À medida que os automóveis híbridos e eléctricos se desenvolvem rapidamente, os requisitos ambientais exigem que os motores eléctricos sejam mais pequenos e mais leves. Os motores eléctricos mais pequenos reduzem a potência de saída, mas para garantir que têm uma potência de saída igual ou superior à dos motores actuais, são necessárias velocidades de motor mais elevadas. Este artigo analisa e optimiza rolamentos rígidos de esferas utilizados nos motores eléctricos para suportar velocidades superiores a 30 000 rpm, o que corresponde a 1,5 vezes a velocidade limite atual dos rolamentos.
Análise dos factores de influência:
1) Lubrificação
A lubrificação com óleo é utilizada para assegurar uma lubrificação suficiente para as partes internas das chumaceiras. No entanto, devido à rotação a alta velocidade dos corpos rolantes e da gaiola, uma grande quantidade de óleo lubrificante desloca-se na direção do diâmetro exterior da chumaceira sob a ação da força centrífuga, e a lubrificação entre o anel interior e os corpos rolantes ou entre os corpos rolantes e a gaiola pode não ser suficiente. Uma lubrificação insuficiente pode fazer com que as partes internas da chumaceira se colem e a chumaceira fique presa. Aumentar a quantidade de óleo lubrificante aumentará a resistência causada pela agitação do óleo lubrificante, resultando num aumento do binário.
Estado interno dos rolamentos em funcionamento a alta velocidade:
2) Atrito
Atrito entre a esfera e a superfície da pista
Quando o rolamento rígido de esferas roda, a fricção de deslizamento entre a esfera e a superfície da pista é proporcional à velocidade do rolamento. Em condições de velocidade normal, a influência do atrito de deslizamento pode ser ignorada. No entanto, o controlo do atrito entre a esfera e a superfície da pista é muito importante em condições de velocidade ultra-elevada, porque o aumento súbito da força de atrito pode provocar um aumento da produção de calor no rolamento.
Atrito entre a bola e a gaiola
Os rolamentos rígidos de esferas são normalmente utilizados com gaiolas em forma de onda em aço estampado e gaiolas em forma de coroa em plástico. A gaiola de aço estampado é feita através da rebitagem de duas semi-gaiolas em forma de meia onda com uma estrutura de bolsa de esferas. A gaiola de plástico em forma de coroa é feita de resina de nylon reforçada com fibra de vidro, e ambas as gaiolas têm bolsas em forma de bola com ranhuras de bloqueio. A força de fricção gerada entre a bola e a bolsa da gaiola pode ser ignorada em condições de velocidade normal, uma vez que a força que actua sobre a bola e a gaiola é muito pequena. No entanto, em condições de velocidade ultra-alta de 30.000 rpm, a velocidade circunferencial da esfera pode atingir 40 m/s ou mesmo mais, e a tensão pontual entre a esfera e a gaiola aumentará. A gaiola de plástico tem propriedades auto-lubrificantes e é mais leve, o que a torna mais adequada para o funcionamento a alta velocidade. Em funcionamento a velocidade ultra-alta, se a lubrificação for insuficiente, a força de fricção entre a esfera e a bolsa da gaiola aumentará, causando desgaste na superfície da bolsa e até a possibilidade de a gaiola sair do rolamento.
3) Resistência da gaiola
As gaiolas de plástico em forma de coroa são utilizadas para suportar a rotação a alta velocidade. Sob a ação da força centrífuga durante a rotação a alta velocidade, a superfície exterior da gaiola deforma-se e entra em contacto com o anel exterior do rolamento. Quando a gaiola entra em contacto com o anel exterior do rolamento, a temperatura do rolamento aumenta. Além disso, uma gaiola com grande deformação pode fraturar devido à tensão excessiva na superfície circunferencial da bolsa da gaiola. Por conseguinte, é necessária uma estrutura de gaiola melhorada para suportar a deformação e os danos causados pela força centrífuga. O aumento da espessura da parede da gaiola pode melhorar a resistência da gaiola, mas a largura da chumaceira não pode ser aumentada.
Medidas de otimização:
1) Instalar um deflector para controlar o caudal de óleo
A instalação de um deflector pode evitar que o óleo lubrificante transborde para a face final da chumaceira, assegurando uma lubrificação interna suficiente da chumaceira e resolvendo o problema da lubrificação insuficiente em funcionamento a velocidade ultra-alta.
2) Reduzir o atrito
A otimização do tamanho do diâmetro da ranhura e do diâmetro da esfera pode reduzir o deslizamento entre a esfera e a pista do rolamento. Melhorar a lubrificação da superfície da bolsa e reduzir a força de impacto entre a esfera e a gaiola pode efetivamente evitar o desgaste da superfície da bolsa. A instalação de um deflector pode aumentar o caudal de óleo lubrificante, e o ajuste da folga entre a esfera e a bolsa da gaiola e a folga entre o diâmetro exterior do anel interior e o diâmetro interior da gaiola pode reduzir a força de impacto e o desgaste entre a esfera e a gaiola.
3) Aumentar a resistência da gaiola
O aumento da espessura da parede da gaiola pode aumentar a sua rigidez, reduzir a deformação da gaiola sob rotação a ultra-alta velocidade, evitar tensões excessivas na superfície circunferencial da bolsa da gaiola e prevenir fracturas. O design optimizado do rolamento pode cumprir os requisitos de funcionamento a velocidade ultra-alta de 30.000 rpm através de testes de aumento de temperatura e testes de durabilidade a alta velocidade.
Em resumo, as medidas de otimização acima referidas podem ser aplicadas de forma abrangente para conceber rolamentos rígidos de esferas que possam suportar velocidades superiores a 30.000 rpm.
