超能課堂:散熱風扇軸承之爭——滑動軸承如何登上王座?

2020-12-20 超能網

上一次關於電腦散熱的超能課堂裡講到了風扇對散熱系統的作用,提到了決定風扇的風量和風壓兩個概念,這兩個性能主要由風扇的扇葉設計來決定,散熱器藉助風扇扇葉的轉動將其機械能轉換為空氣的勢能和動能,從而形成強制對流將鰭片熱量傳遞到環境中來幫助CPU降溫。風扇在轉動方面自然是由電機和軸承負責,而軸承作為承擔轉動這項功能的關鍵零件,在不同方向上的選擇很大程度上決定風扇的使用壽命、噪音和整體品質。

圖片來源:酷冷至尊

軸承作為在當代機械設備中普遍存在的重要零件,有著降低其運動過程中的摩擦係數,並保證其迴轉精度的作用,目前我們我們能接觸到的大部分的軸承,主要還是使用滑動摩擦的滑動軸承和使用滾動摩擦的滾動軸承的這兩種原理或者混合使用。

滑動軸承

滾珠軸承

而在在電腦風扇散熱器這個領域還是以滑動軸承為主的眾多的改進型,散熱風扇上使用的主要有:含油軸承,液壓軸承、來福軸承、流體動壓軸承。而在要求長時間使用的工業領域目前主要還是以滾珠軸承和改進型為主,在風扇上使用的主要有:單滾珠軸承、雙滾珠軸承、磁浮軸承。

滾動摩擦和滑動摩擦

其實滑動軸承和滾珠軸承之爭就是滑動摩擦和滾動摩擦之爭,在物理學上我們的認識是:滑動摩擦的兩個摩擦面是固定的,而滾動摩擦中的一個摩擦面是變化的,接觸點在不斷改變。滾動摩擦指的是物體在另一物體上滾動時產生的摩擦。滑動摩擦指的是物體沿著另一物體表面滑動時所產生的摩擦力。

在相同條件下,滾動摩擦它比最大靜摩擦和滑動摩擦都要小很多,在一般情況下,滾動摩擦只有滑動摩擦阻力的1/40至1/60。因此在地面上滾動物體時會比推著物體滑動省力不少。

那麼從理論上講,主要是滾動摩擦的滾動軸承應該已經吊打一切一統江湖了,然而在已經有無數的事實在告訴我們:理論始終只是理論,在實際的應用上完全不是那麼一回事。

使用成本之爭:滑動軸承成本低

實際上絕大多數廉價散熱風扇軸承其實就是最簡單的套筒軸承,這種軸承由軸芯與軸套組成,中間一般會填充潤滑油降低摩擦,結構非常簡單,這種時候被叫做含油軸承。

我們能看到,這種採用滑動摩擦原理的套筒軸承說白了就是為了節省成本,而滾動軸承毫無疑問則複雜的多,結構上簡單一點的滾動軸承就有:內圈、外圈、滾動體和保持架四部分,製造材料上一般採用硬度較高的軸承鋼作為原材料,對零部件加工精度也要高很多,總體上滾珠軸承就要貴一點。

在理想環境下,滑動軸承的滑動表面被潤滑油分開而不發生直接接觸,可以大大減小摩擦損失和表面磨損,油膜還具有一定的吸振能力,令轉動平滑穩定,同時也做到了低噪音。

但這只是理想環境,普通的含油軸承套筒裡的潤滑油在經過一定時間的使用後蒸發洩漏,而且會有灰塵等雜質進入軸承,導致軸承的滑動面直接接觸,摩擦變大,之後風扇轉速變慢,噪音增大等問題,如果在這種情況下繼續使用,在經過一段時間後,軸承的磨損有可能造成風扇偏心引發劇烈震動。

應用場景之爭:滑動軸承更穩定

而要說到在電腦硬體上軸承的改進,其實最早也不是為了風扇改進的,因為說到底在轉動這件事上,散熱風扇的要求並不算高,滑動軸承的大勝利還得從電腦的另一件硬體講起。

如果突然問到你電腦主機裡面有幾個軸承的話,一般人都會不假思索的直接回答,那肯定是有幾個風扇就有幾個軸承,但實際上,在主機裡面的機械硬碟上也有軸承,硬碟作為對轉動這件事要求極高的硬體,對軸承會有更高的要求,所以更高級的滑動軸承一開始是為了硬碟準備的。

在更早的時候電腦的硬碟直接使用滾珠軸承,但傳統的滾珠軸承無法消除滾珠的不均勻性,說白了,目前人類工藝造出來的球還不夠圓,滾珠軸承的其餘部分雖然也已儘可能的減少公差,但製造精度各個方面都有限制,在高轉速的硬碟中,滾珠振動難以消除。振動導致滾珠與滾珠軌道間的撞擊,久而久之,這些軌道將永久性變型,導致硬碟的工作噪音繼續增加,同時也導致硬碟電機主軸振動,多重因素都會干擾數據在高密度磁軌上的讀寫,從而破壞整個硬碟工作穩定性。

不斷改進的滑動軸承

為了解決問題,廠商又把目光轉回到滑動軸承上面,液壓軸承(Hydraulic Bearing)最初由AVC首創,是在含油軸承的基礎上改進而來的。液壓軸承採用了獨特的環式供油迴路,很大程度上減少了漏油的問題,壽命比普通含油軸承大大延長了。此外,流體還提供著一種機械阻力也能在一定程度上增強硬碟的防震能力,從而提高硬碟的工作穩定性,此前使用滾珠軸承在硬碟上帶來的震動也是普通存在的問題。

還有酷冷至尊的來福軸承(Rifle Bearing) ,來福軸承採用耐磨材料製成含油的中空軸承,減小了軸承與軸芯之間摩擦力,來福軸承還帶有反向螺旋槽及擋油槽的軸芯,在風扇運轉時含油將形成反向回遊,進一步避免含油流失,因此提升了軸承壽命。來福軸承風扇通過採用以上結構及零件,使得含油及保油能力大幅提升,並降低了噪音。

圖片來源:酷冷至尊

目前高端風扇使用最多的FDB(FluidDynamic Bearing)流體動壓軸承經歷了最多的改進,不同於來福軸承的循環迴路供油系統,流體動壓軸承將潤滑油始終固定在了軸心內部。同樣設計了精巧的循環油路系統,同時軸套和軸心有一定的偏心設計,轉動啟動後,旋轉產生的流體動壓將軸從軸承上託起一段距離,厚度通常只有人髮絲直徑的十分之一。液態油產生的壓力使得軸芯在轉動時始終與軸套是分開的,這極大的減少摩擦,提高了壽命,而且擁有更低的工作噪音。同時這項技術可以讓主軸達到更高的轉速,對於動輒5000轉以上的硬碟工作也有很大幫助。但到這個時候在成本上流體動壓軸承已經不比滾珠軸承便宜太多。

在FDB軸承中,電機主軸通過整合在軸承上的一個更大區域來傳遞振動,從而大大地增強了振動的緩衝能力。

目前使用的FDB軸承的散熱風扇在實際的使用表現上已經有相當大的優勢,主流的高端散熱風扇基本上都是採用的FDB軸承或以此為基礎的改進型。當然了,在具體的技術細節上還出現了不少優秀的改進型,其中就包括大名鼎鼎的貓頭鷹的SSO自穩定油壓軸承。

圖片來源:noctua

SSO軸承的原理仍然是液體動壓軸承,普通的液態軸承在剛開始運行的時候因為陀螺效應,會帶來一些額外的磨損。但貓頭鷹在SSO軸承上配備了一個額外的磁鐵,磁場將使轉子軸轉動的初期更加穩定,進一步降低了軸承的磨損程度和噪音。之後貓頭鷹還推出了SSO2,進一步優化產品,磁體被置於更靠近轉子軸的地方,可以給轉子軸施加更高的磁力,使軸承有了更好的穩定性、精度和耐久性。

圖片來源:noctua

總結:散熱風扇滑動軸承已是大勢所趨

在經過了諸多改進後,目前的高端滑動軸承已經擁有了不弱於滾動軸承的實際表現,在機械傳動效率上,如果潤滑不良的滑動軸承只有0.94,不如球軸承(稀油潤滑)的0.99,但在潤滑正常後回到0.97,潤滑特好(壓力潤滑)的0.98,最後的液體摩擦0.99已經完全不弱於滾動軸承。

在摩擦係數上,滾動軸承的摩擦係數為0.001~0.005,普通滑動軸承的摩擦係數為0.08~0.12,這一點上,滑動軸承似乎永遠無法匹敵滾動軸承,但實際情況是如果摩擦表面間有充足的潤滑油,能將相對運動著的兩金屬表面分隔開。此時,只有液體之間的摩擦,稱為液體摩擦,又稱為液體潤滑,摩擦係數同樣很小0.001~0.01,換言之,如果能一直保持優秀潤滑,滑動軸承在摩擦係數上也不會比滾動軸承差太多,當然這也是最難的一點。

圖片來源:九州風神

使用壽命上,一些優秀的FDB軸承已經可以做到10萬小時以上的使用壽命,並不比普通的滾珠軸承差。在噪音方面FDB軸承還有著天然的優勢,滾珠軸承同時因為滾珠的存在,滾動軸承振動和噪聲都比較大,而且隨著使用會更加明顯,這個缺點在家中使用追求較高靜音效果的使用場景裡真的無解,當然也有部分真正高端的滾珠軸承可以做到較低的噪音水平,但成本會非常高。

目前的在電腦散熱風扇上,基本上都是以FDB軸承為主的改進型號,至於雙滾珠軸承,除過一些用在伺服器領域超高轉速的工業扇,主流的消費級產品已經很少在使用。

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