超能課堂:散熱風扇軸承之爭——滑動軸承如何登上王座?

2020-12-21 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。

相關焦點

  • 小軸承大學問!談談散熱風扇的軸承設計
    【PConline 雜談】有電腦,就有散熱。無散熱,性能從何談起?目前主流的散熱方式有水冷以及風冷。但是由於成本、上手等因素,風冷散熱的統治地位是不言而喻的。不過,每當你在乾燥的冬天碰到那煩人的散熱器噪聲時,你應該惡補下,為什麼老電腦散熱器的噪音為何越來越明顯?為何乾燥冬天的散熱器會讓你頭疼?這一次,DIY帶你走進科學,走進軸承的世界。
  • 影響風扇壽命關鍵!風扇軸承系統詳解
    但是由於篇幅的原因,未能為大家做詳細的介紹,今天筆者就為大家詳細講解下風扇軸承的相關知識。    對DIY有濃厚興趣的朋友,除了要對硬體有個大致的了解,對於硬體周邊設備也要熟知一二——在文章開始之前讓我們先對散熱風扇的各個參數有個大致的認識。下面筆者就為大家介紹下風扇的常規參數。
  • 安耐美磁浮軸承風扇解析
    最近,ENERMAX「安耐美」把最新技術的磁浮軸承風扇帶入了國內市場,分別是銀蝠、白蝠與火蝠系列,銀蝠與白蝠系列有8cm,9cm和12cm 3種尺寸,火蝠有8cm和12cm 2種尺寸,不同需求的用戶都能找到適合自己的產品。
  • 機械設備中滑動軸承的潤滑
    滑動軸承的潤滑軸承潤滑是為了減小摩擦阻力﹑減輕磨損﹑冷卻軸承﹑吸振和防鏽。為了軸承的正常工作和延長軸承壽命﹐必須正確地選擇潤滑劑和潤滑裝置。間歇供油用於小型﹑低速或間歇運轉的不重要的軸承。通常﹐每隔適當時間由人工用油壺向軸承的油孔或注油杯注入潤滑油。比較重要的軸承應採用下述連續供油方式及潤滑裝置。1)滴油潤滑 此種方式易於控制供油量﹐潤滑方式可靠。2)潤滑 此種方式供油連續﹐但供油量不大﹐且不易調節油量。
  • 真空封口機滑動軸承合金你了解多少
    下面看一下真空封口機滑動軸承合金。在真空封口機中,滑動軸承比較重在,這其中,用於製造軸瓦或內村的合金稱為軸承合金與滾動軸承相比,滑動軸承具有示壓面積大,工作平穩、無噪聲以及裝拆方便等優點,應用廣滑動軸承的工作條件及對軸承合金的性能要求。真空封口機滑動軸承合金組成的軸承在工作時,不僅要承受軸的壓力,而且軸與軸承之間還會產生強烈的摩擦。
  • 電源散熱效果大比拼 大風扇VS小風扇
    後置8cm風扇的散熱方式如上圖所示,在後置風扇形成的負壓作用下,空氣從前方柵格進入,沿與散熱片平行的方向流經散熱片和電容、電感、變壓器等發熱元件,最後被後置風扇抽出。在後置小風扇的設計中,散熱片通常為全高尺寸,比較厚,大功率型號中常呈T形或L形。外殼側面對應散熱死角的位置一般留有開孔,使得空氣從此進入冷卻附近的元件,如位於一次側的PFC電感、大電容等,位於二次側的濾波電容等。
  • 動壓軸承知多少?
    眾所周知,電源風扇承擔整個電源的散熱重任,風扇一旦停止運轉,整個電源也意味著將要去西方拜見「佛祖」了,因此,把風扇比作電源的「心臟」毫不誇張。據調查數據顯示:65%以上的電源故障是由於電源風扇散熱不佳而導致的。另外,作為電腦噪音主要來源,電源風扇產生的噪音也是最讓人頭疼的。
  • 天津調心滾子軸承使用
    瘢痕推力球軸承若載荷不足情況下轉速過高,離心力會把滾珠甩向滾道外側,滾珠與滾道產生相對滑動而非正常滾動,導致滾道外側形成傾斜的條狀劃擦痕跡,一般通過對軸承附預緊載荷(如彈簧)可以避免。Si3N4陶瓷材料具有密度小、彈性模量大、熱脹係數小、耐高溫、不導電、不導磁和導熱係數小等優點。由表中看出,全部類型細系夾雜標準範圍較大(5~140倍),而粗系夾雜接近於要求的零位值。
  • 領導靜音電源革命 超頻三低碳版2.0配動壓軸承
    作為備受DIY玩家推崇的品牌,超頻三電源一向以極致靜音而廣受市場好評,不管是全線產品標配液壓軸承風扇,還是獨有的熱導管雙重散熱(熱管版系列),又或是自主研發專利的BFS後斜吹結構(坦克版系列),都代表了超頻三在電源領域追求極致靜音的成果。
  • 散熱是關鍵 機箱究竟配幾個風扇最合理
    但對於高端玩家來說機箱不僅僅是個保護殼同時還具有輔助散熱的功能,機箱內的風扇位安裝好風扇組合出合理的風道,會讓你的硬體保持在一個良好的問題。    機箱散熱問題最關鍵的就是合理的風道設計以及風扇的利用,有些玩家們會問,機箱中的風扇位那麼多,我們該如何合理的安裝,對於入門級的玩家來說該如何解決風道問題,同時還能更好的節省成本?
  • 動壓軸承+三年換新!超頻三Q7 2.0評測
    我們也看到了,在運轉過程中動壓軸承不存在大面積的定子與轉子摩擦現象,同時潤滑油採用防漏設計,風扇軸承壽命得到充分保障,其無故障時間長達10萬小時,使用壽命比雙滾珠軸承壽命還長。    超頻三Q7 低碳版2.0電源的散熱模式與傳統電源相同,冷風通過正面12cm動壓軸承風扇進入,帶走內部高溫元件的熱量,然後從側面蜂巢狀通風孔散發出去。不同之處在於,一般電源使用的油封或滾珠軸承,品質較差;而Q7低碳版2.0配備的動壓軸承能夠同時兼顧靜音、風量、壽命。
  • 風扇安裝最流行 細數機箱散熱那些事
    今天筆者將為大家講述如何讓機箱內部更加涼爽,保證硬體的散熱效果。同時還可以幫助玩家們購買的心意的散熱機箱,對於要對主機進行升級的玩家也可以學到機箱內風扇如何安裝才能更好的支持新平臺更好的運行,小白級玩家也可以通過文章在散熱方面提升為高手。下面我們一起來體驗下機箱散熱那些事。
  • 如何選擇CPU散熱風扇
    風扇的主要性能從以下幾個方面體現:轉速、扇葉形狀、扇葉角度和軸承系統。一般情況下,在散熱器的說明書上都標明風扇的轉速。一般來說散熱器的散熱效果有30%要取決於風扇的轉速,但風扇並不是轉速越高越好。正確的風扇轉速應該根據CPU的發熱量決定,不同規格的風機轉速選擇都應該有所區分,基本的原則就是:在產生同等風量的前提下,風機越大轉速就應該越低,噪音同樣也會較小,一般在3500轉至5200轉之間的轉速是比較合乎常規的。
  • 小微大話軸承之軸承的密封形式及其優缺點分析
    用過軸承的朋友們都知道,現在幾乎所有的軸承都是帶密封的,其目的是為了防止軸承部位內潤滑劑的外漏,以及防止外部的灰塵、水分、異物等有害物體侵入軸承內部,使得軸承可以在所要求的條件狀態下,安全而持久地運轉。
  • 天津調心滾子軸承注意事項4要點
    天津調心滾子軸承注意事項4要點 ,「gjg3ewwqqdq」 天津調心滾子軸承注意事項4要點如何提高直線軸承工作效率和減少的方法?軸承鋼使用狀態下的組織應是回火馬氏體基體上均勻分布著細小的碳化物顆粒,這樣的組織可以賦予軸承鋼所的性能。軸向基本額定動載荷指假想作用於滾動軸承的恆定的中心軸向載荷,在該載荷作用下滾動軸承的基本額定壽命為一百萬轉。為了保證發動機的運轉精度,這些滑動NSK軸承的運轉間隙要求也是很高的。發動機滑動軸承的故障原因都可以歸根於:臨界狀態和引起破壞運轉間隙的任何幹擾及破壞油膜的任何物質。
  • 「軸承知識」我們常說的軸承合金屬於什麼材質的呢?
    軸承合金是製造軸承用的合金的總稱,軸承合金又叫巴氏合金,巴氏合金是一種軟基體上分布著硬顆粒相的低熔點軸承合金。有錫基、鉛基、鎘基三個系列。巴氏合金是廣為人知的軸承材料,具有減摩特性的錫基和鉛基軸承合金。由美國人巴比特發明而得名,因其呈白色,又稱白合金,其應用可以追溯到工業革命時代。
  • 絕緣軸承怎麼安裝,詳細介紹正確安裝軸承的五個步驟
    例如,安裝軸承時,工作人員曾採用銅棒敲入法,易造成軸承軸向受力不均,引起保持架變形,滾動體受損,遊隙變大,且銅棒在敲擊過程中,銅末飛入軸承保持架內,易造成軸承故障。 二、安裝前做好軸承的檢查工作 對於舊軸承,需檢查滾珠(柱)表面是否存在毛刺、劃痕、裂紋。舊軸承的徑向間隙、軸向遊隙是否合格,一般只測量徑向間隙。對於新軸承,首先要檢查軸承型號是否正確。
  • 天津調心滾子軸承清洗方法
    目前軸承製造廠家仍然在使用,以振動速度值來衡量軸承的優劣,僅僅簡單地反映了軸承的疲勞壽命。振動速度標準(俗稱V標由於原振動速度標準還沒有廢除,所以該標準是以機械工業部頒標準出現的,是參考標準結合實際情況和制定的,以檢測軸承振動速度來劃分軸承的質量等級(等同於標準。    分為V、VVVV4五個質量等級。
  • 機箱散熱很重要 京東熱售散熱風扇推薦
    人們在重視硬體散熱的同時往往很容易忽略了機箱散熱的重要性,機箱作為整個平臺的載體,散熱效果的好壞直接影響整個平臺性能的發揮。機箱散熱主要依靠散熱風扇來解決,並且有兩個要素:一是機箱風道的設計,這個比較根本,影響整個平臺;而是機箱風扇的效率,這是影響散熱效率的關鍵。
  • 減速機軸承的選用及軸承的間隙調整
    Sulli小蘇:今天詳細介紹下減速軸承。減速機軸承是使用在各類減速機中的專用軸承。減速機軸承類型有很多,常用的有滾動軸承和圓柱滾子軸承較多。減速機軸承是使用在各類減速機中的專用軸承。減速機軸承類型有很多,常用的有滾動軸承和圓柱滾子軸承較多。