什麼是軸承？
儘管軸承一詞鮮少在日常生活中聽見，但軸承身影卻隨處可見。舉凡汽機車、風扇、筆電等等都有著軸承。那軸承究竟是什麼呢？簡單來說，軸承是用來支撐旋轉軸並讓轉軸運轉更加順暢的元件，如圖1。
從圖1可知軸承構造分別包含外環、內環、滾子以及滾子間的保持器，中間內環通常用來固定轉軸，外環則固定於機械內部不動端。當轉軸旋轉的時候，由於內環緊配在轉軸上，內環也會跟著旋轉，在外環維持不動的狀態下，同時帶動滾子轉動。
我們現在假想一個狀況，如果機械固定端上有個孔洞，我們就能將轉軸放入孔洞並讓轉軸旋轉。同樣都是旋轉，為何多套一個軸承呢？
答案是因為滾子與內外環接觸為滾動摩擦，相較轉軸與孔洞間的滑動摩擦，滾動摩擦阻力更小。因此，軸承能減少轉動元件間的摩擦，進而提升傳動效率、使用壽命，這也是軸承廣泛使用的主要理由。
什麼是軸承蠕變？
簡單了解軸承元件與用途後，接著要來看看什麼是軸承蠕變(Bearing creep)。軸承蠕變為一種導致軸承損壞的現象，主要是指內外環與固定端或軸件產生相對運動，這種相對運動會使軸承在長期磨損下產生微粒，當微粒進到軸承內部就會損壞軸承，也有可能使軸承發熱或偏心，進一步降低性能，如圖2。
儘管看了文字說明，但對於軸承蠕變可能還是似懂非懂。那我們來看看下方影片吧！從影片中可以看到在轉軸與內環高速旋轉的當下，外圈也緩慢旋轉著，外環與固定端的相對運動就是所謂的軸承蠕變。
根據負載方式不同，軸承蠕變有兩種類型，分別是旋轉蠕變與受力蠕變。旋轉蠕變是元件間旋轉負荷大於摩擦扭矩導致的現象，外環蠕變方向與內環旋轉方向相反，如圖3(a)所示。
受力蠕變則是某側逕向負荷較高造成的，外環蠕變方向與內環旋轉方向一致。這兩者除了蠕變方向不同以外，旋轉蠕變的接觸區會隨著負載變動，但由於受力蠕變作用力方向單一，故外環與固定端接觸區位置不變。
NTN最新技術的無蠕變軸承！
知道什麼是軸承蠕變後，我們來看看日本公司NTN的最新技術，也就是今天的主角無蠕變軸承。顧名思義，這種軸承可以避免蠕變發生，降低軸承故障率。說得更準確一點，NTN這次推出的無蠕變軸承用來解決受力蠕變的問題。那他們究竟是怎麼解決問題呢？我們得先看看受力蠕變是如何發生的。
圖4用來說明受力蠕變的發生過程。當滾子運動時，會在前進方向上對軸承外環施壓(黃色箭頭)，這時外環也會承受來自固定端相反方向的力，而軸承外環在上下施壓後會產生水平方向的應變(藍色箭頭)。
再來就是關鍵。
某側徑向負荷過高導致接觸區受力較大，靠近接觸區一側的應變不易延展，形成兩側應變量不等的狀態。同理，滾子後方的外環舒張也一樣會有兩側應變不等的情況。由於軸承外環在前進方向上應變量較高，故軸承外環沿著前進方向蠕變。
那NTN是怎麼克服這個問題呢？答案其實出乎意料地簡單，如圖5所示。從圖5可知NTN的無蠕變軸承只是在軸承外環削一個逃溝，讓軸承不再是圓環狀。為什麼這樣就能解決受力蠕變的問題？可以從軸承內部的應變關係來解釋。
圖6展示無蠕變軸承外環的應變關係。外環增設逃溝之後，接觸區並不會在滾子下方，而是位於逃溝兩端，形成類似剪支樑(Simple beam)的應變狀態。當軸承外環撓曲時，遠離滾子一側受到拉伸，靠近滾子一側受到壓縮，滾子兩側應變相等就不會產生蠕變，而無蠕變軸承的效果可參照下方影片。
主廚結語
喝完這碗雞湯，各位覺得如何呢？先前雖然也有廠商提出無蠕變軸承的設計，如Koyo或NSK等等，但除了在軸承外環追加工以外，還要添加額外材質。即使如此，也不見得可以完全抑制蠕變。此次NTN透過一個巧思就解決這個問題，不得不讓人佩服呢！
參考文獻
- Jianjun Zhan, Hiromichi Takemura, A STUDY ON BEARING CREEP MECHANISM WITH FEM SIMULATION, Proceedings of IMECE, 2007