滾子軸承的疲勞壽命問題

不論是旋轉或直線運動，相關元件都有分滾動或滑動方式，

例如：

旋轉上有滾珠軸承(滾動)跟 DU 軸承(滑動)，
直線運動上有滾珠滑軌(滾動)跟鷲尾槽(滑動)。

不過只要到了稍微有點速度或者要求磨擦係數低，幾乎都會考慮使用滾動軸承，
在旋轉運動上就是滾珠軸承、滾柱軸承等，
在直線運動上就是線型(直線)軸承、線性(直線)滑軌等，

THK線性滑軌構造示意
圖片來源：THK網站

將兩相對運動間的滑動現象透過轉子改變為滾動現象以降低磨擦力。


滑動式軸承理想中是面接觸，至少在磨合以後應該是面接觸...
力量會在兩個接觸面之間傳遞，將力量分散到整個接觸面上，
雖然不是平均分佈，但是基本上會從力量作用中心往邊緣由大變小的趨勢。

但是滾動式軸承透過轉子接觸，問題就來了，
不論是滾珠 (Rolling Ball) 或滾柱，元件之間的接觸面很小，當傳遞力量必須透過相對滑動接觸面小很多的面積進行傳遞，在接觸面附近的材料勢必會有很大的應力，隨著滾動行為的發生，應力會持續性的施加與釋放；這種情況完全符合疲勞破壞的發生條件，當壽命次數到達材料的壽命次數極限時，自然會造成轉子與對應元件的材料損壞，摩擦係數增加、精度喪失。

以汽車引擎曲軸軸承受徑向力作用為例，
每轉動一圈，鋼珠就會受力一次，
簡單試算引擎轉速3000rpm，運轉4小時，曲軸會轉動3000*60*4=720000次，
也就是鋼珠承受力量作用壓放72萬次，
13次四小時運作後就累計達1000萬次左右，
130次後就達到1億次，
如果該鋼珠的疲勞壽命是1億次，
那等於520小時的3000rpm運作後就會使鋼珠開始發生疲勞破壞。

有趣的是，從微觀的角度來看，
每顆鋼珠大小可能會有幾個微米的差異，大顆的鋼珠在軸承內外環之間會受到較小鋼珠大的強制變形作用力，
另外每顆鋼珠的材料均勻性、組織狀態、表面處理深度、表面的瑕疵都不同，
所以每顆鋼珠經過相同時間的運轉之後其實都會有不同的疲勞破壞程度，
所以一般來說，疲勞壽命其實是一種統計結果數值，代表發生疲勞破壞的機率，
一些大廠通常是把機率定在90%左右。
鋼珠製造品質越不穩定，相對的機率就會變高，
所以知名軸承大廠在鋼珠真圓度跟外徑尺寸上的控管很嚴格，
會儘量挑真圓度好，外徑尺寸差異小的鋼珠來使用：

圖片來源：TRD網站

最近剛好有兩個廠商來介紹產品，隨口就問了產品用的鋼珠等級，業務都是回他們是用比3、5等級更好的等級10的鋼珠…

多了對原料品質的要求自然成本也就不同，
所以便宜、小廠的軸承或許在初期使用差異不大，
但是長期下來就會有差別，
當然如果是一些比較不是很重要的要求項目，
小廠、便宜的軸承還是很好的選擇。

既然鋼珠的外徑尺寸對疲勞壽命會有影響，
就可以回頭來看軸承規格中“預壓”會造成的問題；
有選過軸承的規格應該都知道如果要消除間隙，提高精度必須選擇有預壓的軸承，
其實所謂有預壓的軸承就是套入尺寸略大的鋼珠，
讓鋼珠在未受力作用的情況下就有變形，
就像先用力壓著軸一樣，
副作用就是鋼珠受負載作用時，應力會比沒預壓的更大，
從材料的應力或應變壽命曲線都可以知道：
應力越大壽命(循環次數)越短，
所以有預壓的軸承或軌道雖然精度比較好，
但是摩擦力會變大、壽命會變短，在壽命變短這個問題上只能選大一級來克服…

各家專業的軸承、軌道廠商在型錄中都會提供有疲勞壽命計算公式，
但是不幸的是，計算結果因為疲勞壽命相關的資料本身就是統計取樣得來，加上負載計算結果可能會有誤差的，而且負載還會受組裝精度造成額外增加受力的影響，
所以不是有算就一定沒事，
可能都還是有5%的提前損壞機率。

但是有算有保佑，至少會有一定程度上的使用時間保障。

對一些重要、精密或有安全疑慮的設備最好還是要加上一些監檢測手法，例如振動量測，
在鋼珠與內外環未磨開階段、磨開後正常使用階段、臨近壽命階段量到的頻率應該不同；
鋼珠材質反覆受壓、放開致使材質發生疲勞破壞時，材料會變弱、變鬆散，軸承的徑向剛度(彈性係數)會降低，
材質彈性係數的降低會造成自然頻率降低，
在振動頻譜上應該會量到頻譜偏移的情況，
所以從定期監檢測發現振動頻率降低時，
就要小心是否到了需要更換軸承的時候。