高速滾珠主軸之流體黏滯阻尼抑振技術

前言
阻尼抑振模組被使用在機械設備中作為減少通過共振頻率時之振動。最早是由美國陸軍應用於直升機的傳動軸上，因為傳動軸較大且細長，若沒有足夠的軸承支撐，傳動軸旋轉時將會通過數個橫向的共振頻率；為了減少支撐軸承數量，因此安裝阻尼抑制模組，在滾珠軸承外環設計同心金屬環，在金屬環與傳動軸的徑向間隙注入液壓油做為阻尼；利用調整液壓油壓力與轉速而改變阻尼比，使得每個共振頻率均能達到最佳的阻尼比。缺點是加裝隨轉速改變阻尼比的阻尼抑振模組，直升機體積會變得很大，如果要減小體積，可以調高液壓油壓力，但是傳動軸與金屬環之阻尼間隙，容易產生氣穴(Cavication)現象，影響阻尼比控制。
在航空之應用上，於發動機傳動軸之軸承座結構間設計類似液動壓軸承之薄膜(Squeeze film)阻尼器，以有效抑制傳動軸與引擎結構產生之共振；之後薄膜阻尼器具體應用於飛機引擎的軸流式壓縮機，被視為飛機引擎的重要零件。就算沒有安裝薄膜阻尼器，也會在滾動軸承外環和軸承座間，設計可以含油的間隙，做為減少共振振動的阻尼。
在工具機之應用，GMN公司開發配備油壓阻尼模組的高速主軸，此油壓阻尼可使主軸轉速在通過共振頻率時之振幅降低了65%，軸向動態剛性提高了多達135%[1]。工件可以在高切削深度下持續加工，從而提高材料去除率與加工效率。因為油壓阻尼模組亦可降低在所有轉速下的振動振幅，使得加工表面精度都有所改善，這對鏜銑精加工和磨削更是重要。
阻尼抑振模組之型式
1.彈簧式阻尼
無中心定位彈簧是最簡單的阻尼型式[2]，利用彈簧吊住軸承外環，當心軸轉動後，若產生振動，彈簧模組則利用彈簧的上下浮動抑制振幅，但是浮動量會受到彈簧線圈摩擦力的影響，不易產生阻尼效果；彈簧式阻尼通常為低速、振幅大且軸承剛性高的應用。
2.O型環式阻尼
O型環阻尼式[2] 的原理是利用O型環之線徑壓縮量(約0.1~0.2 mm)吸收徑向振動，優點包括:構造簡單、製造加工方便、所需徑向空間小，也可同時做為密封元件，防止液壓洩漏；由於O型環材質易受到環境溫度、振動頻率、及壽命的影響產生老化，使O型環隨使用時間增加，阻尼效果變差，其潛變(creep)的特性更易導致非線性的行為；另外O型環無法承受軸向力，會讓定心的功能打折。
O型環阻尼通常應用於高速、高壓離心式壓縮機，將O型環和油動壓軸承串聯使用，降低旋轉不平衡引發的同步振動問題。
3.油壓式阻尼
在滾珠軸承外環所固定之浮動軸承座與軸承座間所形成之阻尼間隙，以供油系統持續供給流動之液壓油，利用液壓油的黏性、壓力與流量形成阻尼，如油壓式阻尼之組成如圖1。

圖1 油壓式阻尼之組成

阻尼抑振模組設計之計算
1.阻尼抑振模組之設計
阻尼抑振模組的設計，主要為克服在共振頻率處不平衡量引發的振動，或者次同步不穩定(Subsynchronous instability)現象，利用轉子動力模擬程式，計算出阻尼比與剛性。首先進行旋轉主軸的設計，決定主軸與軸上零件的尺寸、材料與主軸軸承的支撐位置，以振動分析得知主軸系統之共振頻率、振型與不同阻尼比狀況下之動剛性，根據主軸動剛性分析結果決定適當的阻尼比與剛性；因為阻尼抑振模組、密封元件和軸承是串聯排列的狀況，系統實際之阻尼比與剛性都會較分析值小，因此會避免將主軸振動時之節點落在軸承處，讓阻尼抑振模組產生效果。