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超高速球軸承設計影響因素及優化

超高速球軸承設計影響因素及優化


隨著混合動力汽車和電動汽車的高速發展,環保等對電動機的要求是更小、更輕。電動機尺寸更小,其輸出功率也會減小,但是為確保與目前發動機具備相同或者更高的輸出功率,就需要采用更高轉速的電動機。下面介紹電動機用深溝球軸承為了能夠承受超過30 000 r/min的轉速(是目前所用軸承極限轉速的1.5倍),進行的分析和優化。

 

影響因素分析

1.潤滑

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



2.摩擦

(1)球與溝道表面的摩擦

深溝球軸承旋轉時,球和溝道表面之間的滑動摩擦與軸承的轉速成正比。正常轉速下滑動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,因為摩擦力的急劇增加會導致軸承的發熱量增大。

 

(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構的半保持架鉚接而成;塑料冠形保持架由含玻璃纖維增強的尼龍樹脂制作而成。兩種保持架都設有帶鎖口的球形兜孔;球與保持架兜孔間會產生摩擦。正常轉速下,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。但在30 000 r/min 的超高速運轉條件下,球的圓周速度可以達到40 m/s甚至更高,球和保持架間的點應力增加。塑料保持架具有自潤滑性且重量較輕,因此其比沖壓鋼保持架更適用于高速運轉。軸承超高速運轉下若潤滑不足,球與保持架兜孔之間產生的摩擦力會加大兜孔表面的磨損,甚至保持架有可能從軸承中脫出。


 

3.保持架強度

選用塑料冠形保持架。塑料冠形保持架在高速旋轉時,在離心力作用下,保持架的外表面會發生變形,這時保持架會與軸承外圈接觸。當保持架與軸承外圈接觸時,軸承溫升增加。此外,已發生較大變形的兜孔保持架會因兜孔圓周表面應力過大而發生斷裂,需要開發出增強型保持架結構,可以承受上述由于離心力造成的保持架變形和破壞,可以通過增加保持架壁厚提高保持架的強度,但又不能增加軸承寬度。

 

4.優化改進

 (1)安裝擋蓋控制油流量

通過安裝擋蓋來避免潤滑油溢流到軸承端面,可以使軸承內部潤滑充分,解決在超高速運轉離心力作用下軸承內部潤滑不足的問題。

 

(2)減少摩擦

通過優化溝徑尺寸和球徑來減少球和軸承套圈之間的滑動。通過提高兜孔表面的潤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。安裝擋蓋增加潤滑油流量;通過調整球與保持架兜孔的間隙以及內圈外徑與保持架內徑的間隙,來減小球與保持架之間的沖擊力和磨損。

 

(3)提高保持架強度

增加現有保持架壁厚,提高保持架的剛度,減小保持架在超高速運轉下的變形,避免保持架兜孔表面產生過大的應力,導致斷裂。最新開發軸承的剖面圖如下。

 

優化設計的軸承,通過溫升試驗、高速耐久試驗能夠滿足30 000 r/min的超高速運轉需求。




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