Con il rapido sviluppo delle auto ibride ed elettriche, i requisiti ambientali richiedono che i motori elettrici siano più piccoli e leggeri. I motori elettrici più piccoli riducono la potenza di uscita, ma per garantire una potenza di uscita pari o superiore a quella dei motori attuali, sono necessarie velocità del motore più elevate. Questo articolo analizza e ottimizza cuscinetti a sfera a gola profonda utilizzati nei motori elettrici per resistere a velocità superiori a 30.000 giri/min, pari a 1,5 volte la velocità limite di corrente dei cuscinetti.
Analisi dei fattori di influenza:
1) Lubrificazione
La lubrificazione a olio viene utilizzata per garantire una lubrificazione sufficiente delle parti interne dei cuscinetti. Tuttavia, a causa della rotazione ad alta velocità dei corpi volventi e della gabbia, una grande quantità di olio lubrificante si sposta verso la direzione del diametro esterno del cuscinetto sotto l'azione della forza centrifuga e la lubrificazione tra l'anello interno e i corpi volventi o tra i corpi volventi e la gabbia può non essere sufficiente. Una lubrificazione insufficiente può causare l'incollaggio delle parti interne del cuscinetto e il suo grippaggio. Aumentando la quantità di olio lubrificante si aumenta la resistenza causata dal rimescolamento dell'olio lubrificante, con conseguente aumento della coppia.
Stato interno dei cuscinetti in condizioni di funzionamento ad alta velocità:
2) Attrito
Attrito tra la sfera e la superficie della pista di rotolamento
Quando il cuscinetto a sfere a gola profonda ruota, l'attrito radente tra la sfera e la superficie della pista è proporzionale alla velocità del cuscinetto. In condizioni di velocità normale, l'influenza dell'attrito radente può essere ignorata. Tuttavia, il controllo dell'attrito tra la sfera e la superficie della pista di rotolamento è molto importante in condizioni di altissima velocità, perché l'aumento improvviso della forza di attrito può causare un aumento della generazione di calore del cuscinetto.
Attrito tra palla e gabbia
I cuscinetti radiali rigidi a sfere sono comunemente utilizzati con gabbie a forma di onda in acciaio stampato e gabbie a forma di corona in plastica. La gabbia in acciaio stampato è realizzata rivettando due semigabbie a forma di onda con una struttura a tasche per sfere. La gabbia in plastica a forma di corona è realizzata in resina di nylon rinforzata con fibra di vetro, ed entrambe le gabbie hanno tasche a forma di sfera con scanalature di bloccaggio. La forza di attrito generata tra la sfera e la tasca della gabbia può essere ignorata in condizioni di velocità normale, poiché la forza che agisce sulla sfera e sulla gabbia è molto ridotta. Tuttavia, in condizioni di altissima velocità (30.000 giri/min.), la velocità circonferenziale della sfera può raggiungere i 40 m/s o anche più, e la sollecitazione puntiforme tra sfera e gabbia aumenta. La gabbia in plastica ha proprietà autolubrificanti ed è più leggera, il che la rende più adatta al funzionamento ad alta velocità. In condizioni di funzionamento ad altissima velocità, se la lubrificazione è insufficiente, la forza di attrito tra la sfera e la tasca della gabbia aumenterà, causando l'usura della superficie della tasca e persino la possibilità che la gabbia esca dal cuscinetto.
3) Resistenza della gabbia
Le gabbie in plastica a forma di corona sono utilizzate per resistere alla rotazione ad alta velocità. Sotto l'azione della forza centrifuga durante la rotazione ad alta velocità, la superficie esterna della gabbia si deforma e viene a contatto con l'anello esterno del cuscinetto. Quando la gabbia entra in contatto con l'anello esterno del cuscinetto, la temperatura del cuscinetto aumenta. Inoltre, una gabbia con una grande deformazione può rompersi a causa delle eccessive sollecitazioni sulla superficie circonferenziale della tasca della gabbia. Pertanto, è necessaria una struttura della gabbia migliorata per resistere alle deformazioni e ai danni causati dalla forza centrifuga. L'aumento dello spessore della parete della gabbia può migliorare la resistenza della gabbia, ma non è possibile aumentare la larghezza del cuscinetto.
Misure di ottimizzazione:
1) Installare un deflettore per controllare la portata dell'olio
L'installazione di un deflettore può evitare che l'olio lubrificante trabocchi sulla faccia terminale del cuscinetto, garantendo una sufficiente lubrificazione interna del cuscinetto e risolvendo il problema della lubrificazione insufficiente in caso di funzionamento ad altissima velocità.
2) Ridurre l'attrito
L'ottimizzazione delle dimensioni del diametro della scanalatura e del diametro della sfera può ridurre lo scorrimento tra la sfera e la pista del cuscinetto. Migliorando la lubrificazione della superficie della tasca e riducendo la forza d'impatto tra la sfera e la gabbia, si può evitare efficacemente l'usura della superficie della tasca. L'installazione di un deflettore può aumentare la portata dell'olio lubrificante e la regolazione del gioco tra la sfera e la tasca della gabbia e del gioco tra il diametro esterno dell'anello interno e il diametro interno della gabbia può ridurre la forza d'impatto e l'usura tra la sfera e la gabbia.
3) Aumentare la resistenza della gabbia
L'aumento dello spessore della parete della gabbia può aumentarne la rigidità, ridurre la deformazione della gabbia in caso di rotazione ad altissima velocità, evitare sollecitazioni eccessive sulla superficie circonferenziale della tasca della gabbia e prevenire la frattura. Il design ottimizzato del cuscinetto è in grado di soddisfare i requisiti di funzionamento ad altissima velocità (30.000 giri/min) attraverso test di aumento della temperatura e test di durata ad alta velocità.
In sintesi, le misure di ottimizzazione sopra descritte possono essere applicate in modo completo per progettare cuscinetti radiali rigidi a sfere in grado di sopportare velocità superiori a 30.000 giri/min.
