为什么千万不要去设计航空发动机轴承（上）

如果你是一个正在准备入职航空发动机设计所的职场新人，设计所的各个部门都在向你招手，请问你会心仪哪一处呢？当然了，这肯定会牵扯到你在大学里学习的专业，你的兴趣，你的爱好，你的能力等等，但是听我一句劝，千万别去轴承设计部门，不然未来可有你受的。

一、轴承，航空发动机里的关键零件

轴承可能各位朋友都见过，最常见的轴承大概就是下面的这个样子，一般包括内环（内圈）、外环（外圈）、滚珠/滚棒（滚珠为球状，滚棒为棒状，可以统称为滚子）、保持架等结构组成，世界上比较著名的轴承生产制造商有瑞典的SKF公司和德国的FAG公司等。

那么航空发动机里面为什么会用到轴承这个零件呢？

首先，我们要知道轴承的功能是什么，轴承的功能用专业术语来讲，就是在不约束物体特定某个方向上的旋转自由度的同时，还能够控制两个物体之间的位置关系，说人话就是：让一个物体在我需要他转动的地方老老实实地转动，而不是转着转着就不知道转到哪里去了。

所以你看轴承的内圈和外圈之间实际上是可以自由转动的，但是如果你想让内圈上下左右平移却根本无法做到，这就是轴承中的“动”与“不动”。

而航空发动机里面有一个转动的大部件，叫做转子，这些转子的转速很高，往往会达到一两万转每分钟，但是发动机本身是不转的，所以航空发动机的一部分要转，一部分不转，这两个部分之间就一定要有一个交界面，这个交界面就是轴承。

换言之，我们需要一个部件来牢牢地攥住高速转动的转子，既要让他正常旋转，又不能让它飞走，这个部件就是轴承。

二、轴承到底是怎么工作的？

为了要搞清楚航空发动机的轴承有多难设计，我们先不去说航空发动机有多高的转速、多么恶劣的工作环境，我们先要了解一件事情：轴承到底是怎么工作的？

普通人理解的轴承工作过程应该跟下面这个动图差不多：

就是很多个滚子支撑着外环，外环转起来，就带动着所有的滚子开始转动——也就是说所有的滚子都会滚动在内外环的相对运动下转动起来，所以他们都是均匀受力，而且整个轴承都会运转地严丝合缝。

1、但是事情真的是这样吗？

显然不是。 比如说我们用汽车举例。汽车的车轴上也会使用轴承，但是显然，四个车轮不仅需要转动，还需要承载整个汽车的重量，所以承载车轴的轴承还会受到一个竖直方向上的力，而在这个竖直方向的力的作用下，轴承的受力远远不是上面这张动图里面那么地简单明了。

我们看看下面这张图，是轴承在真实工作状态下的受力，可以发现，因为轴承承载的物体往往会受到竖直方向上的力，所以每个滚子受到的力并非是均匀的

而且在很多情况下，由于轴承需要允许滚子的受热膨胀，因此内环、滚子还有外环，三样东西并不是仅仅贴在一起的，而是在彼此之间留有一定的空隙，在竖直方向的力的作用下，很有可能轴承一圈数十个滚子，真正接触的只有几个。比如说下图中，只有三四个滚子被内外环压紧，所以轴承内外环之间的相对转动，只会带动这四个滚子滚动起来。

2、那么其他滚子呢？难道就在那儿罢工不动了？

我们只要打开轴承，就会发现往往滚子并不是一个挨一个地挤在内环和外环之间，而是又类似于豌豆荚一样的东西包裹着滚子，我们可以通过下面两张图，分辨出来带保持架和不带保持架的滚子分别是什么样的。

而所有滚子一起运动的场景应该是这样的：内环和外环只压紧了三五个滚子，带动这几个滚子开始转动，并且撞击保持架，使保持架转动起来，转动起来的保持架又去撞击其他滚子，最后才一起运动起来。

另外，对于某些滚棒轴承而言，保持架并不是会乖乖地呆在内外环之间，而是有可能上下浮动，所以保持架还有可能跟轴承内外环发生碰撞。

所以轴承工作起来简单说就是一个字，“乱”：你压我，我撞你，你撞他，他还撞他，几十个零件就是在这小小的空间里面上演全武行，并且这可是在每秒钟几百转的极高转速下互相撞击，所以轴承的困难之处就源于此。

好了，今天我们只是开了一个头，只是简单说了说轴承的结构还有它的运动状态，实际上，轴承中的问题远比普通人想象得多得多，那么轴承到底难设计在哪儿？为什么我要说千万不要去设计航空发动机轴承呢？ 别着急，我们下回接着聊。