По мере быстрого развития гибридных и электрических автомобилей экологические требования требуют, чтобы электродвигатели были меньше и легче. Уменьшение размеров электродвигателей приводит к снижению выходной мощности, но для обеспечения такой же или большей выходной мощности, как у современных двигателей, требуются более высокие скорости вращения двигателя. В этой статье анализируются и оптимизируются радиальные шарикоподшипники Используются в электродвигателях и выдерживают скорость вращения свыше 30 000 об/мин, что в 1,5 раза превышает предельную скорость подшипников.
Анализ влияющих факторов:
1) Смазка
Масляная смазка используется для обеспечения достаточного смазывания внутренних деталей подшипников. Однако из-за высокоскоростного вращения тел качения и сепаратора под действием центробежной силы большое количество смазочного масла будет перемещаться в направлении наружного диаметра подшипника, и смазка между внутренним кольцом и телами качения или между телами качения и сепаратором может оказаться недостаточной. Недостаточное количество смазки может привести к заеданию внутренних деталей подшипника и его заклиниванию. Увеличение количества смазочного масла приведет к увеличению сопротивления, вызванного перемешиванием смазочного масла, что приведет к увеличению крутящего момента.
Внутреннее состояние подшипников при работе на высоких скоростях:
2) Трение
Трение между шариком и поверхностью дорожки качения
Когда радиальный шарикоподшипник вращается, трение скольжения между шариком и поверхностью дорожки качения пропорционально скорости вращения подшипника. В условиях нормальной скорости влияние трения скольжения можно игнорировать. Однако контроль трения между шариком и поверхностью дорожки качения очень важен в условиях сверхвысоких скоростей, поскольку резкое увеличение силы трения может привести к увеличению тепловыделения подшипника.
Трение между мячом и клеткой
Радиальные шарикоподшипники обычно используются с волнообразными сепараторами из штампованной стали и пластиковыми сепараторами в форме короны. Штампованный стальной сепаратор изготавливается путем склепывания двух полуволнообразных сепараторов с карманами для шариков. Пластиковый сепаратор в форме короны изготовлен из нейлоновой смолы, армированной стекловолокном, и оба сепаратора имеют карманы в форме шариков со стопорными канавками. Силой трения, возникающей между шаром и лузой сепаратора, можно пренебречь в условиях нормальной скорости, так как сила, действующая на шар и сепаратор, очень мала. Однако в условиях сверхвысокой скорости (30 000 об/мин) окружная скорость шарика может достигать 40 м/с или даже выше, и точечное напряжение между шариком и сепаратором возрастает. Пластиковый сепаратор обладает самосмазывающимися свойствами и имеет меньший вес, что делает его более подходящим для высокоскоростного режима работы. При работе на сверхвысокой скорости, если смазка недостаточна, сила трения между шариком и карманом сепаратора увеличится, что приведет к износу поверхности кармана и даже к выходу сепаратора из подшипника.
3) Прочность клетки
Пластиковые сепараторы в форме короны используются для выдерживания высокоскоростного вращения. Под действием центробежной силы при высокоскоростном вращении внешняя поверхность сепаратора деформируется и соприкасается с наружным кольцом подшипника. Когда сепаратор соприкасается с наружным кольцом подшипника, температура подшипника повышается. Кроме того, сепаратор с большой деформацией может разрушиться из-за чрезмерного напряжения на окружной поверхности кармана сепаратора. Поэтому для противостояния деформации и повреждениям, вызванным центробежной силой, требуется усиленная конструкция сепаратора. Увеличение толщины стенок сепаратора может повысить его прочность, но ширина подшипника не может быть увеличена.
Меры оптимизации:
1) Установите перегородку для регулирования расхода масла
Установка отбойника может предотвратить перелив смазочного масла на торцевую поверхность подшипника, обеспечивая достаточную внутреннюю смазку подшипника и решая проблему недостаточной смазки при работе на сверхвысоких скоростях.
2) Уменьшить трение
Оптимизация размеров диаметра канавки и диаметра шарика позволяет уменьшить скольжение между шариком и дорожкой качения подшипника. Улучшение смазки поверхности кармана и снижение силы удара между шариком и сепаратором позволяет эффективно избежать износа поверхности кармана. Установка перегородки может увеличить скорость потока смазочного масла, а регулировка зазора между шариком и карманом сепаратора и зазора между наружным диаметром внутреннего кольца и внутренним диаметром сепаратора может уменьшить силу удара и износ между шариком и сепаратором.
3) Повысить прочность клетки
Увеличение толщины стенок сепаратора позволяет повысить его жесткость, уменьшить деформацию сепаратора при сверхвысокоскоростном вращении, избежать чрезмерных нагрузок на окружную поверхность кармана сепаратора и предотвратить разрушение. Оптимизированная конструкция подшипника может удовлетворять требованиям сверхвысокоскоростной работы при 30 000 об/мин, что подтверждается испытаниями на повышение температуры и высокоскоростную долговечность.
Таким образом, описанные выше меры оптимизации могут быть комплексно применены для разработки радиальных шарикоподшипников, способных выдерживать скорость вращения свыше 30 000 об/мин.
