轴承，转动的传奇

　　轴承的作用虽然很单一，仅仅是用来减少轴在转动时产生的摩擦，但是用到它的地方却有很多—上到飞机、火箭，下到汽车、自行车；大到水轮机组，小到散热风扇……在地球上几乎所有由人类造出能够转动的东东上，我们都可以找到轴承的身影。在人类文明的发展过程中，轴承不仅历史悠久，而且绝对具有举足轻重的地位。既然如此，那《Geek》就来说道说道轴承的发展史。

　　要论历史，早在2400多年以前我国就已经创造出了滑动轴承。在这种滑动轴承上，有着与现代滑动轴承非常相似的结构—轴瓦。所谓的轴瓦，其形状通常为半圆柱面，好似一片弧度为180度的铁瓦。两片轴瓦将轴环抱，这样轴就能够在光滑的轴瓦中转动，摩擦力相对直接固定轴要小很多。而在此之后的200年，为了进一步减少摩擦，滚动轴承的祖宗出现了—在我国山西省永济市薛家崖村就曾出土过滚动轴承的雏形。据考证，这个类似现代滚动轴承的玩意儿诞生于公元前221年～207年的秦朝，主要用于战车的车轮上。而在西方，在公元前40年沉没在意大利奈米湖的古罗马商船上才发现了类似现代滚动轴承的结构—一个用木球来支撑旋转桌面的机械装置。由此看来，无论是滑动轴承，还是滚动轴承，中国都走在世界的前列。虽然在秦朝，我国就有了滚动轴承的雏形，但是真正的滚动轴承发明人还得算是元代天文学家郭守敬—他为了减少天文简仪赤道环与百刻环在旋转时产生的摩擦，在产生摩擦的位置上放置了四根短铜棒。非常可惜，郭守敬当时并没有为这项设计申请专利，否则FAG、SKF、Timken以及NSK这些如今非常牛×的轴承巨头都要支付天文数字般的“保护费”了。

　　轴承的历史虽然可以追述到2400年以前，但是从它的诞生到18世纪初，由于制造工艺的问题，发展都非常缓慢。在这么长的时间里，结构简单的滑动轴承一直是广大人民群众喜闻乐见的东东，特别是在马车上，滑动轴承得到了广泛的应用。这样的情况一直持续到了18世纪末才有所改变。虽然达·芬奇大约在16世纪初年的时候，曾经对一种滚动轴承的结构进行过详细描述。但是由于滚动的木球与木球之间总会发生碰撞，容易造成额外的摩擦，所以它的性能并不稳定。当然要解决这个问题倒也不难，就是将各个木球的位置用“笼子（保持架）”进行固定，以防止它们相互碰撞，避免产生额外的摩擦。到了17世纪，伽利略对“笼装球”的球轴承进行了设想。不过非常可惜，这位伟大的天文学家在很长一段时间内都忙于应付教会对其提出“日心说”的惩罚，哪里还有时间将自己的设想付之现实。于是，对滚动轴承的改进只能停留在草图阶段。不过滚动轴承与许多革新一样，工业发展的需求总是它们的原动力。为了代替采用面接触的滑动轴承，英国人菲利普·沃恩在1794年发布了他的一项发明，并成功获得了专利—他在球轴承的内圈的外侧与外圈的内侧上各加工了一条供木球滚动的深沟，而各个木球的位置通过金属制成的环形支架来固定。这种球轴承在运转的时候，不仅对各个木球之间的位置进行了固定，而且还对木球的运动轨迹进行了限定。也正因为如此，沃恩所发明的滚动轴承在结构上已经非常接近我们现在常用的的球轴承了。

　　球轴承逐渐成型的时候，古老的滑动轴承也没闲着，在沃恩发明球轴承的45年之后，滑动轴承迎来了它最大的变革。由于滑动轴承采用的是面接触（滚动轴承采用的是点或线接触），所以具有承载能力强的特点，多用于高转速、高负荷的环境。当然，也正是由于滑动轴承采用的是面接触，所以它的缺点也非常明显—轴与滑动轴承之间的摩擦较大。为了解决这一缺点，许多人尝试用不同的材料来制造滑动轴承。结果不是材料的成本太高，就是材料达不到要求。在这些人中，一个叫做艾萨克·巴比特（Isaac Babbitt）的美国人在1839年捣鼓出的一种合金成功地解决了这一问题。这种合金主要成分为锡、铅、锑与铜，用它制造出的滑动轴承在磨合之后，其表面会出现凸起的硬质点，使轴与滑动轴承之间形成了非常小的空腔。而这样的空腔不仅缩小了接触面，而且非常适合做润滑处理，有利于减小摩擦。除此之外，凸起的硬质点也对轴起到了支承作用，有利于承载更高的负荷。由于这种合金后来广泛应用在滑动轴承上，于是人们将它以巴比特的名字来命名，称为巴式合金。

　　随着工业的发展，沃恩发明的球轴承开始应用在纺纱机、蒸汽机上。不过，由于那时候的球轴承都是由手工作坊所生产，特别是在加工作为滚动体的木球时，球体的外型和大小只能依靠制造者的手艺来控制，要做出十多个大小外形一致的木球是非常困难的，所以球轴承的产量并不大。这样的情况一直持续了100多年。到了1883年，一个严谨的德国人弗里德里希·弗舍尔（Friedrich Fischer）发明了革命性的球磨机—通过这个玩意儿他可以轻而易举地磨制出非常标准的钢球。于是，他提出了将钢球代替木球作为球轴承的滚动体的想法。有了这个了不起的机械，生产球轴承比以前的手工作坊容易了许多。弗舍尔发明的球磨机不仅为现代球轴承工业的发展奠定了基石，而且还为他带来了大把的钞票—当年他就创建了地球上第一家球轴承工厂FAG。

　　除了以球体作为滚动体的球轴承之外，还有一种以圆柱体或圆锥体作为滚动体的滚子轴承。滚子轴承虽然也属于滚动轴承，但它与球轴承却有着明显的不同—球轴承的滚动体为球体，采用了点接触；而滚子轴承的滚动体则是圆柱体或圆锥体，采用的是线接触。由于圆柱体或圆锥体的生产要比球体容易许多，所以滚子轴承的历史也要比球轴承长得多—前面我们已经提到的郭守敬为了减少天文简仪赤道环与百刻环在旋转时产生的摩擦，而放置的四根短铜棒其实就是一种原始的圆柱滚子轴承。虽然滚子轴承的历史很长，但是真正让它扬名天下的却是1895年由亨利·铁姆肯（Henry Timken）发明的圆锥滚子轴承。1831年铁姆肯出生在德国的不来梅，作为大器晚成的代表，他在自己64岁的时候才发明了世界上第一个圆锥滚子轴承。而在此之前，铁姆肯是个马车制造工厂的老板。在维修马车的时候，他发现马车如果载重量过大，那么在它进入弯道之后，不仅很难操控，而且稍有不慎就会造成球轴承的损坏。这样的情况对于铁姆肯这个精明的商人而言，自然是不能容忍的—只有在不改变马车载重量的情况下，让它更好地过弯才能实现利润的最大化。为了解决这个问题，铁姆肯开始了对这一情况进行研究。经过仔细观察，他发现产生这样的情况是由于马车在直线行驶的时候，轴承承受的力是与轴承运动方向水平的，术语上把这种力叫做径向负载；而当马车进入弯道之后，轴承所受的力的方向发生了改变，偏离了轴承滚动的方向，这种力被专业人员称为轴向负载。于是，答案很快就出来了：他需要一种同时能够承受轴向负载与径向负载的滚动轴承。要满足这样的要求，铁姆肯在现成的圆柱滚子轴承的基础上进行改进—他改变了圆柱滚子轴承原本水平相对的内圈与外圈，赋予它们一定角度，将圆柱体的滚动体改为了圆锥体。通过这一改动，使用这种滚子轴承的马车能够轻松地转弯，因此这种新轴承在实际应用时大受欢迎。于是，铁姆肯在1899年成立了以自己名字命名的公司—Timken。自1901年开始，新兴的汽车市场首次超过了已经是日落西山的马车行业。随着汽车工业的发展，Timken的圆锥滚子轴承得到了广泛的应用。时至今日，Timken已经成为全球最大的圆锥滚子轴承制造商了。

　　如果说沃恩发明了现代球轴承的原形，弗舍尔开启了轴承工业化的序幕，铁姆肯让滚子轴承扬名天下，那么来自瑞典的年轻工程师斯文·温奎斯特（SvenWingquist）则是将球轴承发扬光大的那个人。话说1905年，因为纺织机上的球轴承总是因为轴与轴承不在同一轴线上而频繁损坏。迫于Boss的压力，温奎斯特被搞得非常抑郁，精神几乎崩溃，以致于整日都在图纸上疯狂涂鸦。某一天，他突然灵感大发，在图纸上画出了一种新型的轴承草图—他设计出了世界上第一个自调心球轴承。这种有两列钢球，内圈有两条滚道，外圈有一个共同凹形球面滚道的球轴承，不受轴与轴承不在同一轴线上的影响，非常适用于那些承载能力较大的环境。另外，由于自调心球轴承在所有的滚动轴承中摩擦是最低的，所以它在高转速下也能保持较低的温度。当温奎斯特试制出这种轴承之后，他发现自调心球轴承不仅解决了他在纺织机上遇到的问题，而且市场对这种轴承的需求也非常强烈。于是穿够了小鞋的温奎斯特决定自己当Boss，在1907年创立了自己的球轴承生产厂—也就是后来大名鼎鼎的SKF。

　　在自调心球轴承大获成功之后，SKF开始了其他类型的球轴承生产，甚至还进行了滚子轴承的研发制造。1908年，SKF开始生产推力球轴承。虽然推力球轴承属于球轴承的一种，但是在结构上却与传统的球轴承有着很大的不同——它的结构并不是由内圈、外圈、保持架和滚动体这4个部分组成，而是由轴圈、座圈、滚动体和保持架组成。这种结构的滚动轴承分为单向推力球轴承与双向推力球轴承两种，前者只能承受一个方向的轴向负载，而后者则可承受两个方向的轴向负载。正是因为推力球轴承可承受轴向负载的特点，所以这种类型的球轴承多用于汽车主销、机床主轴、起重机吊钩等方面。

　　在上个世纪的第一个10年过去之后，无论是滚动轴承还是滑动轴承，它们的结构都已经定型。而轴承在此后的发展，其实就是对前面的轴承进行改进与优化而已。对于滑动轴承，这么多年过去了，其结构并没有什么改变，但是人们在巴比特之后，为了减少摩擦而想尽了办法—除了用常见的润滑脂与润滑油来减少摩擦之外，还有利用空气来做轴承润滑剂，甚至有“无润滑油”的滑动轴承。在这些滑动轴承中，出现在上世纪60年代的含油轴承毫无疑问是距我们生活最近的—大多数电脑中的散热风扇，采用的就是含油轴承。含油轴承虽然属于滑动轴承，但它却是一种“无润滑油”的滑动轴承。当然，我们并不是说含油轴承不需要润滑油，而指的是它不需要添加润滑油。由于含油轴承通常由铜、铁等金属粉末压制而成，所以在结构上具有许多孔洞。正是由于这样的结构，人们可以在含油轴承的制作过程中加入润滑油，并通过那些孔洞来存储。当含油轴承工作的时候，随着温度升高润滑油就会自动溢出进行润滑。由于含油轴承中的润滑油是不可添加的，所以一旦润滑油用尽，含油轴承也就寿终正寝了。而这也正是大多数电脑中的散热风扇在用上一段时间之后噪音增大的原因。

　　在人们的印象当中，滚动轴承一般都是局限在某个固定的位置进行转动。其实，滚动轴承可以实现更多的运动方式。在上世纪之初，人们开始对通过滚动接触实现直线运动的技术进行了研究。一直到1972年，刚刚成立一年的THK公司找到了解决方案，开发出了直线运动导轨。从严格意义上讲，直线运动导轨已经没有了滚动轴承的模样，但它通过在滑块上安装若干钢球，减少滑块在导轨上的摩擦，实现滑块的往复式直线运动。从结构上进行分析，直线运动导轨仍然是滚动轴承的一个分支，因此直线运动导轨也被称为直线运动轴承。1977年THK在对直线运动导轨改进之后，开始了大规模的生产，并随之设计了多种型号的直线运动导轨。由于直线运动导轨可以获得非常平稳的直线运动，非常适合精密零件的制造与测量，因此在数控机床与3坐标测量仪上很常见。

　　从轴承的雏形到今天，轴承已经走过了2200多年。经过上个世纪的飞速发展，轴承从手工作坊实现了工业生产，广泛应用在与你我工作、生活相关的方方面面。虽然，今天轴承的分类已经越来越细致，种类也越来越多，但是这些轴承从结构上来看它们都是由前面所介绍的轴承所衍生而来的。即便有人认为进入新世纪之后轴承工业已经到了“成熟期”，发展已经相对变得缓慢，但我们仍然相信新型材料的应用、加工工艺的提高，有着2200多年历史的轴承将继续承载着人类发展的车轮滚滚向前。