Avec le développement rapide des voitures hybrides et électriques, les exigences environnementales imposent que les moteurs électriques soient plus petits et plus légers. Des moteurs électriques plus petits réduiront la puissance de sortie, mais pour garantir une puissance de sortie égale ou supérieure à celle des moteurs actuels, des vitesses de moteur plus élevées sont nécessaires. Cet article analyse et optimise roulements à billes à gorge profonde utilisés dans les moteurs électriques pour résister à des vitesses supérieures à 30 000 tr/min, soit 1,5 fois la vitesse limite actuelle des roulements.
Analyse des facteurs d'influence :
1) Lubrification
La lubrification à l'huile est utilisée pour assurer une lubrification suffisante des parties internes des roulements. Cependant, en raison de la rotation à grande vitesse des éléments roulants et de la cage, une grande quantité d'huile lubrifiante se déplace vers le diamètre extérieur du roulement sous l'action de la force centrifuge, et la lubrification entre la bague intérieure et les éléments roulants ou entre les éléments roulants et la cage peut ne pas être suffisante. Une lubrification insuffisante peut entraîner le collage des pièces internes du roulement et le grippage du roulement. L'augmentation de la quantité d'huile lubrifiante augmente la résistance causée par l'agitation de l'huile lubrifiante, ce qui entraîne une augmentation du couple.
État interne des roulements en fonctionnement à grande vitesse :
2) Friction
Friction entre la bille et la surface du chemin de roulement
Lorsque le roulement à billes tourne, le frottement de glissement entre la bille et la surface du chemin de roulement est proportionnel à la vitesse du roulement. Dans des conditions de vitesse normale, l'influence du frottement de glissement peut être ignorée. Cependant, le contrôle du frottement entre la bille et la surface du chemin de roulement est très important dans des conditions de très haute vitesse, car l'augmentation soudaine de la force de frottement peut entraîner une augmentation de la production de chaleur dans le roulement.
Friction entre la balle et la cage
Les roulements à billes à gorge profonde sont généralement utilisés avec des cages en acier estampé en forme de vague et des cages en plastique en forme de couronne. La cage en acier estampé est fabriquée en rivetant deux demi-cages en forme de vague avec une structure de poches à billes. La cage en plastique en forme de couronne est fabriquée en résine de nylon renforcée par des fibres de verre, et les deux cages ont des poches à billes avec des rainures de blocage. La force de frottement générée entre la bille et la poche de la cage peut être ignorée dans des conditions de vitesse normale, car la force agissant sur la bille et la cage est très faible. Cependant, dans des conditions de très haute vitesse de 30 000 tr/min, la vitesse circonférentielle de la bille peut atteindre 40 m/s ou même plus, et la contrainte ponctuelle entre la bille et la cage augmentera. La cage en plastique possède des propriétés autolubrifiantes et est plus légère, ce qui la rend plus adaptée au fonctionnement à grande vitesse. En cas de fonctionnement à très grande vitesse, si la lubrification est insuffisante, la force de frottement entre la bille et la poche de la cage augmente, ce qui entraîne l'usure de la surface de la poche et même la possibilité que la cage sorte du roulement.
3) Résistance de la cage
Les cages en plastique en forme de couronne sont utilisées pour résister à la rotation à grande vitesse. Sous l'action de la force centrifuge pendant la rotation à grande vitesse, la surface extérieure de la cage se déforme et entre en contact avec la bague extérieure du roulement. Lorsque la cage entre en contact avec la bague extérieure du roulement, la température du roulement augmente. En outre, une cage fortement déformée peut se rompre en raison d'une contrainte excessive sur la surface circonférentielle de la poche de la cage. Par conséquent, une structure de cage améliorée est nécessaire pour résister à la déformation et aux dommages causés par la force centrifuge. L'augmentation de l'épaisseur de la paroi de la cage peut améliorer la résistance de la cage, mais la largeur du roulement ne peut pas être augmentée.
Mesures d'optimisation :
1) Installer un déflecteur pour contrôler le débit d'huile
L'installation d'un déflecteur peut empêcher l'huile de lubrification de déborder sur la face frontale du roulement, assurant ainsi une lubrification interne suffisante du roulement et résolvant le problème d'une lubrification insuffisante en cas de fonctionnement à très grande vitesse.
2) Réduire les frottements
L'optimisation du diamètre de la gorge et du diamètre de la bille permet de réduire le glissement entre la bille et le chemin de roulement. L'amélioration du pouvoir lubrifiant de la surface de la poche et la réduction de la force d'impact entre la bille et la cage permettent d'éviter efficacement l'usure de la surface de la poche. L'installation d'un déflecteur peut augmenter le débit de l'huile de lubrification, et l'ajustement du jeu entre la bille et la poche de la cage et du jeu entre le diamètre extérieur de la bague intérieure et le diamètre intérieur de la cage peut réduire la force d'impact et l'usure entre la bille et la cage.
3) Augmenter la résistance de la cage
L'augmentation de l'épaisseur de la paroi de la cage permet d'accroître sa rigidité, de réduire la déformation de la cage en cas de rotation à très grande vitesse, d'éviter les contraintes excessives sur la surface circonférentielle de la poche de la cage et de prévenir les fractures. La conception optimisée du roulement peut répondre aux exigences d'un fonctionnement à ultra-haute vitesse de 30 000 tr/min grâce à des tests d'élévation de température et de durabilité à haute vitesse.
En résumé, les mesures d'optimisation ci-dessus peuvent être appliquées de manière globale pour concevoir des roulements rigides à billes qui peuvent supporter des vitesses supérieures à 30 000 tr/min.
