超高速球軸承設(shè)計(jì)影響因素及優(yōu)化

隨著混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的高速發(fā)展，環(huán)保等對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求是更小、更輕。電動(dòng)機(jī)尺寸更小，其輸出功率也會(huì)減小，但是為確保與目前發(fā)動(dòng)機(jī)具備相同或者更高的輸出功率，就需要采用更高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)。下面介紹電動(dòng)機(jī)用深溝球軸承為了能夠承受超過(guò)30 000 r/min的轉(zhuǎn)速（是目前所用軸承極限轉(zhuǎn)速的1.5倍），進(jìn)行的分析和優(yōu)化。

影響因素分析

1.潤(rùn)滑

選用油潤(rùn)滑方式。由于滾動(dòng)體和保持架的高速旋轉(zhuǎn)，大量的潤(rùn)滑油會(huì)在離心力的作用下向軸承的外徑方向移動(dòng)，內(nèi)圈和滾動(dòng)體之間或者滾動(dòng)體和保持架之間的潤(rùn)滑不夠充分。潤(rùn)滑不足會(huì)造成軸承內(nèi)部零件的粘著、導(dǎo)致軸承卡死。增加潤(rùn)滑油的解決途徑則會(huì)引起潤(rùn)滑油攪拌產(chǎn)生的阻力增大，力矩增大。

2.摩擦

(1)球與溝道表面的摩擦

深溝球軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，球和溝道表面之間的滑動(dòng)摩擦與軸承的轉(zhuǎn)速成正比。正常轉(zhuǎn)速下滑動(dòng)摩擦的影響是可以忽略的。但是在超高速條件下控制球和溝道表面的摩擦是非常重要的，因?yàn)槟Σ亮Φ募眲≡黾訒?huì)導(dǎo)致軸承的發(fā)熱量增大。

(2)球與保持架之間的摩擦

深溝球軸承常用沖壓鋼浪形保持架和塑料冠形保持架。沖壓鋼保持架是由兩半沖壓成浪形具有球兜孔結(jié)構(gòu)的半保持架鉚接而成；塑料冠形保持架由含玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍樹(shù)脂制作而成。兩種保持架都設(shè)有帶鎖口的球形兜孔；球與保持架兜孔間會(huì)產(chǎn)生摩擦。正常轉(zhuǎn)速下，作用在球和保持架上的力很小，保持架兜孔處的摩擦力與球和軸承套圈間摩擦力一樣，都可以忽略不計(jì)。但在30 000 r/min 的超高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，球的圓周速度可以達(dá)到40 m/s甚至更高，球和保持架間的點(diǎn)應(yīng)力增加。塑料保持架具有自潤(rùn)滑性且重量較輕，因此其比沖壓鋼保持架更適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。軸承超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下若潤(rùn)滑不足，球與保持架兜孔之間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)加大兜孔表面的磨損，甚至保持架有可能從軸承中脫出。

3.保持架強(qiáng)度

選用塑料冠形保持架。塑料冠形保持架在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下，保持架的外表面會(huì)發(fā)生變形，這時(shí)保持架會(huì)與軸承外圈接觸。當(dāng)保持架與軸承外圈接觸時(shí)，軸承溫升增加。此外，已發(fā)生較大變形的兜孔保持架會(huì)因兜孔圓周表面應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生斷裂，需要開(kāi)發(fā)出增強(qiáng)型保持架結(jié)構(gòu)，可以承受上述由于離心力造成的保持架變形和破壞，可以通過(guò)增加保持架壁厚提高保持架的強(qiáng)度，但又不能增加軸承寬度。

4.優(yōu)化改進(jìn)

 (1)安裝擋蓋控制油流量

通過(guò)安裝擋蓋來(lái)避免潤(rùn)滑油溢流到軸承端面，可以使軸承內(nèi)部潤(rùn)滑充分，解決在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)離心力作用下軸承內(nèi)部潤(rùn)滑不足的問(wèn)題。

(2)減少摩擦

通過(guò)優(yōu)化溝徑尺寸和球徑來(lái)減少球和軸承套圈之間的滑動(dòng)。通過(guò)提高兜孔表面的潤(rùn)滑性和減少球與保持架之間的沖擊力以有效避免兜孔表面的磨損。安裝擋蓋增加潤(rùn)滑油流量；通過(guò)調(diào)整球與保持架兜孔的間隙以及內(nèi)圈外徑與保持架內(nèi)徑的間隙，來(lái)減小球與保持架之間的沖擊力和磨損。

(3)提高保持架強(qiáng)度

增加現(xiàn)有保持架壁厚，提高保持架的剛度，減小保持架在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的變形，避免保持架兜孔表面產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂。最新開(kāi)發(fā)軸承的剖面圖如下。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的軸承，通過(guò)溫升試驗(yàn)、高速耐久試驗(yàn)?zāi)軌驖M(mǎn)足30 000 r/min的超高速運(yùn)轉(zhuǎn)需求。

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