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    上一次关于电脑散热的超能课堂里讲到了风扇对散热系统的作用,提到了决定风扇的风量和风压两个概念,这两个性能主要由风扇的扇叶设计来决定,散热器借助风扇扇叶的转动将其机械能转换为空气的势能和动能,从而形成强制对流将鳍片热量传递到环境中来帮助CPU降温。风扇在转动方面自然是由电机和轴承负责,而轴承作为承担转动这项功能的关键零件,在不同方向上的选择很大程度上决定风扇的使用寿命、噪音和整体品质。

    图片来源:酷冷至尊

    轴承作为在当代机械设备中普遍存在的重要零件,有着降低其运动过程中的摩擦系数,并保证其回转精度的作用,目前我们我们能接触到的大部分的轴承,主要还是使用滑动摩擦的滑动轴承和使用滚动摩擦的滚动轴承的这两种原理或者混合使用。


    滑动轴承


    滚珠轴承

    而在在电脑风扇散热器这个领域还是以滑动轴承为主的众多的改进型,散热风扇上使用的主要有:含油轴承,液压轴承、来福轴承、流体动压轴承。而在要求长时间使用的工业领域目前主要还是以滚珠轴承和改进型为主,在风扇上使用的主要有:单滚珠轴承、双滚珠轴承、磁浮轴承。

    滚动摩擦和滑动摩擦

    其实滑动轴承和滚珠轴承之争就是滑动摩擦和滚动摩擦之争,在物理学上我们的认识是:滑动摩擦的两个摩擦面是固定的,而滚动摩擦中的一个摩擦面是变化的,接触点在不断改变。滚动摩擦指的是物体在另一物体上滚动时产生的摩擦。滑动摩擦指的是物体沿着另一物体表面滑动时所产生的摩擦力。

    在相同条件下,滚动摩擦它比最大静摩擦和滑动摩擦都要小很多,在一般情况下,滚动摩擦只有滑动摩擦阻力的1/40至1/60。因此在地面上滚动物体时会比推着物体滑动省力不少。

    那么从理论上讲,主要是滚动摩擦的滚动轴承应该已经吊打一切一统江湖了,然而在已经有无数的事实在告诉我们:理论始终只是理论,在实际的应用上完全不是那么一回事。

    使用成本之争:滑动轴承成本低

    实际上绝大多数廉价散热风扇轴承其实就是最简单的套筒轴承,这种轴承由轴芯与轴套组成,中间一般会填充润滑油降低摩擦,结构非常简单,这种时候被叫做含油轴承。

    我们能看到,这种采用滑动摩擦原理的套筒轴承说白了就是为了节省成本,而滚动轴承毫无疑问则复杂的多,结构上简单一点的滚动轴承就有:内圈、外圈、滚动体和保持架四部分,制造材料上一般采用硬度较高的轴承钢作为原材料,对零部件加工精度也要高很多,总体上滚珠轴承就要贵一点。

    在理想环境下,滑动轴承的滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触,可以大大减小摩擦损失和表面磨损,油膜还具有一定的吸振能力,令转动平滑稳定,同时也做到了低噪音。

    但这只是理想环境,普通的含油轴承套筒里的润滑油在经过一定时间的使用后蒸发泄漏,而且会有灰尘等杂质进入轴承,导致轴承的滑动面直接接触,摩擦变大,之后风扇转速变慢,噪音增大等问题,如果在这种情况下继续使用,在经过一段时间后,轴承的磨损有可能造成风扇偏心引发剧烈震动。

    应用场景之争:滑动轴承更稳定

    而要说到在电脑硬件上轴承的改进,其实最早也不是为了风扇改进的,因为说到底在转动这件事上,散热风扇的要求并不算高,滑动轴承的大胜利还得从电脑的另一件硬件讲起。

    如果突然问到你电脑主机里面有几个轴承的话,一般人都会不假思索的直接回答,那肯定是有几个风扇就有几个轴承,但实际上,在主机里面的机械硬盘上也有轴承,硬盘作为对转动这件事要求极高的硬件,对轴承会有更高的要求,所以更高级的滑动轴承一开始是为了硬盘准备的。

    在更早的时候电脑的硬盘直接使用滚珠轴承,但传统的滚珠轴承无法消除滚珠的不均匀性,说白了,目前人类工艺造出来的球还不够圆,滚珠轴承的其余部分虽然也已尽可能的减少公差,但制造精度各个方面都有限制,在高转速的硬盘中,滚珠振动难以消除。振动导致滚珠与滚珠轨道间的撞击,久而久之,这些轨道将永久性变型,导致硬盘的工作噪音继续增加,同时也导致硬盘电机主轴振动,多重因素都会干扰数据在高密度磁道上的读写,从而破坏整个硬盘工作稳定性。

    不断改进的滑动轴承

    为了解决问题,厂商又把目光转回到滑动轴承上面,液压轴承(Hydraulic Bearing)最初由AVC首创,是在含油轴承的基础上改进而来的。液压轴承采用了独特的环式供油回路,很大程度上减少了漏油的问题,寿命比普通含油轴承大大延长了。此外,流体还提供着一种机械阻力也能在一定程度上增强硬盘的防震能力,从而提高硬盘的工作稳定性,此前使用滚珠轴承在硬盘上带来的震动也是普通存在的问题。

    还有酷冷至尊的来福轴承(Rifle Bearing) ,来福轴承采用耐磨材料制成含油的中空轴承,减小了轴承与轴芯之间摩擦力,来福轴承还带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯,在风扇运转时含油将形成反向回游,进一步避免含油流失,因此提升了轴承寿命。来福轴承风扇通过采用以上结构及零件,使得含油及保油能力大幅提升,并降低了噪音。


    图片来源:酷冷至尊

    目前高端风扇使用最多的FDB(FluidDynamic Bearing)流体动压轴承经历了最多的改进,不同于来福轴承的循环回路供油系统,流体动压轴承将润滑油始终固定在了轴心内部。同样设计了精巧的循环油路系统,同时轴套和轴心有一定的偏心设计,转动启动后,旋转产生的流体动压将轴从轴承上托起一段距离,厚度通常只有人发丝直径的十分之一。液态油产生的压力使得轴芯在转动时始终与轴套是分开的,这极大的减少摩擦,提高了寿命,而且拥有更低的工作噪音。同时这项技术可以让主轴达到更高的转速,对于动辄5000转以上的硬盘工作也有很大帮助。但到这个时候在成本上流体动压轴承已经不比滚珠轴承便宜太多。

    在FDB轴承中,电机主轴通过整合在轴承上的一个更大区域来传递振动,从而大大地增强了振动的缓冲能力。

    目前使用的FDB轴承的散热风扇在实际的使用表现上已经有相当大的优势,主流的高端散热风扇基本上都是采用的FDB轴承或以此为基础的改进型。当然了,在具体的技术细节上还出现了不少优秀的改进型,其中就包括大名鼎鼎的猫头鹰的SSO自稳定油压轴承。


    图片来源:noctua

    SSO轴承的原理仍然是液体动压轴承,普通的液态轴承在刚开始运行的时候因为陀螺效应,会带来一些额外的磨损。但猫头鹰在SSO轴承上配备了一个额外的磁铁,磁场将使转子轴转动的初期更加稳定,进一步降低了轴承的磨损程度和噪音。之后猫头鹰还推出了SSO2,进一步优化产品,磁体被置于更靠近转子轴的地方,可以给转子轴施加更高的磁力,使轴承有了更好的稳定性、精度和耐久性。


    图片来源:noctua

    总结:散热风扇滑动轴承已是大势所趋

    在经过了诸多改进后,目前的高端滑动轴承已经拥有了不弱于滚动轴承的实际表现,在机械传动效率上,如果润滑不良的滑动轴承只有0.94,不如球轴承(稀油润滑)的0.99,但在润滑正常后回到0.97,润滑特好(压力润滑)的0.98,最后的液体摩擦0.99已经完全不弱于滚动轴承。

    在摩擦系数上,滚动轴承的摩擦系数为0.001~0.005,普通滑动轴承的摩擦系数为0.08~0.12,这一点上,滑动轴承似乎永远无法匹敌滚动轴承,但实际情况是如果摩擦表面间有充足的润滑油,能将相对运动着的两金属表面分隔开。此时,只有液体之间的摩擦,称为液体摩擦,又称为液体润滑,摩擦系数同样很小0.001~0.01,换言之,如果能一直保持优秀润滑,滑动轴承在摩擦系数上也不会比滚动轴承差太多,当然这也是最难的一点。


    图片来源:九州风神

    使用寿命上,一些优秀的FDB轴承已经可以做到10万小时以上的使用寿命,并不比普通的滚珠轴承差。在噪音方面FDB轴承还有着天然的优势,滚珠轴承同时因为滚珠的存在,滚动轴承振动和噪声都比较大,而且随着使用会更加明显,这个缺点在家中使用追求较高静音效果的使用场景里真的无解,当然也有部分真正高端的滚珠轴承可以做到较低的噪音水平,但成本会非常高。

    目前的在电脑散热风扇上,基本上都是以FDB轴承为主的改进型号,至于双滚珠轴承,除过一些用在服务器领域超高转速的工业扇,主流的消费级产品已经很少在使用。

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