Die rasante Entwicklung von Hybrid- und Elektroautos hat dazu geführt, dass Elektromotoren aufgrund von Umweltauflagen immer kleiner und leichter werden müssen. Kleinere Elektromotoren verringern die Ausgangsleistung, aber um sicherzustellen, dass sie die gleiche oder eine höhere Ausgangsleistung wie die derzeitigen Motoren haben, sind höhere Motordrehzahlen erforderlich. Dieser Artikel analysiert und optimiert Rillenkugellager die in Elektromotoren verwendet werden, um Drehzahlen von mehr als 30.000 U/min standzuhalten, was dem 1,5-fachen der aktuellen Grenzdrehzahl der Lager entspricht.
Analyse der beeinflussenden Faktoren:
1) Schmierung
Die Ölschmierung wird verwendet, um eine ausreichende Schmierung der inneren Teile der Lager zu gewährleisten. Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsrotation der Wälzkörper und des Käfigs bewegt sich jedoch eine große Menge Schmieröl unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft in Richtung des Außendurchmessers des Lagers, und die Schmierung zwischen dem Innenring und den Wälzkörpern oder zwischen den Wälzkörpern und dem Käfig ist möglicherweise nicht ausreichend. Unzureichende Schmierung kann dazu führen, dass die inneren Teile des Lagers verkleben und das Lager festsitzt. Eine Erhöhung der Schmierölmenge erhöht den Widerstand, der durch das Aufrühren des Schmieröls entsteht, und führt zu einem Anstieg des Drehmoments.
Interner Zustand der Lager bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb:
2) Reibung
Reibung zwischen der Kugel und der Laufbahnoberfläche
Wenn sich das Rillenkugellager dreht, ist die Gleitreibung zwischen der Kugel und der Laufbahnoberfläche proportional zur Drehzahl des Lagers. Unter normalen Drehzahlbedingungen kann der Einfluss der Gleitreibung vernachlässigt werden. Allerdings ist die Kontrolle der Reibung zwischen der Kugel und der Laufbahnoberfläche unter Ultra-Hochgeschwindigkeitsbedingungen sehr wichtig, da der plötzliche Anstieg der Reibungskraft zu einer erhöhten Wärmeentwicklung des Lagers führen kann.
Reibung zwischen dem Ball und dem Käfig
Rillenkugellager werden in der Regel mit wellenförmigen Käfigen aus gestanztem Stahl und kronenförmigen Käfigen aus Kunststoff verwendet. Der gestanzte Stahlkäfig wird durch Vernieten von zwei halben wellenförmigen Halbkäfigen mit einer Kugeltaschenstruktur hergestellt. Der kronenförmige Kunststoffkäfig wird aus glasfaserverstärktem Nylonharz hergestellt, und beide Käfige haben Kugeltaschen mit Verriegelungsnuten. Die zwischen dem Ball und der Käfigtasche entstehende Reibungskraft kann unter normalen Geschwindigkeitsbedingungen vernachlässigt werden, da die auf Ball und Käfig wirkende Kraft sehr gering ist. Unter Ultrahochgeschwindigkeitsbedingungen von 30.000 U/min kann die Umfangsgeschwindigkeit der Kugel jedoch 40 m/s oder sogar mehr erreichen, und die Punktbelastung zwischen Kugel und Käfig nimmt zu. Der Kunststoffkäfig hat selbstschmierende Eigenschaften und ist leichter, so dass er sich besser für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb eignet. Bei Ultrahochgeschwindigkeitsbetrieb nimmt bei unzureichender Schmierung die Reibungskraft zwischen der Kugel und der Käfigtasche zu, was zu Verschleiß an der Taschenoberfläche und sogar zum Herausfallen des Käfigs aus dem Lager führen kann.
3) Stärke des Käfigs
Kunststoffkäfige in Kronenform werden verwendet, um hohen Drehzahlen standzuhalten. Unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft bei Hochgeschwindigkeitsdrehung verformt sich die Außenfläche des Käfigs und berührt den Außenring des Lagers. Wenn der Käfig den Außenring des Lagers berührt, erhöht sich die Temperatur des Lagers. Darüber hinaus kann ein Käfig mit starker Verformung aufgrund der übermäßigen Belastung an der Umfangsfläche der Käfigtasche brechen. Daher ist eine verbesserte Käfigstruktur erforderlich, um den durch die Zentrifugalkraft verursachten Verformungen und Schäden zu widerstehen. Eine Erhöhung der Wandstärke des Käfigs kann die Festigkeit des Käfigs verbessern, aber die Breite des Lagers kann nicht erhöht werden.
Optimierungsmaßnahmen:
1) Installieren Sie ein Ablenkblech zur Steuerung des Öldurchflusses
Durch den Einbau eines Ablenkblechs kann verhindert werden, dass Schmieröl auf die Stirnseite des Lagers überläuft. Dadurch wird eine ausreichende interne Schmierung des Lagers gewährleistet und das Problem der unzureichenden Schmierung im Ultrahochgeschwindigkeitsbetrieb gelöst.
2) Reibung vermindern
Die Optimierung der Größe des Rillendurchmessers und des Kugeldurchmessers kann das Gleiten zwischen der Kugel und der Lagerlaufbahn verringern. Die Verbesserung der Schmierfähigkeit der Taschenoberfläche und die Verringerung der Stoßkraft zwischen der Kugel und dem Käfig können den Verschleiß der Taschenoberfläche wirksam verhindern. Der Einbau eines Ablenkblechs kann die Durchflussrate des Schmieröls erhöhen, und die Anpassung des Spiels zwischen der Kugel und der Käfigtasche sowie des Spiels zwischen dem Innenringaußendurchmesser und dem Käfiginnendurchmesser kann die Stoßkraft und den Verschleiß zwischen der Kugel und dem Käfig verringern.
3) Erhöhung der Festigkeit des Käfigs
Durch die Erhöhung der Wandstärke des Käfigs kann die Steifigkeit erhöht, die Verformung des Käfigs bei ultraschneller Rotation verringert, eine übermäßige Belastung der Umfangsfläche der Käfigtasche vermieden und ein Bruch verhindert werden. Die optimierte Lagerkonstruktion kann die Anforderungen des Ultra-Hochgeschwindigkeitsbetriebs von 30.000 U/min durch Temperaturanstiegstests und Hochgeschwindigkeits-Haltbarkeitstests erfüllen.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die oben genannten Optimierungsmaßnahmen umfassend für die Konstruktion von Rillenkugellagern eingesetzt werden können, die Drehzahlen von mehr als 30.000 U/min standhalten.
