高速球軸承不僅要求有良好的潤滑及密封性能，還要求有較高的精度和使用壽命。優(yōu)化設(shè)計(jì)高速球軸承的密封結(jié)構(gòu)，可較好防止有害異物進(jìn)入軸承內(nèi)部，防止軸承潤滑脂的泄漏，有效延長軸承儲存期和使用壽命。同時(shí)，合適的保持架兜孔結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)，對于提高滾動(dòng)軸承潤滑性能至關(guān)重要。

 

而傳統(tǒng)深溝球軸承受其保持架結(jié)構(gòu)限制，在軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，潤滑脂分布不均勻，不能充分溢出補(bǔ)充潤滑液，容易引起潤滑不良導(dǎo)致的溫升過高，限制了軸承轉(zhuǎn)速的提高，也在一定程度上增加了軸承的噪聲。

 

雖然用于軸承潤滑性能研究的流體動(dòng)力潤滑理論及軸承密封設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法已經(jīng)趨于成熟，但是，隨著工業(yè)實(shí)踐對高速球軸承潤滑的更高要求，傳統(tǒng)高速球軸承在運(yùn)行中出現(xiàn)的一些問題，比如溫升等不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，表明傳統(tǒng)動(dòng)力潤滑理論對于高速球軸承的設(shè)計(jì)可能存在某些不適用的地方。

 

高速球軸承的潤滑與密封技術(shù)是一個(gè)難題。國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度對軸承潤滑、密封進(jìn)行了分析和研究，得出了一系列的研究結(jié)論。Fer?nandes C M C G 等在對變速箱功率損失進(jìn)行分析、建模和驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，軸承在齒輪箱功率損失中的重要性，而密封件、潤滑方法等對其都有影響。

 

賈松陽等的研究涉及了簡易迷宮型軸承密封結(jié)構(gòu)，防塵蓋延伸入內(nèi)圈一定距離，可實(shí)現(xiàn)非接觸減摩，同時(shí)防止漏脂。劉興純等對深溝球軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)圈外徑帶牙槽式密封，可防止油脂外露和灰塵進(jìn)入；設(shè)置內(nèi)圈牙槽，可防止高速旋轉(zhuǎn)升溫后溢脂。

 

盧江躍等采用油封二次加強(qiáng)主軸承潤滑密封，選用了帶防塵唇對的油封結(jié)構(gòu)。鄭牧等以汽車發(fā)電機(jī)軸承密封性能為研究對象，設(shè)計(jì)了一種新型帶補(bǔ)償功能的接觸式三唇密封結(jié)構(gòu)，以SKF 6202-2RSTN1發(fā)電機(jī)軸承為例，經(jīng)高溫高速和模擬工況試驗(yàn)，驗(yàn)證其可提高汽車發(fā)電機(jī)軸承的性能。

 

Ochons?ki W采用磁流體技術(shù)設(shè)計(jì)了滾動(dòng)軸承的流體排阻密封結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的超凈環(huán)境中，如半導(dǎo)體加工設(shè)備、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用，可保證全密封性（零泄漏）、無污染、低黏滯阻力、高速、免維護(hù)、長壽命、高可靠性。

 

為更好地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承的潤滑和密封，滿足新能源汽車軸承驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的市場需求，本文中對SKF 6206-2RZ 高速球軸承潤滑、密封問題進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種能改善潤滑性能的保持架和一種具有雙層密封結(jié)構(gòu)的密封圈，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，使軸承滿足潤滑與密封的使用要求，實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，獲得最佳的密封效果，進(jìn)而滿足高速軸承不泄漏這一需求，以期為高速球軸承的設(shè)計(jì)及選用提供借鑒。

 

優(yōu)化設(shè)計(jì)前

 

潤滑脂的均勻分布和充分補(bǔ)充對軸承的工作狀態(tài)有直接影響。潤滑脂的均布能提高潤滑脂表面附著性能，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的潤滑效果。

 

以6206-2RZ為例，通過對原有保持架結(jié)構(gòu)的分析，傳統(tǒng)保持架的結(jié)構(gòu)中，雖然其底側(cè)也有儲油槽，但屬于封閉型（未貫通），潤滑脂會集聚在此處，由此造成的結(jié)構(gòu)限制帶來了潤滑脂動(dòng)態(tài)潤滑不佳。該結(jié)構(gòu)不能有效地將儲存的潤滑脂輸送出去，工作時(shí)潤滑脂不便進(jìn)入軸承內(nèi)部工作面，造成形成的油膜分布不均勻，部分潤滑脂不能參與潤滑，潤滑效果不理想，因而引起潤滑不良導(dǎo)致的溫升過高，限制了軸承轉(zhuǎn)速的提高及摩擦力矩和噪聲的降低。

 

潤滑脂加注的方向如圖1所示，而工作時(shí)潤滑脂只能在圖 2 所示的 1、2 位置，不利于潤滑脂均勻分布及潤滑，該類結(jié)構(gòu)不能很好滿足市場和用戶的要求。

 

密封間隙或過盈量控制對軸承密封性能影響至關(guān)重要。傳統(tǒng)的軸承密封結(jié)構(gòu)為了防止漏脂，通過密封圈唇口與內(nèi)圈的外徑接觸來密封，內(nèi)圈的密封唇與軸承內(nèi)圈密封槽配合過盈量大（圖3），因而摩擦力矩大，造成軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下溫升和軸承工作時(shí)振動(dòng)噪聲增大。

 

軸承潤滑與密封改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

解決新能源汽車軸承潤滑、降溫、密封滲漏的方法可從以下幾個(gè)方面考慮：①保持架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；②改變潤滑脂加注路徑；③密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文中結(jié)合實(shí)際工況，以提升高速球軸承的工作性能為目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

 

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

在軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，由于軸承內(nèi)部潤滑脂的黏滯作用及離心力作用，鋼球與保持架之間摩擦力增加，可通過改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)來提升潤滑性能，減小摩擦。如在不影響保持架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，為降低鋼球與保持架的運(yùn)動(dòng)摩擦和改善潤滑狀況，對保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即通過減少保持架與鋼球的接觸面積，在保持架外徑上設(shè)計(jì)一臺階，更有利于促進(jìn)潤滑脂流轉(zhuǎn)，參與潤滑，有利于降低摩擦力矩。

 

（1） 保持架材料采用 PA46-GF30，其具有高度抗磨損、高硬度、高強(qiáng)度及高韌性。在外圓上設(shè)計(jì)臺階狀的外壁，減輕了保持架的質(zhì)量（圖 4中雙點(diǎn)劃線部分），也減小了軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持架的離心力，有利于軸承轉(zhuǎn)速的提高。同時(shí)，在保持架外圓上減少了部分材料，也就減少了保持架與鋼球的接觸面積，因而減少了鋼球與保持架兜孔間的摩擦，從而達(dá)到減少摩擦力矩的目的，有利于軸承低轉(zhuǎn)矩的實(shí)現(xiàn)；鋼球與保持架兜孔間的摩擦減少，又能降低軸承的噪聲。同時(shí)，減少部分材料之后，保持架的質(zhì)心位置右移，從而減少偏擺，使保持架運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，也能降低振動(dòng)噪聲。

 

（2） 通過改善潤滑脂加注路徑，在保持架的軸向打通了潤滑脂的通道（圖5中Y處）。外壁連通了儲油槽，潤滑脂方便進(jìn)入軸承內(nèi)部空間，改善了潤滑脂的流轉(zhuǎn)通道。在裝配時(shí)也有利于潤滑脂的加注，軸承工作時(shí)更有利于內(nèi)部潤滑脂的流轉(zhuǎn)，使軸承內(nèi)部無潤滑脂集聚的死角，促使?jié)櫥e極參與補(bǔ)充形成油膜，避免潤滑不良而導(dǎo)致溫升過高，從而提高軸承的高速性能，降低軸承的轉(zhuǎn)矩和噪聲。因此，適用于高速工況。

 

通過優(yōu)化、改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)，原軸承塑料保持架結(jié)構(gòu)和本項(xiàng)目軸承塑料保持架結(jié)構(gòu)實(shí)物對比如圖 6所示。

 

密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

 

（1） 密封唇與內(nèi)圈外圓表面之間留有 0. 3 mm左右的間隙（圖 7），可降低軸承工作時(shí)的溫升。另外，在內(nèi)圈溝道兩側(cè)設(shè)計(jì)存脂槽和密封唇帶有的存脂槽，貯存更多的潤滑脂，可保證軸承工作面充分和更長久的潤滑，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使?jié)櫥纬芍F泡（圖7、 圖 8），能封住間隙。經(jīng)多次測試驗(yàn)證，非接觸式密封與接觸式密封差距不大；內(nèi)圈存脂槽設(shè)計(jì)能減少鋼球與軸承內(nèi)圈溝道的接觸曲面，便于高速狀態(tài)下的散熱，具有低摩擦、低溫升、高速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的特點(diǎn)，可延長潤滑及軸承壽命。

 

（2） 對內(nèi)圈外徑采用精密磨削加工，滿足內(nèi)圈外徑的尺寸公差和形位公差要求，確保密封間隙的一致性和精準(zhǔn)性，從而既保證潤滑脂不泄漏，又保證密封圈的內(nèi)密封唇與內(nèi)圈外徑無摩擦生熱。

 

試驗(yàn)驗(yàn)證

 

為了對新能源主軸軸承的性能進(jìn)行評估，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。該裝備在滿足高速重載試驗(yàn)條件的同時(shí)，具備良好的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對軸承外圈溫度的測量。試驗(yàn)機(jī)的布局如圖 9所示，由試驗(yàn)機(jī)主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、溫度測試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

 

試驗(yàn)軸承為SKF 6206-2RZ高速深溝球軸承，從批量產(chǎn)品中隨機(jī)抽取4套軸承。試驗(yàn)前，使用室內(nèi)溫度計(jì)測量環(huán)境溫度。試驗(yàn)時(shí)，保持徑向載荷為1 kN，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。當(dāng)完成某一組軸承載荷下的試驗(yàn)后，需要等到試驗(yàn)機(jī)溫度完全降到室溫，再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測試驗(yàn)軸承的溫度，統(tǒng)一選取每一次試驗(yàn)結(jié)束后的軸承溫度進(jìn)行記錄。

 

表1所示為在相同的載荷條件下，由試驗(yàn)得到的軸承外圈的溫度、壽命在對軸承結(jié)構(gòu)和各參數(shù)優(yōu)化前后的對比數(shù)據(jù)。可以明顯看出，在固定載荷下，軸承外圈溫度、壽命經(jīng)優(yōu)化后，明顯得到改善，主要得益于密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，由此說明了本文中優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

 

表 2 所示為漏脂、溫升密封性能試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速 10 000 r/min，徑向載荷 1 kN，時(shí)間6 h，室溫（20±5）℃。按照滾動(dòng)軸承密封深溝球軸承防塵、溫升、漏脂性能試驗(yàn)規(guī)程和滾動(dòng)軸承密封深溝球軸承技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)，軸承外表面無變化，密封圈表面無明顯的潤滑脂泄漏，內(nèi)外圈溝道、鋼球無磨損、無剝落，漏脂率符合判定標(biāo)準(zhǔn)（漏脂率≤3%，溫升≤55 ℃），滿足密封性能要求。

 

結(jié)論

 

（1） 優(yōu)化后的保持架，大大減輕了保持架的質(zhì)量，同時(shí)也減小了軸承自身的摩擦阻力，使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活。經(jīng)多批次裝機(jī)使用，效果良好，達(dá)到預(yù)期改進(jìn)的目的。解決了標(biāo)準(zhǔn)深溝球軸承保持架因結(jié)構(gòu)限制帶來的潤滑脂潤滑通道不暢問題，促使?jié)櫥瑓⑴c軸承潤滑，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，提升了軸承轉(zhuǎn)速、降低了摩擦力矩和噪聲。

 

（2） 采用雙唇非接觸式密封，密封唇與內(nèi)圈外圓表面之間留有 0. 3 mm 左右的間隙，實(shí)現(xiàn)了潤滑脂的良好儲存和合理蠕動(dòng)，積極促使?jié)櫥瑓⑴c補(bǔ)充形成可靠的油膜；既封住潤滑脂，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，又降低了軸承工作時(shí)的發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下的散熱。

 

同時(shí)，采用雙唇無接觸式密封結(jié)構(gòu)，對內(nèi)圈外徑精密磨削加工，既可防止外面的粉塵進(jìn)入軸承室，又起到了“把關(guān)”的作用。