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NSK开发出高dmn轴承 凭借PEEK保持支架提高疲劳强度
2015/7/10 20:08:15  来源:艾斯孚

        分析结果显示,离心力产生的最大应力为82.0MPa。采用PA46的话无法承受,而PEEK的话则可承受。分析时施加的转速为外轮1万80rpm、内轮4255rpm。Volt的马达为内外轮均旋转,因此对其进行了模拟。这一转速按照换算成保持支架公转速度的dmn值计算,相当于260万。

  日本精工在马达用大直径高转速轴承方面开发出了dmn值(节圆直径×最高转速)达到200万以上的滚珠轴承(图1)。这一数值在汽车用途中为全球最高。目前已开始向美国通用汽车(General Motors)供货,用作“Chevrolet Volt”混合动力系统的马达右侧为丰田“普锐斯”的马达轴承,外径为62mm。

开发品放到试验仪器上做了评测。试验条件为无负荷(只有旋转负荷产生的不均衡负荷),转速与FEM分析同为1万80rpm、4255rpm。润滑油采用ATF(自动变速箱用润滑油),供给流量为0.35L/min,温度为90℃,试验时间为60小时。
  (a)转动面的毁坏、磨损、(b)转动面的擦伤、磨损、(c)保持支架的磨损、(d)滚珠的磨损,问题多多。
  运转60小时后也未出现什么问题。
  马达采用日本精工的轴承。
  马达的转矩与转子的体积基本成正比。由于输出功率为力矩×转速,因此要想提高输出功率,就需要加大整体体积,并提高转速。今后,为了提高EV(电动汽车)及HEV(混合动力车)的性能,势必要采用大直径且转速高的轴承,也就是dmn值高的轴承。
  包括非汽车用途在内,dmn值被广泛用作轴承评测指标。在喷气引擎及机床用途中也有达到300万的情况,不过在溅油润滑式汽车变速箱的用途中一般不到60万,而在混合动力车用途中,虽有通过轴心供油的强制润滑实现更高数值的案例,但一直未能超过150万。
  此次向通用汽车供货的是内径160mm、外径190mm的大直径轴承。丰田“普锐斯”的混合动力系统使用的内齿轮用轴承为内径110mm、118mm。另外,与此次的Volt用轴承具有相同作用的普锐斯的马达轴承,其外径为62mm。
  以内轮引导保持支架,防止离心旋动。从中心线往向移动滚珠。

  保持支架材质连升两级
  为了承受由高速旋转大直径轴承产生的大离心力,此次在汽车用轴承中首次采用碳纤维强化PEEK(聚醚醚酮)作为保持支架材料。
  原来的保持支架为钢制品,之后还曾在普锐斯用轴承上首次采用PA(聚酰胺)46。这样,保持支架材质在短时间内连升两级。在疲劳强度上,PA46为40MPa左右,而PEEK为2.5倍的100 MPa左右。
  (a)为变形。向左内侧翻转变形。(b)为应力。在容纳滚珠的凹陷的底部产生最大应力。
  利用FEM(有限元分析法)对变形及应力做了分析。保持支架采用从旁边支撑滚珠的冠形(图5)。离心力会使包围滚珠的突出部分向外侧弯曲。如图5所示,靠前的是内轮,里侧是外轮,离心力会使红色部分向左内侧翻转。
  加大dmn值的话,不仅保持支架会破损,而且还会给内外轮等的转动面及滚珠造成损伤。其重要原因在于保持支架的离心旋动。保持支架离心旋动的话滚珠就会敲击转动面,导致表面损坏。有时油膜还会断开,继而摩擦生热,引起称为擦伤(Smearing)的局部熔敷。
  因此此次改变了保持支架的引导方法。原来仅以保持支架与滚珠的接触面为引导面来决定位置,而此次还将内轮的外径部分作为引导面使用。为此,内外轮均扩大了有保持支架的一侧,而减窄了反向一侧。这样,保持支架在半径方向上受到了更紧的约束,不易再发生离心旋动。

  通过使内外轮的尺寸、滚珠的数量以及径向间隙等保持在最佳状态,即使是超高速旋转,也不易发生由摩擦和发热导致的熔敷。尤其要提到的是,尽管周长很长,但却大幅减少了滚珠的数量。

  标准设计品的滚珠表面、内外轮轨道面及保持支架发生严重擦伤、磨损。并产生100dB(A)的高噪音。 www.zcwz.com
  而开发品并未出现特别异常,噪音在试验后也与新品无异。保持支架未破损,状态良好
  分析结果显示,离心力产生的最大应力为82.0MPa。采用PA46的话无法承受,而PEEK的话则可承受。分析时施加的转速为外轮1万80rpm、内轮4255rpm。Volt的马达为内外轮均旋转,因此对其进行了模拟。这一转速按照换算成保持支架公转速度的dmn值计算,相当于260万。

 
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