...
=
条件1,2,... 下的寿命百分率。
说明： U1+ U2 + ..... Un=1 这个计算方法的使用，在很大程度上取决于是否有应用所需代表性负荷图解。
假定自行车行驶过程中只有两种情况，1正常行驶，受压力为0.47kN,2 颠簸的冲力C2，下面我们来计算一下c2
假设下山时，前轮着地，后轮从30厘米高的岩石上跌到地面上，
因为车体前倾，我们调整前后轮承重比例为50：50，则前后轮到静压力是C’=80*50%*9.8*=0.39kN, 设后轮着地时间为0.05秒，则冲力为
V =
F=mV/s=m
/s=40*2.42/0.05=1.94kN C2=C’+F=2.33kN,
518,
=97.5%(每两秒钟有一次冲击)
3, =2.5% =98, 转换为工作小时L10mh = 98*1000000/60/224=7291（小时）=6年。
   最多六年的寿命。看来大家还是要好好爱护自己的车子，不过这是工作寿命，对于大多数自行车爱好者来说，在轴承没有达到使用寿命的时候可能就已经不能够忍受其因磨损带来的主力大，噪音大，有震动等缺陷而提前换轴承了。
   最后说明一下，润滑对于轴承是极其重要的，在不改变其他因素的条件下，单单是改用比较好的专用轴承润滑油，就可以大大增强轴承的寿命，比如SKF的LGEP-2合成锂基脂（价格较贵200 克/155元），但是其粘度达到200，高负荷，高防水，高防锈，高抗震。在这种润滑下，
，
，改进到9950，11，而
可以达到421，
L10mh = 31384（小时）=31384/（3*365）=28年。也就是说换了高档轴承油可以保证轴承使用终身，但是28年间的轴承油使用费也很可观了。
   如果条件允许的话，我们推荐使用更高档的润滑油，个人可能很难买到或负担不起这些费用，但是像山地情怀这些车行可以为我们提供这些服务，毕竟大多数人一生可能只需要更换几次油。以下是从skf网站计算得到的结果，显示了哪些更适合自行车，轴承是6001,速度224，典型温度30，最低温度-5，最高温度60，环境温度-10—30，有震动，负载较高（C/P=4至8，考虑到较颠簸的情况）

Rating	Grease	Supplier	Kappa	Relubrication interval	Poor performance on
*****	LGEV2	SKF	>4	NA	-420ml/10$
*****	LGEM2	SKF	>4	NA	-420ml/9$
****	LGHB2	SKF	>4	NA	-420ml/9$
****	LGWA2	SKF	3.6	NA	-420ml/8$
****	LGWM1	SKF	3.9	NA	-420ml/8$
***	LGEP2	SKF	3.7	NA	-420ml/6$

作者: 中山狼 时间: 2008-6-12 17:22
兄弟忒专业了。

作者: 肥狸扑 时间: 2008-6-12 18:13
公式看不懂我就使劲看文字luke61ss

作者: 那西 时间: 2008-6-12 23:07
哈哈。不错。

作者: engineer1 时间: 2008-6-15 21:52
能不能讲的通俗点！别弄那些让人看不懂得东西！

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