陶瓷轴承与钢轴承：工程分析

自行车行业最具争议的话题之一是关于陶瓷轴承的话题，以及它们是否能显着减少骑行中的摩擦。本文将解决与这场辩论相关的一些问题和主题，并量化这些数字。

一、内部轴承结构 – 陶瓷轴承并非 100% 陶瓷

陶瓷轴承实际上是混合的。他们使用陶瓷球，通常使用钢制内外圈。陶瓷球通常是氮化硅或等同物。钢轴承是由硬化钢球和钢制内外圈组成的商品。从几何形状上看，钢轴承和陶瓷轴承的接触点、内外尺寸和厚度相同，可以互换。两者之间唯一真正显着的区别是轴承间隙。在陶瓷轴承上，这通常是 C3 游隙，而在钢轴承上通常是 CN。

轴承游隙是对内圈、外圈和滚珠之间的微小间隙的测量。需要防止轴承在预热和膨胀时卡住。

轴承结构的另一个常见差异是保持架类型。保持架需要在整个轴承周围保持球间距均匀。在钢制轴承（通常由日本制造商 NSK、NTN 制造）上，保持架是由一块压制金属制成并铆接在球之间的带状物。这是一种成本相对较高的构造方法，但可以改善低速时的摩擦特性和刚度。

另一种流行的笼子构造方法是复合材料或橡胶笼子。这个笼子卡入并保持球间距。在高负载下，保持架经常会弹出或变形并导致更大的摩擦。几乎所有陶瓷轴承都使用复合材料或橡胶保持架。

二、外部轴承结构——密封件

轴承密封件有 4 种通用类型。有开式轴承——没有密封件，金属屏蔽轴承——轴承保持架上有金属条，非接触式密封轴承和全接触式密封轴承。

在自行车行业，轴承一般采用非接触式或全接触式密封。这是考虑到灰尘和其他进入物造成污染的真正风险。理论上，非接触式密封件与完全打开的非密封轴承具有相同的摩擦水平，但实际上情况并非如此，因为密封件会产生阻碍润滑剂抵抗的屏障，这是一种摩擦损失。完全接触式密封件接触内圈和外圈以保持密封。这是明确的摩擦损失，当在手中旋转时，它们总是显得拖沓。在运行速度下，这种摩擦损失仍然存在，但并不那么明显。

自 60 年代以来，基本的轴承密封技术没有发生太大变化，主要受制于制造成本而非性能。随着时间的推移，主要改进来自密封材料而不是几何差异。

三、轴承生产

轴承的批量生产几乎是完全自动化的过程，由日本人开创。四大轴承（SKF、NTN、NSK 和 FAG）每秒生产数千个轴承，几乎不需要人工干预。轴承通常从原材料到盒装成品在一个地点制造。这些轴承几乎都是钢制的。

相比之下，较小的陶瓷供应商需要更多的人工干预，并且通常是手工完成轴承组装。较小的公司没有能力在现场执行整个制造过程，通常将轴承的一个或多个部件的制造商分包给第三方，然后在内部完成最终组装。

一些陶瓷轴承供应商购买了通用混合组件，并在轴承侧面激光蚀刻了他们自己的品牌名称。这些轴承以极低的价格（5 美元/5 英镑/5 欧元）从远东购买，然后以 10 倍甚至 20 倍的价格出售给美国和欧洲的消费者。很容易发现这些制造商，因为它们通常仅由一家供应商销售并且缺乏技术数据。

四、轴承摩擦力与寿命

摩擦学中经常被忽视的部分是轴承在磨损时的响应方式。下图显示了两种钢轴承（SKF 和 NTN）和陶瓷轴承（Enduro）之间的比较。最初，Enduro 轴承具有较低的摩擦力，在使用约 600 公里后，陶瓷轴承已经磨损到相对较软的钢制滚道中，轴承摩擦力开始急剧增加。经过一段适度的磨合期后，它比钢轴承舒适地高。混合陶瓷轴承相当于试图在柏油路上运行机车——硬度差异导致道路（滚道）损坏。