【《涡轮增压器滚动轴承的结构和主参数设计计算案例》6000字】

涡轮增压器滚动轴承的结构和主参数设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u21893涡轮增压器滚动轴承的结构和主参数设计计算案例 1259931.1轴承材料 144101.1.1套圈材料 1207051.1.2滚动体材料 220301.1.3套圈与滚动体材料匹配性 315821.1.4保持架材料 3207101.2轴承结构设计 4208061.3轴承主参数设计 5234821.3.1接触角的设计 5210111.3.2球径、球数的设计 6175581.4轴承外圈及其附属结构的设计 7267081.1.1轴承外圈 7223951.1.2轴承润滑方式与润滑结构设计 8221001.5保持架及引导间隙 1088421.5.1保持架结构设计 1068041.5.2保持架引导方式的选择 11142391.5.3保持架兜孔设计 12162451.5.4保持架引导间隙的计算 141.1轴承材料1.1.1套圈材料对套管材质的要求是：高强度、耐高温、耐冲击。高温高速轴承的主要材质有：（1）高速钢型轴承钢由于其良好的红硬性和良好的抗疲劳性能，世界上许多国家都将其用作高速高温轴承。目前，可用于高速高温轴承的主要有两种类型：铝基和钨基。例如：国产Cr4Mo4V、美国M1、M2、M50等汽车系统；国内的W9Cr4V、W18Cr4V、P18、P9、英国T1等，都是钨系的[10]。（2）高温不锈轴承钢许多高温不锈钢都是在常温下加入或减少某些合金元素而形成的，例如，14-4高温不锈钢中的铝含量和降低了铬的含量。经此工艺后，其高温硬度及耐磨性能得到提高，在480℃下仍保持了不锈钢的耐腐蚀性。9Cr18、9Cr18Mn、440C、14-4、A1-129、BG42、NM100的最高工作温度约为5000C。（2）高温表面渗碳轴承钢在高速、重载情况下，要求具有超高dmn值的滚动轴承，这些轴承一般都是采用高碳、高淬透性的高温轴承，但由于dmn值太高，容易引起轴承的断裂。为了适应高dmn值的轴承，开发了大量的高温渗碳轴承钢，这些轴承钢具有很高的表面硬度，一般可以达到58-63HRC，具有很好的耐磨性能。它的内部结构没有被碳污染，因此它的弹性很好，可以减震，从而增强材料的抗冲击能力。一般使用的是M50电渣重熔。比如，CBS600的工作温度可以是250摄氏度，而2W10Cr3NiV的温度可以是315摄氏度。采用带固定边的轴承，或在套管上设有油槽的轴承，可以防止尖锐的角部开裂。表4-1套圈材料的性能Gl3Cr4-Mo4V的最大工作温度可根据其工作条件而定。1.1.2滚动体材料为了确保滚动轴承在高温、高速等苛刻工作环境中的平稳运行，目前已经成功地采用了工程陶瓷材料。近年来，以钨、钦的碳化物和硅的无机化合物为代表的超硬滚动体材料得到了迅速的发展。这种材料的一些特点使得它们成为滚动体材料的优点，例如：低密度、高硬度、低对轴承钢的亲和力、低摩擦因数，从而大大改善了滚动轴承的高速性能和耐热性能。在表格2-2中列出了一些常见的滚动材料。表4-2滚动体材料的性能1.1.3套圈与滚动体材料匹配性为了确保滚动轴承在高速、高温工况下的摩擦损耗，必须选用最小的滚动摩擦系数。图4-1及4-2为150℃下的材料弹性模量及热膨胀系数对滚动摩擦因数的影响。图4-1膨胀系数对滚动摩擦系数的影响图4-2弹性模量对滚动摩擦系数的影响1.1.4保持架材料高温高速滚动轴承是一种常见的故障故障。滚动轴承的架与引导面之间存在着较大的径向间隙和轴向间隙，这使得它们的移动具有很大的不确定性。特别是在高速轴承中，由于保持器受到的载荷非常复杂，套筒与滚子之间经常发生碰撞，使滚筒壳套内的滚动物体以较快的速度撞入笼内。这就造成了滚动体和笼盖之间的暂态碰撞，从而使滚动物体所处的罩孔两侧产生张应力，而被碰撞的过梁则形成了以压应力为主的拉伸复合应力。在保持架上，这种碰撞是引起交变拉伸应力的重要原因。同时，由于保持架的高速转动，产生了较大的离心力，而且在较高的温度下，由于温度的影响，使得其受力状况变得更为复杂。因此，支架必须具有高的抗疲劳性能，但不能太高的硬度，否则会对滚动轴承造成伤害。在降低笼体的离心力的前提下，保持架的材料必须具有低密度，这样既可以减少离心力，又可以减少由于离心力引起的振动。由于架和引导表面之间存在着滑动摩擦，并且在使用中常常发生润滑问题，因此需要保持器与导轨间的摩擦系数要小，同时保持器本身也要具有高的耐磨性能。另外，笼体的外形比较复杂，而且容易产生较薄的变形，因此，保持器的材料也应该具有良好的机械性能。总之，符合要求的笼子应该具备下列特征：1足够高的疲劳强度；2低密度；3良好的减摩性和耐磨性；4热膨胀系数与套圈能够匹配；5在工程条件下有足够高的机械强度；6低硬度，抗冲击性能好。1.2轴承结构设计根据其在汽车增压器上的安装空间，设计成双列角接触球轴承，两个内环均具有斜面，外环为双挡边导向，这种设计有利于提高轴承的高速稳定性。图4-3显示了汽车增压的滚动轴承的构造原理。图4-3增压器滚动轴承结构示意图1.3轴承主参数设计1.3.1接触角的设计接触角是角接触球轴承的关键参数之一。在特定的情况下，最大的接触应力、转辊比与接触角之间的关系可以用图4~4和4~5表示。图4-4接触角对最大接触应力的影响图4-5接触角对旋滚比的影响接触角的大小对轴承的径向加载和轴向加载的方向都有一定的影响，其中以径向负荷为主的滚动轴承的接触角一般比较小，而以轴向负荷为主的滚动轴承的接触角一般比较大。接触角太大会增加旋转比，造成轴承的发热和磨损，对轴承的工作性能和使用寿命造成很大的影响。按照以前的设计经验，接触角的初始选择是15度。1.3.2球径、球数的设计滚珠直径和数量是影响其工作性能的关键因素。在图4-6和图4-7中，给出了球直径外环最大接触应力和旋转比的影响。图4-6球径对外圈最大接触应力的影响图4-7球径对旋滚比的影响当球体数量固定时，外环最大接触应力与球径的关系也受到旋转速度的影响，当旋转速度为40000r/min时，外环最大接触应力随着球径的增加而降低，当旋转速度达到100000r/min时，外环最大接触应力随着球径的增加而增加。这是由于在较低的速度下，离心力的作用不大，而随着球径的增加，接触面积的增加，外环的接触应力减弱作用更加显著。当旋转速度达到一定程度后，质量增加对离心力的影响更加显著，导致外环的接触应力随球直径的增加而增加。当球直径不变时，滚动体与套圈间的接触应力越小，旋转比越大。球径和球数对保持架过梁的大小有较大的影响，太大或太多都会造成保持架的中心径过梁尺寸变小，从而使其强度下降。它们之间的关系在图4-8和4-9中显示。图4-8球数对保持架中心径过梁的影响图4-9球径对保持架中心径过梁的影响在此基础上，根据轴承的超高速工作状态，确定了其直径为6.35毫米、9颗球。1.4轴承外圈及其附属结构的设计1.1.1轴承外圈增压器滚动轴承的外环是安装在增压中心的轴承座上的，轴承的结构是否合理直接关系到轴承的安装、散热和润滑。为方便安装，外圈采用外表面的两个端部。两侧端头与增压座圈相匹配，表面处理后，中部半径比两端的匹配部位稍小，表面质量稍差。根据涡轮增压器的外形，确定外环的长度和外径。故外滚道和滚动体之间的法向接触力由三个部分组成，其中，由预紧力导出的法向接触力、轴向载荷衍生的法向接触力、滚动体离心所衍生的法向接触力。由于这种轴承在高速运转时，其外圈内的周期压力变化很大，所以对其进行了谐振响应分析。由于该轴承具有9个滚动块，因此，其法向接触力的循环为1/9。当内环转速100000转/分钟时，保持器转动频率在0.7千赫兹左右，外滚道上的法向接触力的频率是6.9千赫。1.1.2轴承润滑方式与润滑结构设计由于实际工作环境下，这种滚动轴承没有油雾润滑，所以采用喷油润滑的方法来设计其润滑结构。本文介绍了一种用于汽车涡轮增压器的滚动轴承，它的一端是增压器的动力源，它可以把发动机的高温和高速的尾气转换成一个旋转系统的动能。在另一头，是一个增压装置，它将要把空气压缩到引擎的燃烧室中。由于上述构造，润滑油不能从轴承的两个端部进入到轴承内，所以在轴承的外环侧设置一个油槽，该油槽在径向上具有一个油孔，通过油孔将润滑油喷到需要润滑的地方。（1）形成有效油膜的理论需油量所需的油量是指能够充分分离摩擦副的润滑油的最低数量。滚子轴承内的油不能比所需的油少，否则会使与部件的摩擦更严重。但是，实际油量太大，会增加搅拌油损耗，产生大量的生热，对轴承的润滑十分不利。特别是在高速工况下，其摩擦系数明显高于低速工况。所以，需要计算滚动轴承的耗油。弹性流体润滑中，通过接触区的润滑油的流量为式中，—压力稳定区无量纲密度，—压力稳定区无量纲油膜厚度。式中，—单位宽度的接触区质量流量；—接触面平均速度；—标况下润滑油密度；—当量载荷作用下的润滑油密度；R—当量曲率半径；h—压力稳定区油膜厚度；—无量纲当量载荷。式中，一宽度方向上的载荷密度；—等效弹性模量，根据Dowson最小油膜计算公式:可得接触区质量流量表达式:式中，—标况下润滑油粘度；—粘压指数。每一滚珠在滚珠周围形成两个接触区域，因此，每排滚珠的耗油总量是式中，i—每列球的数量。从公司可以得知，滚动轴承的耗油量与工作条件、润滑技术等因素有关，而与组成摩擦副的材质无关。(2)供油量的确定通过对滚动轴承的油需求，可以得到相应的环间油液体积分数。汽轮机增压器在运行过程中，其速度值的变动幅度较大。转速对渗透力、分散状态和分配有很大的影响。刘红彬指出，随着滚动轴承转速的增大，油液渗透性能逐渐下降。由于高速转动的轴承会在圆环之间形成一个高速的环形气相流场，进入的油流与流场的速度方向不一样，润滑油会被压缩成细小的油珠，并随着气流的流动而在圆周运动，从而降低润滑油量。因此，在高转速条件下，润滑油的用量应该是合理的。采用有限元分析方法，计算出了单侧需要的喷油流量，并计算出了单侧的喷油需求。(3)分油槽与喷油孔设计分油槽是最大的应力集中点，其布置位置应尽量避免在外环的主承载区。分油槽深度太大，会导致外环强度下降，其大小以喷油口直径为准。在某一压力条件下，油孔可通过某一动态粘度的润滑油，其数量与孔深和孔径有关。通过单侧喷油量和单侧喷油口的数目，可以计算出单喷油量。增加喷射孔数可以使润滑油的分布更为均匀，但是，太多的喷孔会导致较小的气孔，这样会造成油柱太细，在通过环间高速气相流场时，极易被高速气流击打成细小的油珠，使其无法到达需要润滑的部位。而孔的数量太多、孔尺寸太小，则会增加生产成本。所以，在保证喷射尽可能均匀的情况下，喷嘴的数目不能太多，这里是四个。根据外环的构造及加工技术，确定了喷油口的轴心与轴心的夹角为60°。通过对外环的厚度的分析，得出了该孔的长度为3.522mm。在小孔长宽比大于0.5的情况下，油孔应该被认为是细长的。当油液经过细长孔时，以层流的形式进行处理，其流动特征方程如下：1.5保持架及引导间隙1.5.1保持架结构设计滚动轴承的主要功能是等距地隔离滚动体，并能有效地改善承载区的分布情况。在设计网箱时，必须保证网箱具有足够的强度和重量，同时还要保证网箱的结构形式，以减少摩擦扭矩、冷却、提高轴承的效率、延长其使用寿命。笼的结构可分为两类：冲孔型和本体型。由于增压器轴承的高温、高速特性，在其轴承上一般都是采用本体式的。角接触球轴承的护罩通常可分为波形和顶形两种。冠形保持架是按设计要求用冲床把经过精密加工的条形不锈钢整体冲压而成，因而其强度得以维持，在球内嵌时，不会发生变形，球囊部位加工成光滑的球面。波浪式护罩是根据球体大小制成的球形网袋，由一对钢板冲压成型的部件组成，并用夹爪将其固定在其他部件上。当达到强度要求时，支架的厚度要尽可能的薄，以便减少重量，而不会把导向面上的油膜压坏。对于高要求的滚动轴承，所采用的护罩一般采用镀银法，其优点如下：1、在启动过程中，增加了护罩表面的摩擦，减少了护罩与其它接触面的摩擦，这样既可以提高轴承的工作效率，又可以减少对护罩的磨损。当发动机处于紧急停机状态时，润滑系统会直接停止运转，同时涡轮增压转子系统也会因为惯性而继续高速转动，这时，润滑油会因为机油干燥而被损坏，从而产生润滑效果。2、银具有很好的塑性，可以减缓滚动物体的冲击。在滚动轴承运行时，在滚动体的牵引下，保持器围绕其自身轴进行转动，与滚动体的接触是滑动接触。在涡轮增压机的转子上，滚动体会剧烈地冲击挡板，从而加速。具有良好塑性的镀银涂层，在与滚动物体发生碰撞时，会产生大的凹痕，从而增加了接触区域，从而降低了摩擦应力。在超高速滚动轴承中，润滑油的粘性对其摩擦力矩起到了很大的作用。过量的润滑油会导致粘性的明显增加，从而使轴承的摩擦力变大，产生更高的发热量，从而使效率下降。为了改善这种情况，改变了保持器的兜孔结构，在保持器的兜孔上设置适当的导向角，见图4-11。导向角起到了加速油流的作用，减少了润滑油的粘性。图4-11保持架兜孔引导角1.5.2保持架引导方式的选择滚动轴承的导向方式有三种：外圈导向、内圈导向和滚动体导向，引导模式要视轴承工况、自身结构和润滑情况而定。在转速较高的情况下，滚动体导向器很容易产生不稳定的转动，明显地不适合于涡轮增压轴承。内圈导向与外环导向各有利弊。外环导航的优点是：1润滑剂易于渗入轴承空腔，充分保障润滑液供给；2引导面与外圈之间存在着相对滑动，而外圈的温度较低，有利于降低保持器的温度；3外导向保持器导向表面的磨耗更加均匀，保持架横梁的尺寸稍大，保持器的强度和减震效果也较好。缺点是：1、在离心力和热膨胀的情况下，导流间隙会变小，从而导致摩擦增加，从而加重摩擦；2、型钢的体积变大，质量分布半径变大，惯性矩增加。内环导向的优势和劣势正好相反。考虑到上述优点和不足，根据涡轮增压轴承的工作特性及自身的构造，选用了外圈引导。1.5.3保持架兜孔设计保持架兜孔设计，主要由直径和深度两部分组成。根据油膜压力、油膜厚度、保持器强度等因素，设计了罩孔的直径和深度。如图4-12所示，当兜孔直径与球体直径相近时，油膜压力较高，而当罩孔径增加时，油膜压力急剧下降，当罩内径与球径之比超过1.05时，油膜压力基本保持不变。从图4-13可以看出，随着罩孔径的增加，油膜的厚度先