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高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

  • 2021/12/13 8:40:53

近年來,以新能源驅(qū)動電機軸承為代表的高溫、高速應(yīng)用工況,對軸承的使用性能提出了更高的要求,制造難度也大大增加。


軸承的應(yīng)用特點主要包括:

1)長壽命。壽命要求由原來的8年10萬公里,提高到10年30萬公里(油潤滑軸承要求達(dá)到80萬公里)。

2)高轉(zhuǎn)速。乘用車最常用的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子支承軸承6206-2RS、6207-2RS等,平均轉(zhuǎn)速由原先的12000r/min,提升到16000r/min,最新又提出24000r/min的要求;以特斯拉、比亞迪為代表的電動汽車的應(yīng)用轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到20000r/min,dn值超過了110萬,達(dá)到極限轉(zhuǎn)速的3倍以上。

3)急加速,百公里加速由原來的20~30s提高到2~3s。

4)大沖擊力,最高可達(dá)30g。

5)高密封性能要求,防漏脂、防水、防微塵等密封性能要求高。


為滿足軸承的這些要求,與以往同類軸承相比,需具備較高的精度,較低的振動及噪聲,較低的摩擦力矩,耐沖擊,良好的密封性能等等。因此,在高速軸承研發(fā)中,需要對結(jié)構(gòu)、保持架、潤滑脂、密封圈、試驗技術(shù)等進(jìn)行全方位的優(yōu)化,其中保持架設(shè)計問題是其中的一個關(guān)鍵因素,下面重點針對創(chuàng)新型高溫、高速深溝球軸承高速保持架的開發(fā)和試驗進(jìn)行分析和說明

01

保持架的受力情況

深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)主要有浪形、S形、冠形,根據(jù)不同的應(yīng)用工況、材質(zhì),設(shè)計結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上有多種變化。隨著高速深溝球軸承的研發(fā),單從保持架材質(zhì)看,近年來,dn值超過65萬以上的深溝球軸承已經(jīng)很少使用鋼制保持架,多采用工程塑料保持架,主要考慮的影響因素包括:高速下保持架的離心力、強度、振動和磨損等。工程塑料保持架自身重量輕,振動小(較鋼制保持架振動值低2~3dB以上),耐沖擊等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機深溝球軸承中,特別是高速電機深溝球軸承。


通常,保持架被看作一個受復(fù)雜力系作用的剛體,受力主要包括:

1)保持架與滾動體相互作用面上的沖擊力和摩擦力;

2)保持架與套圈引導(dǎo)擋邊接觸表面的法向力和摩擦力(假定擋邊引導(dǎo)保持架);

3)高速運動的離心力;

4)保持架質(zhì)心不平衡引起的力;

5)重力;

6)保持架慣性力;

7)保持架與潤滑劑的滾動粘滯阻力和攪拌阻力。


由于冠形塑料保持架(圖1)單邊開口,質(zhì)心偏離(不可避免)鋼球運轉(zhuǎn)中心橫截面。高速運轉(zhuǎn)時,由于離心力、接觸角等的變化,鋼球和滾道之間會產(chǎn)生差動、自旋、陀螺等復(fù)雜運動,這些運動勢必會對保持架造成劇烈的碰撞,加劇保持架的磨損、發(fā)熱及變形。一方面,這些運動會對保持架兜孔底部產(chǎn)生高頻擺動扭曲,再加之保持架兜孔底部相對較薄弱(軸承內(nèi)部空間所限)和高溫時材料變軟的影響,可能造成保持架兜孔底部的斷裂。另一方面,由于這種質(zhì)心的不對稱和差動滑動、自旋滑動、陀螺滑動等導(dǎo)致的高溫,以及長期處于電機的高溫運行環(huán)境中,可能導(dǎo)致保持架爪口變軟、變形;高速運轉(zhuǎn)時,保持架有向底部方向(爪口的反方向)頂出的趨勢,速度越高、產(chǎn)生的溫升越高,這種風(fēng)險越大,可能導(dǎo)致保持架失去引導(dǎo)而致使軸承失效。

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

圖1 冠形工程塑料保持架

02

保持架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

國內(nèi)外很多公司都在高速深溝球軸承保持架的結(jié)構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行了諸多的創(chuàng)新和探索。


1)SKF

圖2為SKF公司的經(jīng)典保持架結(jié)構(gòu),為該公司十幾年前的探索者系列產(chǎn)品,適用于高速電機深溝球軸承。

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

圖2 SKF公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

2)NSK

NSK通過新開發(fā)的潤滑脂和樹脂保持架,實現(xiàn)了dn值140萬的高速旋轉(zhuǎn)工況(軸承內(nèi)徑:35 mm;轉(zhuǎn)速:30000r/min),如圖3所示;今年NSK又推出了第三代世界最高轉(zhuǎn)速、電動車驅(qū)動電機用高速球軸承(圖4)。

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

圖3 NSK公司高速深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

圖4 NSK第三代高速深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)

3)國內(nèi)公司A

圖5為國內(nèi)公司A的保持架結(jié)構(gòu),兜孔底部帶有圓柱形軸向弧槽,其目的為減輕保持架重量,質(zhì)心更靠近鋼球旋轉(zhuǎn)中心截平面,增加軸承內(nèi)部容脂空間等。

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

圖5 國內(nèi)A公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

4)國內(nèi)公司B

圖6為國內(nèi)公司B的保持架結(jié)構(gòu),與公司A類似,但其兜孔底部為軸向矩形挖槽,實現(xiàn)目的同公司A。

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圖6 國內(nèi)B公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

5)創(chuàng)新型

創(chuàng)新型系列保持架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

(a)2018版

高溫、高速深溝球保持架的開發(fā)及試驗驗證(一)

(b)2020版

圖7 創(chuàng)新型專利保持架結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新型高速深溝球軸承保持架的結(jié)構(gòu)特點為:

1)兜孔內(nèi)表面帶有對稱的油槽,有利于保持架高速運行時,保證鋼球與兜孔之間的接觸潤滑和儲油以及油脂的流動,快速帶走兜孔內(nèi)部的熱量,保持兜孔形狀的穩(wěn)定性;


2)加大保持架下冠與兜孔之間的壁厚,保證保持架高速高溫運轉(zhuǎn)時兜孔的強度和穩(wěn)定性;


3)保持架底部開有環(huán)形槽,有利于減輕保持架重量,增大容脂空間,減小保持架底部變形對整體保架運行穩(wěn)定性的影響;


4)每個兜孔之間底弧為圓錐弧,保證兜孔外徑與底弧之間壁厚和兜孔內(nèi)徑與底弧之間壁厚的一致性,在保持架高速運轉(zhuǎn)時,兜孔形狀的變形最小化,有利于引導(dǎo)鋼球穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。


以深溝球軸承6307為例,上述列舉的保持架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 不同公司高速深溝球軸承6307保持架的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比

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