軸承發展簡史

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軸承是機械傳動軸的支承，是實現主機效能、功能與效率的重要保證，被譽為機器的“關節”。其主要功能是傳遞力和運動，減少摩擦損失。

不要以為這麼高階的器件是近現代的產物，不，軸承在地球上已經存在

8000年

了。

軸承初現

8000年前的新石器時代，中國出現了慢輪製陶工藝。製陶用的陶輪是一個裝有直立轉軸的圓盤，把和好的陶土或粗坯放在陶輪的中央，使陶輪轉動。

▲距今8000年的跨湖橋文化遺址出土的木質陶輪底座

這個木質陶輪底座像個梯形圓臺，上臺面中心位置有一個凸起小圓柱，它就是陶輪轉盤用的軸。轉盤透過圓臺上的軸來支撐旋轉，這是現在已發現的最早的軸承原型。

▲跨湖橋文化遺址陶輪工作示意圖

此後過了2000多年，距今6000年的古埃及啟動了浩瀚的金字塔修建工程。

修建過程中，古埃及人在撬板下放置一排木杆，利用木杆的滾動使重物移動，人們叫它木倫運輸。

這與現代直線運動軸承使用的是用一種工作原理，只不過有時用球代替滾子。

後來人們發現用直徑大的木輪運輸速度更快，於是木輪的直徑越來越大，逐漸演變成帶軸的輪子，這便形成了最早的車輪雛形。當然，車輪也是我們中華民族的發明。

距今4700年的黃帝時期，人類歷史上第一部車輛駛上歷史舞臺。

黃帝造車，故稱軒轅氏。

軒是古代一種有圍棚的車，轅是車的基本構件。

到了2700多年前的春秋時期已經發明瞭車軸的潤滑劑。有《詩經》為證：

載脂載轄，

還車言邁。

遄臻於衛，

不瑕有害？

——詩經 邶風泉水

轄在古代解釋為“車軸端鍵”。用於古車上，它相當於我們現在所說的銷釘，穿過軸端，可以將車輪“轄”住，使車輪軸向固定；而“脂”指潤滑劑，“還”即回家，“邁”就是快。

這幾句詩譯成現代漢語，就是：用油脂，將車軸潤滑，在軸端，把銷釘檢查，驅車遠行，送我回家 。快快地趕到家鄉衛啊！切莫讓我問心有愧。

人類就這樣在懵懵懂懂間使用著軸承原理。

直到距今2200年，由於周、秦、漢朝對軸承技術發明和應用的廣泛實踐，在秦漢時代的一些重要文化典籍中，對這種器件已經有了明確的記載，並且有了專用名詞，比較常見的有“軸”、“釭”、“鐧”等，後來又逐漸發展為“軸受”（見《說文解字》）。現在日語中對軸承的文字表達仍為 “軸受”。

從發掘出的文物可以看出秦漢時期的“軸受”具備內腔結構，可以放置滾子。這種“軸受”被認為是人類製造的初代滾動軸承。

▲在中國陝西農村發現的具有內腔的環形青銅製品（公元前2世紀）圖片來源：《滾動軸承潤滑》

早期的滾動軸承有一個很大的毛病，就是滾子之間會發生碰撞，造成不必要的摩擦。而帶有保持架的現代滾動軸承是1760年由英國鐘錶匠約翰·哈里森發明的。距今還不到260年。

現代軸承的發展

初創期

17世紀是現代軸承的初創時期。

伽利略曾對“固定球”的，或者“籠裝球”的球軸承做過最早的描述，不過一直停留在紙面設計中，在隨後相當長的時間裡，伽利略在機器上安裝軸承的設想一直沒有實現。

直到1794年，第一個關於球溝道的專利誕生，英國的一個鐵器製造商用滾珠軸承製造了四輪馬車的車軸軸承。從那時起直到19世紀的50年代和60年代，人們將滾珠軸承廣泛使用在兒童玩的旋轉木馬，螺旋槳軸，軍艦上的機槍轉塔，扶手椅和腳踏車等器械。

1883年，FAG創始人弗里德里希·費舍爾提出了使用合適的生產機器磨製大小相同、圓度準確的鋼球的主張。這一設想奠定了軸承工業的基礎。

▲弗里德里希·費舍爾設計的球磨機

1895年，亨利·鐵姆肯設計出第一個圓錐滾子軸承，三年後獲得了專利併成立Timken（鐵姆肯）公司。

1907年，SKF軸承工廠的斯文·溫奎斯特設計了最早的現代自調心球軸承。

▲斯文·溫奎斯特於1907年繪製的自調心球軸承原圖

這時中國也沒閒著，清朝時期已經能生產出做工精良的滾動軸承。下圖就是一套滾子軸承，製造精細，套圈、保持架、滾子都和現代的軸承極為相似。

從17世紀到19世紀，現代軸承發展了兩百年的時間，而軸承的工業化生產才剛剛起步。

成長期

兩次世界大戰刺激了軍事工業、機械工業的發展，人們發現軸承的用途遍佈汽車、飛機、坦克裝甲、機床、儀器、儀表、腳踏車、縫紉機等等領域，幾乎是萬能的存在。

第二次世界大戰時期，隨著戰爭手段的現代化，人們對軸承的認識和重視昇華到了空前的高度，各個國家都急需軸承，急盼建立軸承工業。於是乎，一大批軸承廠在各國先後出現，軸承的種類更是井噴式的增長。

發展期

近幾十年來，隨著航空航天、核電工業、電子計算機、光電磁儀器、精密機械等高新技術的飛速發展，體現當代科學技術水平的世界軸承工業進入一個全面革新制造技術，迅速發展品種，大力提高效能、精度，日益成熟完善的歷史新時期。

這個時期軸承品種應有盡有，用途包羅永珍。目前軸承品種數以萬計，特大型軸承大到38米，微型軸承小到零點幾毫米。

即有傳統單列、雙列、多列球軸承、滾子軸承、滾針軸承、圓錐軸承、更有無潤滑軸承、自潤滑軸承、角接觸軸承、傳器軸承、萬向節軸承、超薄壁軸承、輪轂單元軸承、空氣軸承、直線軸承、超導軸承、磁浮軸承等等。

▲軸承的分類

在這些軸承中，應用最廣泛，標準化、產業化程度最高的是滾動軸承。在理論研產品製造與應用技術方面，人們也是對滾動軸承情有獨鍾。

軸承的技術特徵

軸承技術的本質特徵主要表現在5個方面：

1 運動學特徵——摩擦及高速旋轉運動

旋轉是滾動軸承最常見的運動形式。旋轉過程中產生摩擦，摩擦的直接結果是發熱和磨損，並由此引發傳動系統一系列的應用問題，輕則降低效率、影響主機功能與效能的發揮，重則導致燃軸事故和損壞主機部件。

在軸承技術中，高速度旋轉下的摩擦熱問題最為突出，是軸承技術發展的主要瓶頸之一。

2 動力學特徵——高頻交變載荷及彈性接觸應力與變形

傳遞運動與載荷是軸承的基本功能，也決定了軸承服役過程的動力學特徵。對軸承的力學分析從靜彈性力學到擬動力力學分析的工程應用，已經走過了近200年的時間，但是成熟的動力學模擬模擬至今未完成。擁有足夠長時間的實驗資料積累，但缺乏分析計算工具是軸承動力學研究的尷尬之處。

3 摩擦學特徵——摩擦、磨損與潤滑成為軸承服役效能典型表現

人類認識與利用摩擦已經有8000年的歷史，透過科學實驗應用現代科學技術來分析研究摩擦不過500年，而將摩擦學發展為一門學科還不到50年。摩擦學的誕生，加深了工業領域摩擦現象的深入研究。隨著軸承應用範圍的拓展，對於軸承接觸面摩擦的研究逐步由宏觀發展到微觀，已經進入分子層面、奈米尺度。

4 介面力學與應用技術特徵——高階軸承接觸面的微觀分析及應用技術

“介面力學”的研究已經成為高階軸承設計與製造工程學的重要基礎和內容。軸承效能提升很大程度上是介面科學與技術範疇的課題。

5 失效特徵——以表面疲勞為主要形式

滾動軸承工作“表面層”的物理、化學和力學狀態，冶金質量如顯微結構變化、再結晶、晶間腐蝕、合金貧化等，是引起疲勞失效的重要因素。

我國軸承產業的發展

我國現代軸承工業從清朝末年開始萌芽，經過了漫長的停滯階段，直到解放後才得以發展。2018年，我國軸承行業已發展1400多家規模以上企業，其中滾動軸承的年產量215億套，出口61。8億套。我國軸承產業規模位居世界第三位，市場佔有率約為全球市場的20%。

20世紀90年代到21世紀初的十多年，是我國軸承產業快速發展的階段，這段時間先後建成浙江東部、長三角、遼寧瓦房店、山東聊城、河南洛陽5個產業集聚區。

我國軸承工業發展迅速，同時也擁有與其他工業產業相同的瓶頸——大而不強。中國在中低端軸承領域早已是全球最大的生產和銷售基地，但在高階軸承領域卻少有發言權。國際上高階軸承產品及製造技術基本上被瑞典、德國、日本、美國所壟斷，我國每年進口軸承40億美元左右，其中70%為民用高階軸承。

軸承的發展離不開軸承材料、精密製造兩大類技術的發展。

1 材料技術

用來製造軸承的鋼材被稱為軸承鋼。著名冶金專家、工程院院士殷瑞鈺就曾指出“軸承鋼用來做球的、做錐的、做棒的、做套的，對實物質量的要求都不一樣，如果都使用同一種鋼材製造，產品的質量必然是有問題的”。國外公司針對不同尺寸和用途的軸承零件，開發和應用了不同的鋼種，而國內軸承鋼的品種種類比較單一，無法完全滿足高階軸承的製造要求。

鋼材質量方面也存在良莠不齊的問題。我國有20多家鋼企具備軸承鋼生產能力，以興澄特鋼為例，其軸承鋼已連續九年位列世界軸承鋼產銷量第一，且大量出口瑞典SKF、德國SCHAEFFLER（FAG）、日本NTN等世界知名軸承企業。說明我國軸承鋼產品質量是得到國際認可的，甚至達到了世界先進水平。相當數量的企業，軸承鋼產品質量差強人意，甚至還有一些劣質產品渾水摸魚，擾亂了軸承鋼市場環境。

這就是軸承鋼材產業目前所的問題所在。

2 精密製造技術

國外知名軸承公司成形加工技術的先進水平體現在：

自動化程度高，普遍採用自動生產線，並配有線上檢測、自動分選，以減少人為誤差

產品一致性高，熱處理後的硬度均勻性高

注重表面微觀形貌

精密技術考驗了企業的硬體裝置、人工技術、企業匠心等等，我國在製造技術上的差距主要表現在高精度加工裝備及工藝穩定性，檢測與試驗技術，資料的處理和積累，數字化建模與模擬分析等方面。

高階軸承關鍵共性技術路線圖

▲《高階軸承技術路線圖》中國軸承工業協會