近年來，以新能源驅(qū)動電機軸承為代表的高溫、高速應(yīng)用工況，對軸承的使用性能提出了更高的要求，制造難度也大大增加。

軸承的應(yīng)用特點主要包括：

1）長壽命。壽命要求由原來的8年10萬公里，提高到10年30萬公里（油潤滑軸承要求達(dá)到80萬公里）。

2）高轉(zhuǎn)速。乘用車最常用的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子支承軸承6206-2RS、6207-2RS等，平均轉(zhuǎn)速由原先的12000r/min，提升到16000r/min，最新又提出24000r/min的要求；以特斯拉、比亞迪為代表的電動汽車的應(yīng)用轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到20000r/min，dm·n值超過了110萬，達(dá)到極限轉(zhuǎn)速的3倍以上。

3）急加速，百公里加速由原來的20～30s提高到2～3s。

4）大沖擊力，最高可達(dá)30g。

5）高密封性能要求，防漏脂、防水、防微塵等密封性能要求高。

為滿足軸承的這些要求，與以往同類軸承相比，需具備較高的精度，較低的振動及噪聲，較低的摩擦力矩，耐沖擊，良好的密封性能等等。因此，在高速軸承研發(fā)中，需要對結(jié)構(gòu)、保持架、潤滑脂、密封圈、試驗技術(shù)等進(jìn)行全方位的優(yōu)化，其中保持架設(shè)計問題是其中的一個關(guān)鍵因素，下面重點針對創(chuàng)新型高溫、高速深溝球軸承高速保持架的開發(fā)和試驗進(jìn)行分析和說明。

01

保持架的受力情況

深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)主要有浪形、S形、冠形，根據(jù)不同的應(yīng)用工況、材質(zhì)，設(shè)計結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上有多種變化。隨著高速深溝球軸承的研發(fā)，單從保持架材質(zhì)看，近年來，dm·n值超過65萬以上的深溝球軸承已經(jīng)很少使用鋼制保持架，多采用工程塑料保持架，主要考慮的影響因素包括：高速下保持架的離心力、強度、振動和磨損等。工程塑料保持架自身重量輕，振動小（較鋼制保持架振動值低2～3dB以上），耐沖擊等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機深溝球軸承中，特別是高速電機深溝球軸承。

通常，保持架被看作一個受復(fù)雜力系作用的剛體，受力主要包括：

1）保持架與滾動體相互作用面上的沖擊力和摩擦力；

2）保持架與套圈引導(dǎo)擋邊接觸表面的法向力和摩擦力（假定擋邊引導(dǎo)保持架）；

3）高速運動的離心力；

4）保持架質(zhì)心不平衡引起的力；

5）重力；

6）保持架慣性力；

7）保持架與潤滑劑的滾動粘滯阻力和攪拌阻力。

由于冠形塑料保持架（圖1）單邊開口，質(zhì)心偏離（不可避免）鋼球運轉(zhuǎn)中心橫截面。高速運轉(zhuǎn)時，由于離心力、接觸角等的變化，鋼球和滾道之間會產(chǎn)生差動、自旋、陀螺等復(fù)雜運動，這些運動勢必會對保持架造成劇烈的碰撞，加劇保持架的磨損、發(fā)熱及變形。一方面，這些運動會對保持架兜孔底部產(chǎn)生高頻擺動扭曲，再加之保持架兜孔底部相對較薄弱（軸承內(nèi)部空間所限）和高溫時材料變軟的影響，可能造成保持架兜孔底部的斷裂。另一方面，由于這種質(zhì)心的不對稱和差動滑動、自旋滑動、陀螺滑動等導(dǎo)致的高溫，以及長期處于電機的高溫運行環(huán)境中，可能導(dǎo)致保持架爪口變軟、變形；高速運轉(zhuǎn)時，保持架有向底部方向（爪口的反方向）頂出的趨勢，速度越高、產(chǎn)生的溫升越高，這種風(fēng)險越大，可能導(dǎo)致保持架失去引導(dǎo)而致使軸承失效。

圖1 冠形工程塑料保持架

02

保持架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

國內(nèi)外很多公司都在高速深溝球軸承保持架的結(jié)構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行了諸多的創(chuàng)新和探索。

1）SKF

圖2為SKF公司的經(jīng)典保持架結(jié)構(gòu)，為該公司十幾年前的探索者系列產(chǎn)品，適用于高速電機深溝球軸承。

圖2 SKF公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

2）NSK

NSK通過新開發(fā)的潤滑脂和樹脂保持架，實現(xiàn)了dm·n值140萬的高速旋轉(zhuǎn)工況（軸承內(nèi)徑：35 mm；轉(zhuǎn)速：30000r/min），如圖3所示；今年NSK又推出了第三代世界最高轉(zhuǎn)速、電動車驅(qū)動電機用高速球軸承（圖4）。

圖3 NSK公司高速深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)

圖4 NSK第三代高速深溝球軸承保持架結(jié)構(gòu)

3）國內(nèi)公司A

圖5為國內(nèi)公司A的保持架結(jié)構(gòu)，兜孔底部帶有圓柱形軸向弧槽，其目的為減輕保持架重量，質(zhì)心更靠近鋼球旋轉(zhuǎn)中心截平面，增加軸承內(nèi)部容脂空間等。

圖5 國內(nèi)A公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

4）國內(nèi)公司B

圖6為國內(nèi)公司B的保持架結(jié)構(gòu)，與公司A類似，但其兜孔底部為軸向矩形挖槽，實現(xiàn)目的同公司A。

圖6 國內(nèi)B公司高速深溝球保持架結(jié)構(gòu)

5）創(chuàng)新型

創(chuàng)新型系列保持架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（a）2018版

（b）2020版

圖7 創(chuàng)新型專利保持架結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新型高速深溝球軸承保持架的結(jié)構(gòu)特點為：

1）兜孔內(nèi)表面帶有對稱的油槽，有利于保持架高速運行時，保證鋼球與兜孔之間的接觸潤滑和儲油以及油脂的流動，快速帶走兜孔內(nèi)部的熱量，保持兜孔形狀的穩(wěn)定性；

2）加大保持架下冠與兜孔之間的壁厚，保證保持架高速高溫運轉(zhuǎn)時兜孔的強度和穩(wěn)定性；

3）保持架底部開有環(huán)形槽，有利于減輕保持架重量，增大容脂空間，減小保持架底部變形對整體保架運行穩(wěn)定性的影響；

4）每個兜孔之間底弧為圓錐弧，保證兜孔外徑與底弧之間壁厚和兜孔內(nèi)徑與底弧之間壁厚的一致性，在保持架高速運轉(zhuǎn)時，兜孔形狀的變形最小化，有利于引導(dǎo)鋼球穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

以深溝球軸承6307為例，上述列舉的保持架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 不同公司高速深溝球軸承6307保持架的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比