不同軸承比較

這裡指的不同軸承不是說深槽滾珠 、斜角滾珠 、滾柱等不同軸承，
指得是應用不同模式的軸承，
例如傳統常用的滑動軸承、滾動軸承，跟其他氣液靜軸承 、磁浮軸承等的比較。

在比較前不免要先作簡單的軸承介紹，
一般定義的軸承主要以轉動的型式為主，
但是也有兼容滑動的線性軸承。

市面上最常看到的一般軸承就是深槽滾珠軸承，

圖片來源：Wiki

這一類的軸承因為使用數量龐大，最早被標準化，
其他還有因應抵抗軸向力的斜角滾珠軸承，

圖片來源：泰利達

提供線接觸能力以對應高負載的滾柱軸承或滾針軸承等等，

圖片來源：Wiki

這一類軸承的主要型式就是藉由滾動件來降低旋轉運動的阻力。

但是這些滾動的珠子跟柱在製造上難免會有公差，
這些公差通常很小，在次微米尺度，

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但是難保有混到不同Grade、新舊料的鋼珠或者是剛好在上下極限，
例如等級最高的Grade 3，上下限差0.0016mm，相當於1.6微米，
更不用說經常使用中低價的Grade 10，上下極限可達到0.0026mm，2.6微米，
當然這算是很極端的狀況，
大部分是在同一個 Lot diameter variation範圍內：
Grade 3：0.00008，
Grade 10：0.00025，
但是就經驗來看，這個數值又太好了。

另外要再加上滾動過程中會有滾珠或滾柱接觸位置的力量變化，

圖片來源：Wiki
滾珠或滾柱經過水平位置最低點(角度0)，受到最大的負載
圖示最大力量高達3000N，

只看以上兩個因素就造成水平軸會有上下微幅的移動。

這些會在水平軸型式的軸承支撐應用上成為位移振動源，
簡單的估算方式：
軸轉速 1800rpm，相當於每秒30轉，30Hz，
假設轉一圈有10個鋼珠會經過固定位置，
等於軸承支撐水平軸每秒會有30*10=300次的次微米到微米級上下的移動。

對一般設備可能不是很在乎這種尺度的微振動，
但是對高精密度、高速移動或截取影像的設備就是大事了，
在取像的0.003秒內，目標物可能有次微米甚至十幾微米的上下起伏，
取到影像的品質自然會受到影響；
或者是製程上產生的高度變化對產品品質的影響。

因此在設備等級進入高轉速、高精度等要求時代，
滾珠與滾柱軸承自然就使設備受到很大的限制，
因此也就出現新的非接觸式軸承，
可以降低滾動件與表面粗糙度對行走精度與穩定度的影響。

這些新出現的非接觸式軸承有：
氣靜軸承Aerostatic Bearing)，
使用空氣壓力建立在兩元件之間的空氣薄膜，隔離兩個元件的材料接觸，
可以大幅降低摩擦力，對高速與高精密度運動機構來說，非常地適合；
有使用溝槽設計跟多孔性材質兩大類，
早期以溝槽式設計為主，近幾年很多都在推多孔性材質，可參考另一篇說明：空氣軸承。

液靜軸承(Hydrostatic Bearing)，
跟溝槽式的空氣軸承很像，但是改用壓縮性更小的流體：油；
兩元件面的材料隔離效果(可承受負載)更好，
缺點是需要有液壓油供應、循環系統，阻止液壓油外洩的油封系統等等，
因此構造更複雜且需要更客製化的設計，
相對使用空氣壓力的氣靜軸承系統來說優點是可以承受更大的力量。

氣靜軸承負載約液靜軸承的1/5。

磁浮軸承(Magnetic Bearing)，
顧名思義就是使用磁力的同性相斥效果將兩個元件隔開，
優點就是不會有漏氣、漏液等問題，
缺點是要產生可控制的磁力需要電磁鐵系統，會電流熱的問題，還有就是會產生干擾、吸附外部鐵屑、粉等，跟貴...

參考資料：
1. Wiki, Rolling element bearing
2. The Effect of Ball Size Variation on Vibrations Associated with Ball Bearings.
3. Air Bearing Technologies
4. Comparison of Bearing
5. A Review of Hydrostatic Bearing System
6. Abhay Utpat, Vibration SignatureAnalysis of Defective Deep Groove Ball Bearings by Numerical and Experimental Approach., IJSER, Volume 4, Issue 6, June-2013.
7. V. N. Patel, N. Tandon, R. K. Pandey, Vibration Studies of Dynamically Loaded Deep Groove Ball Bearings in Presence of Local Defects on Races, International Conference on DESIGN AND MANUFACTURING, IConDM 2013, Procedia Engineering 64 ( 2013 ) 1582 – 1591.
8. Anthony Raymond Wong, Design of a Low Cost Hydrostatic Bearing, MIT, 2012.