Con el rápido desarrollo de los coches híbridos y eléctricos, los requisitos medioambientales exigen que los motores eléctricos sean más pequeños y ligeros. Los motores eléctricos más pequeños reducirán la potencia de salida, pero para garantizar que tengan la misma o mayor potencia de salida que los motores actuales, se necesitan velocidades de motor más altas. Este artículo analiza y optimiza rodamientos rígidos a bolas utilizados en motores eléctricos para soportar velocidades superiores a 30.000 rpm, que es 1,5 veces la velocidad límite actual de los rodamientos.
Análisis de los factores de influencia:
1) Lubricación
La lubricación por aceite se utiliza para garantizar una lubricación suficiente de las piezas internas de los rodamientos. Sin embargo, debido a la rotación a alta velocidad de los elementos rodantes y la jaula, una gran cantidad de aceite lubricante se desplazará hacia la dirección del diámetro exterior del rodamiento bajo la acción de la fuerza centrífuga, y la lubricación entre el anillo interior y los elementos rodantes o entre los elementos rodantes y la jaula puede no ser suficiente. Una lubricacion insuficiente puede hacer que las partes internas del rodamiento se peguen y provocar el agarrotamiento del rodamiento. El aumento de la cantidad de aceite lubricante incrementará la resistencia causada por la agitación del aceite lubricante, lo que provocará un aumento del par.
Estado interno de los rodamientos en funcionamiento a alta velocidad:
2) Fricción
Fricción entre la bola y la superficie de la pista de rodadura
Cuando el rodamiento rígido de bolas gira, la fricción de deslizamiento entre la bola y la superficie de la pista de rodadura es proporcional a la velocidad del rodamiento. En condiciones de velocidad normal, la influencia de la fricción por deslizamiento puede ignorarse. Sin embargo, el control de la fricción entre la bola y la superficie de la pista de rodadura es muy importante en condiciones de ultra-alta velocidad, ya que el aumento repentino de la fuerza de fricción puede causar un aumento de la generación de calor del rodamiento.
Fricción entre el balón y la jaula
Los rodamientos rígidos a bolas se suelen utilizar con jaulas onduladas de acero estampado y jaulas de plástico en forma de corona. La jaula de acero estampado se fabrica remachando dos semiarmazones en forma de media onda con una estructura de cavidades para bolas. La jaula de plástico en forma de corona está hecha de resina de nylon reforzada con fibra de vidrio, y ambas jaulas tienen cavidades en forma de bola con ranuras de bloqueo. La fuerza de fricción generada entre la bola y la cavidad de la jaula puede ignorarse en condiciones normales de velocidad, ya que la fuerza que actúa sobre la bola y la jaula es muy pequeña. Sin embargo, en condiciones de ultravelocidad de 30.000 rpm, la velocidad circunferencial de la bola puede alcanzar los 40 m/s o incluso más, y la tensión puntual entre la bola y la jaula aumentará. La jaula de plástico tiene propiedades autolubricantes y es más ligera, por lo que es más adecuada para el funcionamiento a alta velocidad. En funcionamiento a ultra alta velocidad, si la lubricación es insuficiente, la fuerza de fricción entre la bola y la cavidad de la jaula aumentará, provocando el desgaste de la superficie de la cavidad e incluso la posibilidad de que la jaula se salga del rodamiento.
3) Resistencia de la jaula
Las jaulas de plástico en forma de corona se utilizan para soportar la rotación a alta velocidad. Bajo la acción de la fuerza centrífuga durante la rotación a alta velocidad, la superficie exterior de la jaula se deformará y entrará en contacto con el anillo exterior del rodamiento. Cuando la jaula entra en contacto con el anillo exterior del rodamiento, la temperatura del rodamiento aumentará. Además, una jaula con una gran deformación puede fracturarse debido a una tensión excesiva en la superficie circunferencial de la cavidad de la jaula. Por lo tanto, se requiere una estructura de jaula mejorada para soportar la deformación y los daños causados por la fuerza centrífuga. Aumentar el grosor de la pared de la jaula puede mejorar la resistencia de la jaula, pero no se puede aumentar la anchura del cojinete.
Medidas de optimización:
1) Instalar un deflector para controlar el caudal de aceite.
La instalación de un deflector puede evitar que el aceite lubricante rebose hacia la cara extrema del rodamiento, garantizando una lubricación interna suficiente del rodamiento y resolviendo el problema de la lubricación insuficiente en funcionamiento a ultra alta velocidad.
2) Reducir la fricción
La optimización del tamaño del diámetro de la ranura y del diámetro de la bola puede reducir el deslizamiento entre la bola y la pista de rodadura del rodamiento. La mejora de la lubricidad de la superficie de la cavidad y la reducción de la fuerza de impacto entre la bola y la jaula pueden evitar eficazmente el desgaste de la superficie de la cavidad. La instalación de un deflector puede aumentar el caudal de aceite lubricante, y el ajuste de la holgura entre la bola y la cavidad de la jaula y la holgura entre el diámetro exterior del anillo interior y el diámetro interior de la jaula puede reducir la fuerza de impacto y el desgaste entre la bola y la jaula.
3) Aumentar la resistencia de la jaula
El aumento del grosor de la pared de la jaula puede aumentar su rigidez, reducir la deformación de la jaula bajo rotación a ultra alta velocidad, evitar la tensión excesiva en la superficie circunferencial de la cavidad de la jaula y prevenir la fractura. El diseño optimizado del rodamiento puede cumplir los requisitos del funcionamiento a ultra alta velocidad de 30.000 rpm mediante pruebas de aumento de temperatura y pruebas de durabilidad a alta velocidad.
En resumen, las medidas de optimización anteriores pueden aplicarse ampliamente para diseñar rodamientos rígidos a bolas que puedan soportar velocidades superiores a 30.000 rpm.
