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超高速深沟球轴承设计影响因素及优化

2021-02-04
随着混合动力汽车和电动汽车的高速发展,环保等的要求是电动机更小、更轻。电动机尺寸更小,其输出功率也会减小,但是为确保与目前发动机具备相同或者更高的输出功率,就需要采用更高转速的电动机。下面介绍电动机用深沟球轴承为了能够承受超过30 000 r/min的转速(是目前所用轴承极限转速的1.5倍),进行的分析和优化。
影响因素分析
1)润滑
选用油润滑方式。由于滚动体和保持架的高速旋转,大量的润滑油会在离心力的作用下向轴承的外径方向移动,内圈和滚动体之间或者滚动体和保持架之间的润滑不够充分。润滑不足会造成轴承内部零件的粘着、导致轴承卡死。增加润滑油的解决途径则会引起润滑油搅拌产生的阻力增大,力矩增大。
高速运转下轴承的内部状态
2)摩擦
球与沟道表面的摩擦
深沟球轴承旋转时,球和沟道表面之间的滑动摩擦与轴承的转速成正比。正常转速下滑动摩擦的影响是可以忽略的。但是在超高速条件下控制球和沟道表面的摩擦是非常重要的,因为摩擦力的急剧增加会导致轴承的发热量增大。
球与保持架之间的摩擦
深沟球轴承常用冲压钢浪形保持架和塑料冠形保持架。冲压钢保持架是由两半冲压成浪形具有球兜孔结构的半保持架铆接而成;塑料冠形保持架由含玻璃纤维增强的尼龙树脂制作而成。两种保持架都设有带锁口的球形兜孔;球与保持架兜孔间会产生摩擦。正常转速下,作用在球和保持架上的力很小,保持架兜孔处的摩擦力与球和轴承套圈间摩擦力一样,都可以忽略不计。但在30 000 r/min 的超高速运转条件下,球的圆周速度可以达到40 m/s甚至更高,球和保持架间的点应力增加。塑料保持架具有自润滑性且重量较轻,因此其比冲压钢保持架更适用于高速运转。轴承超高速运转下若润滑不足,球与保持架兜孔之间产生的摩擦力会加大兜孔表面的磨损,甚至保持架有可能从轴承中脱出。
3)保持架强度
选用塑料冠形保持架。塑料冠形保持架在高速旋转时,在离心力作用下,保持架的外表面会发生变形,这时保持架会与轴承外圈接触。当保持架与轴承外圈接触时,轴承温升增加。此外,已发生较大变形的兜孔保持架会因兜孔圆周表面应力过大而发生断裂,需要开发出增强型保持架结构,可以承受上述由于离心力造成的保持架变形和破坏,可以通过增加保持架壁厚提高保持架的强度,但又不能增加轴承宽度。
优化改进
1)安装挡盖控制油流量
通过安装挡盖来避免润滑油溢流到轴承端面,可以使轴承内部润滑充分,解决在超高速运转离心力作用下轴承内部润滑不足的问题。
2)减少摩擦
通过优化沟径尺寸和球径来减少球和轴承套圈之间的滑动。通过提高兜孔表面的润滑性和减少球与保持架之间的冲击力以有效避免兜孔表面的磨损。安装挡盖增加润滑油流量;通过调整球与保持架兜孔的间隙以及内圈外径与保持架内径的间隙,来减小球与保持架之间的冲击力和磨损。
3)提高保持架强度
增加现有保持架壁厚,提高保持架的刚度,减小保持架在超高速运转下的变形,避免保持架兜孔表面产生过大的应力,导致断裂。最新开发轴承的剖面图如下。
优化设计的轴承剖面图
优化设计的轴承,通过温升试验、高速耐久试验能够满足30 000 r/min的超高速运转需求。
来源:Motion & Control
翻译:张浩洋
校对:徐海利
整理:轴承杂志社
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