自行車

了解軸承:基礎知識與應用解析

 

01 軸承是什麼?

軸承又稱培林,是英文 bearing 翻成日文,再從日文傳到台灣之故。軸承的主要功能是為了讓需要轉動的地方運作更順暢並減少磨擦。在機械裝置中,只要有旋轉、轉動需求的部位,幾乎都需要用到軸承來支撐。

02 軸承的運作方式有幾種?

軸承的存在目的是為了減少磨擦力。依據接觸介面(滾動、滑動、空氣)的不同,可分為以下三大類:

滾動軸承 (Rolling)

最常見的類型,由內外圈與滾動體(鋼球/滾柱)組成。將磨擦減少至點狀接觸,適用於高轉速場合。

滑動軸承 (Plain)

結構簡單,無鋼球設計。靠潤滑油膜產生滑動,具備高荷重能力,但須持續維持油膜避免磨損。

空氣軸承 (Air)

利用壓縮空氣產生氣膜。具最低噪音、零污染特性,常用於半導體、無塵室等精密加工領域。

03 軸承如何選用?

A. 考慮受力型態

視產品的軸向力或徑向力哪個為主,並計算兩者的受力大小比例。

B. 考慮轉速

轉速越快產熱越多,需防範磨損提早發生及潤滑油變質問題。

C. 考慮承載力

根據產品運轉產生的受力大小與產品本身重量來進行評估。

D. 考慮使用環境

高溫、水下、高粉塵或高震動環境,需特別講究材質(不鏽鋼/陶瓷)與密封設計。

E. 考慮安裝限制

參考對手件的公差要求及安裝空間大小,來決定軸承尺寸。

F. 軸承間隙公差

精確掌握內外環與滾珠的級數界定,平衡產熱膨脹與運轉震動間的公差。

自行車產業應用

什麼是自行車車頭碗組軸承?

如何挑選頭碗組軸承?

角接觸軸承 (ACB)、接觸角與固態軸承完整解析

本文以問答形式整理了關於自行車車頭碗組軸承的常見問題,包括哪種型號的軸承最適合頭碗組、為何頭碗組組合中常用角接觸軸承 (ACB)、接觸角如何影響軸承載重、有哪些防水結構,以及全內走線車架中固態軸承的耐用性與設計考量。

自行車頭碗軸承與全內走線設計圖解

車頭碗組軸承關鍵要點

車頭碗組軸承 角接觸軸承 ACB 接觸角度 防水結構 固態潤滑軸承 全內走線  TH HPB

1. 什麼樣的軸承最適合 Headset?

斜角接觸軸承 Angular Contact Bearing,簡稱 ACB。

2. 為什麼?

在騎乘時,主要作用在 headset 上的施力,來自兩個地方:

  1. 各種路況的震動,透過輪子、前叉,作用在 headset 上的軸向作用力。
  2. 雙手握在把手上時,因為上述 a ,施加在 headset 上的軸向作用力。
  3. 旋轉把手時,所產生的徑向作用力。

由上述 a + b + c 來看,施加在 headset 上的作用力是來自多種角度的,尤其當你在終點前全力衝刺時,雙手左右搖車,此時施力在 headset 上的作用力是左右扭動的,即徑向作用力,這力量是很大的。而 ACB 因為其壓力角是斜的,所以才能長時間承受上述作用力。

3. 什麼是壓力角?

簡單來說如下圖:

  • 鋼球與外環的接觸點 A。
  • 鋼球與內環的接觸點 B。
  • A 與鋼球連成一直線,即為壓力角。
  • B 與鋼球連成一直線,即為壓力角。
什麼是接觸角

4. 壓力角還有其它角度嗎?

軸承的壓力角會依不同應用需求而有所差異。自行車頭碗組所使用的頭碗軸承為斜角接觸軸承,其壓力角介於 0°~90° 之間,以同時承受徑向與軸向負荷。

此外,不同應用場合也會採用不同壓力角的軸承,例如:

  • 自行車花鼓多使用深溝滾珠軸承,其壓力角約為 0°,主要承受徑向負荷。
  • 機車龍頭使用止推軸承,其壓力角約為 90°,主要承受軸向負荷。

因此,壓力角的設計主要取決於軸承需要承受的負荷方向與使用情境。

0° 接觸角
0° 接觸角
90° 接觸角
90° 接觸角

5. ACB 的防水結構有幾種?哪一種最普遍被採用?

  1. 迷宮槽式的防水圈結構,如下圖,在內、外環的兩邊各有一溝槽,將防水圈壓入內、外環的溝槽中。缺點是轉動阻力稍大,且成本提高。
  2. 接觸型,防水圈與內外環只有輕微接觸,當軸承旋轉時,容易產生間隙,水分與灰塵就較容易滲入。優點是轉動阻力最小,成本較低。
  3. 上述 a+b 的綜合,一邊為迷宮槽,另一邊為接觸型。可兼顧上述 a、b 兩者的優點,這一種設計可說是最普遍被採用的設計。
迷宮槽
a. 迷宮槽
接觸型
b. 接觸型
複合型
c. 複合型

6. 軸承總是有壽命的,而市場中,不少高級車種是完全內走線設計,是否有 ACB 可以長期耐用的? 否則每次換 ACB 時,將導致一筆可觀的支出。

TH 的固態軸承 (Solid Lubrication Bearings) 是目前在全球市場中最耐用的 ACB。

7. 為什麼?

其內部結構改用固體潤滑劑(如石墨、二硫化鉬、PTFE...)取代傳統液態油脂,具備強大的防水、防汗水功能,極佳的耐腐蝕性,適用於極端的環境中。TH 專為 headset 所設計的固態軸承稱為 HPB (High Performance Bearing)。

8. 目前在自行車市場上,Headset 使用固態軸承有幾個品牌?

目前只有 TH 一個品牌。

9. 另外一家的 SXX 不算嗎?

SXX 不能稱為標準的固定軸承,因為 SXX 是將固態先成型後,再另外裝入鋼球,並且; 該固態與內外環之間存
有很大的空隙,之所以SXX必需加上額外的防水圈來作防水的功能,但嚴格來說;間隙太大就不能稱為固態,間隙
大,其所產生的負壓效應就大 (軸承內部所形成的密閉空間內的壓力與軸承外面的壓力差) 。

10. 為什麼說 TH 的 HPB 才屬於標準的固態軸承?

  1. 不用再裝額外的防水圈,因為內外環之間的間隙趨近於最小化,固態體本身除了含潤滑分子外,還具備了防水
    功能,固態體與鋼珠在模具內一體成型,這種製程不僅需要高昂的模具費投資,最關鍵的是模具設計與模具製
    造的精 密加工技術,因此;TH的固態軸承的鋼珠數可以呈現幾乎是滿球的狀態,這對於ACB本身的壽命
    來說,是很大的加分。
  2. TH的鋼球可以增加到最多化,以下圖片優劣立判。
FSA
TH
SXX
SXX

11. TH的鋼球可以增加到最多化,以下圖片優劣立判。

ACB本身,headset每個零件與走線會因轉彎而接觸到的地方,都需要避免銳角,以減少磨擦,提高線本身的壽命,這屬於設計時,對於所有細節的控管嚴謹度。除此之外,TH自行設計製造了模擬實際轉動的疲勞測試機,能夠測出內線在何時會被磨壞,以便短時間內查出易磨損的部位,這種測試機台為目前業界僅有。

全內走線防刮測試

12. 為什麼自行車軸承選擇天心?

因為天心有優秀的團隊能提供專業的分析:

     — 作用力與軸承的關係。

     整組零件與對手件的整體考量,而非局部。

     有能力分析、設計壓力角,設計出最適合的軸承。

     —提供客戶專業的建議。

TH HPB 固態軸承比較與簡易說明

 
天心 (TH) - 1. 滿珠 / 間隙一致

內部高分子聚合物(Polymer)與鋼珠在模具中一體成形,此 Polymer 具有數百萬個微細小孔,已將潤滑油脂高效的吸附其中,在軸承轉動過程中,Polymer 能夠穩定的釋放油脂產生一致的潤滑。

智慧潤滑:如同肌膚呼吸般的自潤滑循環
潤滑油釋放:騎行中,軸承轉動摩擦產生微熱。潤滑油的熱膨脹係數高於聚合物,導致油被從微孔中「推」向眾合物表面,在滾動體與滾道間形成完美油膜。
潤滑油再吸收:騎行停止,軸承溫度下降。剩餘潤滑油會通過毛細管作用被重新「吸」回聚合物矩陣的微孔中。
他牌 (SXX) - 1. 珠子較少 / 間隙大 / 且間隙不一致

此結構明顯為固態滑脂與鋼珠先於軸承外進行注塑成型,後續組裝至軸承內部。由於與內、外環之間的貼合緊密性不足,容易在運轉或環境變化時產生負壓效應 (P.S.),進而提高水氣滲入軸承內部的風險。

此外,其固態滑脂體積較小、含油量不足,且鋼珠數量亦少於 HPB及鋼球定位不平均,在潤滑與壽命及運轉穩定性上皆相對受限。且於鹽霧測試下,鹽水易經由上述縫隙進入軸承內部,導致鋼珠與內外環產生鏽蝕,因此96小時耐鹽霧測試後便失效。
天心 (TH) - 2. 完全填滿的工程

Polymer 已將軸承的內外cones填滿,讓外界的灰塵、水氣無處容納,這種完全填滿的工程才是最優的設計,這對於模具的精密度與注塑的技術要求,相對來說;都是很高的。正因為幾乎填滿,整個軸承內部,可以形成一道極度堅固的保護屏障。

他牌 (SXX) - 2. 留有空間

保持器與內外cone仍留有相當大的空間,容易放大負壓效應(P.S.),所以必須額外再上2個防水圈,這不能稱為固態軸承,因為這種設計與成形方式仍屬於傳統軸承。最關鍵的是負壓效應對軸承壽命的影響。

天心 (TH) - 3. 倒R角細節

HPB 有倒R角,這裡要說的是細節,細節不僅影響重大,亦可看出工程師們在設計之初的嚴謹度。

他牌 (SXX) - 3. 無倒R角細節

軸承內環內角 (IA) 無倒R角,長期使用會割破內走線保護層及其他相關配件,導致發生故障。

測試結果

天心 (TH) - 4. 鹽水噴霧高達1000小時,結果僅輕微鏽斑
天心 (TH) - 5. 泥沙旋轉測試30萬轉後,輕微鏽斑,轉動依然順暢
天心 (TH) - 6. 低溫測試 -15°C 下仍可順暢轉動
他牌 (SXX) - 4. 96小時後,生鏽且卡死
他牌 (SXX) - 5. 30萬轉後,已顯現鏽蝕,轉動明顯沙沙與頓點
他牌 (SXX) - 6. 同左
P.S. 負壓效應

負壓效應係指因內外壓力差所產生的滲透現象,類似人體呼吸時吸氣所形成的壓力差。當軸承內部與外界環境的壓力差越大,負壓效應越明顯,水氣與灰塵即越容易被吸入軸承內部。