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高温、高速深沟球保持架的开发及试验验证(一) | 交叉滚子轴承_圆柱_圆锥滚子轴承_YRT转盘轴承_洛阳鸿元轴承科技有限公司

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高温、高速深沟球保持架的开发及试验验证(一)

发布时间:2021年12月11日上午8:47

近年来,以新能源驱动电机轴承为代表的高温、高速应用工况,对轴承的使用性能提出了更高的要求,制造难度也大大增加。

轴承的应用特点主要包括:

1)长寿命。寿命要求由原来的8年10万公里,提高到10年30万公里(油润滑轴承要求达到80万公里)。

2)高转速。乘用车最常用的驱动电机转子支承轴承6206-2RS、6207-2RS等,平均转速由原先的12000r/min,提升到16000r/min,最新又提出24000r/min的要求;以特斯拉、比亚迪为代表的电动汽车的应用转速已经达到20000r/min,dn值超过了110万,达到极限转速的3倍以上。

3)急加速,百公里加速由原来的20~30s提高到2~3s。

4)大冲击力,最高可达30g

5)高密封性能要求,防漏脂、防水、防微尘等密封性能要求高。

为满足轴承的这些要求,与以往同类轴承相比,需具备较高的精度,较低的振动及噪声,较低的摩擦力矩,耐冲击,良好的密封性能等等。因此,在高速轴承研发中,需要对结构、保持架、润滑脂、密封圈、试验技术等进行全方位的优化,其中保持架设计问题是其中的一个关键因素,下面重点针对创新型高温、高速深沟球轴承高速保持架的开发和试验进行分析和说明

01

保持架的受力情况

深沟球轴承保持架结构主要有浪形、S形、冠形,根据不同的应用工况、材质,设计结构细节上有多种变化。随着高速深沟球轴承的研发,单从保持架材质看,近年来,dn值超过65万以上的深沟球轴承已经很少使用钢制保持架,多采用工程塑料保持架,主要考虑的影响因素包括:高速下保持架的离心力、强度、振动和磨损等。工程塑料保持架自身重量轻,振动小(较钢制保持架振动值低2~3dB以上),耐冲击等优点,已经广泛应用于电机深沟球轴承中,特别是高速电机深沟球轴承。

通常,保持架被看作一个受复杂力系作用的刚体,受力主要包括:

1)保持架与滚动体相互作用面上的冲击力和摩擦力;

2)保持架与套圈引导挡边接触表面的法向力和摩擦力(假定挡边引导保持架);

3)高速运动的离心力;

4)保持架质心不平衡引起的力;

5)重力;

6)保持架惯性力;

7)保持架与润滑剂的滚动粘滞阻力和搅拌阻力。

由于冠形塑料保持架(图1)单边开口,质心偏离(不可避免)钢球运转中心横截面。高速运转时,由于离心力、接触角等的变化,钢球和滚道之间会产生差动、自旋、陀螺等复杂运动,这些运动势必会对保持架造成剧烈的碰撞,加剧保持架的磨损、发热及变形。一方面,这些运动会对保持架兜孔底部产生高频摆动扭曲,再加之保持架兜孔底部相对较薄弱(轴承内部空间所限)和高温时材料变软的影响,可能造成保持架兜孔底部的断裂。另一方面,由于这种质心的不对称和差动滑动、自旋滑动、陀螺滑动等导致的高温,以及长期处于电机的高温运行环境中,可能导致保持架爪口变软、变形;高速运转时,保持架有向底部方向(爪口的反方向)顶出的趋势,速度越高、产生的温升越高,这种风险越大,可能导致保持架失去引导而致使轴承失效。

高温、高速深沟球保持架的开发及试验验证(一)

图1 冠形工程塑料保持架

02

保持架结构的创新

国内外很多公司都在高速深沟球轴承保持架的结构设计上进行了诸多的创新和探索。

1)SKF

图2为SKF公司的经典保持架结构,为该公司十几年前的探索者系列产品,适用于高速电机深沟球轴承。

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图2 SKF公司高速深沟球保持架结构

2)NSK

NSK通过新开发的润滑脂和树脂保持架,实现了dn值140万的高速旋转工况(轴承内径:35 mm;转速:30000r/min),如图3所示;今年NSK又推出了第三代世界最高转速、电动车驱动电机用高速球轴承(图4)。

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图3 NSK公司高速深沟球轴承保持架结构

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图4 NSK第三代高速深沟球轴承保持架结构

3)国内公司A

图5为国内公司A的保持架结构,兜孔底部带有圆柱形轴向弧槽,其目的为减轻保持架重量,质心更靠近钢球旋转中心截平面,增加轴承内部容脂空间等。

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图5 国内A公司高速深沟球保持架结构

4)国内公司B

图6为国内公司B的保持架结构,与公司A类似,但其兜孔底部为轴向矩形挖槽,实现目的同公司A。

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图6 国内B公司高速深沟球保持架结构

5)创新型

创新型系列保持架结构如图7所示。

高温、高速深沟球保持架的开发及试验验证(一)

(a)2018版

高温、高速深沟球保持架的开发及试验验证(一)

(b)2020版

图7 创新型专利保持架结构

创新型高速深沟球轴承保持架的结构特点为:

1)兜孔内表面带有对称的油槽,有利于保持架高速运行时,保证钢球与兜孔之间的接触润滑和储油以及油脂的流动,快速带走兜孔内部的热量,保持兜孔形状的稳定性;

2)加大保持架下冠与兜孔之间的壁厚,保证保持架高速高温运转时兜孔的强度和稳定性;

3)保持架底部开有环形槽,有利于减轻保持架重量,增大容脂空间,减小保持架底部变形对整体保架运行稳定性的影响;

4)每个兜孔之间底弧为圆锥弧,保证兜孔外径与底弧之间壁厚和兜孔内径与底弧之间壁厚的一致性,在保持架高速运转时,兜孔形状的变形最小化,有利于引导钢球稳定运转。

以深沟球轴承6307为例,上述列举的保持架基础数据对比见表1。

表1 不同公司高速深沟球轴承6307保持架的基础数据对比

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