四點接觸球軸承在新能源減速器結構設計中的應用

張廣杰　王源

摘 要：為了滿足新能源汽車電機高轉速和大扭矩的設計要求，文章在輸入軸上采用了整體式四點接觸球軸承代替普通深溝球軸承的設計思路，利用Masta軟件分析軸承受力及壽命情況，并通過臺架和整車進行試驗驗證，計算結果與實驗情況符合較好，滿足客戶使用要求，這說明四點接觸球軸承在能源減速器高速軸上的應用是可行的。

關鍵詞：四點接觸 球軸承 新能源 減速器

隨著新能源汽車行業的發展，整車動力性要求越來越高，成本壓力越來越大，為此，電機向小型化，高轉速，大扭矩趨勢發展，與此同時也自然對新能源減速器提出了更高的設計要求，為了兼顧高轉速和大扭矩的工況，以及輕量化的結構限制，市場上車用深溝球軸承結構已經遠遠不能滿足使用要求，迫切需要選用一款新型軸承。

深溝球軸承轉速高，但承載力有限，角接觸球軸承雖然能提升一定承載力，但成本大大提高的同時，也不能完全滿足工況需求，圓柱滾子軸承承載能力高，但轉速較低，且不能承受軸向力。經過對比發現，四點接觸球軸承承載能力高，且可以在較高轉速下使用，之所以沒有用在新能源減速機高速軸上，主要是因為四點接觸時，在轉速較高的情況下持續工作，會增加發熱量，加速軸承的損壞。考慮到電機高速時扭矩較小，低速時扭矩較大，我們希望通過對軸承施加合適的預緊力，讓軸承在高速低扭時兩點接觸，低速高扭時四點接觸，規避高速發熱量大的風險，滿足高速高扭的工況需求。

普通型深溝球軸承的內外圈溝道是圓弧形，而四點接觸球軸承的內圈和外圈溝道為桃形溝（如圖1所示），在純徑向載荷Fr下，普通型深溝球軸承的鋼球和內外圈溝道成兩點接觸，而四點接觸球軸承的鋼球和內外圈溝道成四點接觸，比普通型深溝球軸承能承受更大的徑向負荷，在純軸向載荷Fa下，普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承的鋼球和內外圈溝道成兩點接觸，可承受雙向軸向載荷，并且都采用整體保持架結構，具有高轉速的速度特性，但是四點接觸球軸承比普通型深溝球軸承在較高的轉速下能承受更大的徑向負荷和軸向負荷。本文使用的軸承型號是6306深溝球軸承，其普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承的性能參數對比如表1，從表中可看出四點接觸球軸承相比普通型深溝球軸承，具有更高的轉速，并能承受更大的載荷，因此本文采用四點接觸球軸承設計新能源減速器的輸入端支撐結構。

1 四點接觸球軸承的計算模型

軸承壽命是在內圈或外圈滾道或鋼球首次出現金屬疲勞（剝落）跡象之前，軸承以一定速度運行所能達到的旋轉次數或工作小時數。在新能源減速器中，由于整車工況是不斷變化的載荷，每個不同載荷水平可累加，將整車載荷譜簡化為數量有限的恒定載荷圖（如圖2所示）。在每一個載荷段內，可計算軸承載荷和工作條件具有代表性的恒定平均值。此外，還應根據每一個載荷段所需的工作小時或轉數，計算該載荷條件下的分段壽命。

本文分別對普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承利用Masta軟件建模，分析其在新能源減速器中滿足整車工況的軸承壽命計算，這里主要進行了典型工況的數據對比，表2所示。其Masta計算模型如下圖3，圖中1和2是深溝球軸承，分別對普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承進行計算，并對計算結果進行對比分析。

根據ISO16281標準，普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承在典型載荷工況下的受力情況和壽命計算結果分別如表3-表5：

從表3-表5軸承受力情況和壽命計算結果可看出四點接觸球軸承所能承受徑向載荷的能力和壽命都比普通型深溝球軸承壽命高；預緊后的四點接觸球軸承，在高速低扭情況下，所有鋼球都只有兩個點受力，或者其中兩個觸點的受力很小，而無預緊的情況下，四個點受力相對較大，承預緊情況下的壽命略小于無預緊情況，這里主要是因為只考慮了預緊力的影響，忽視了高速摩擦造成的影響；在低速高扭情況下，有預緊和無預緊受力情況及壽命基本上接近。

經過Masta軟件計算，根據ISO16281標準計算出四點接觸球軸承壽命損傷率小于100%，符合設計要求，而普通型深溝球軸承軸承壽命損傷率大于100%，不符合設計要求，因此四點接觸球軸承在新能源減速器的應用符合設計要求，說明新能源減速器能使用四點接觸球軸承進行試驗驗證。

2 實驗過程及結果

為驗證四點接觸球軸承在新能源減速器的實際應用情況，將普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承在臺架上（如圖4所示）進行了減速器耐久疲勞試驗、溫升試驗、高速試驗、NVH試驗和潤滑試驗等9個臺架試驗，并在整車上（如圖5示）進行了整車可靠性試驗、高溫試驗、高寒試驗和質保路試的4個整車試驗，經過一年的試驗驗證過程，臺架試驗和整車試驗都成功通過試驗。

試驗結束后從減速器上將兩個普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承拆下，并對其進行對比檢測分析，分析結果如下：

2.1 整體外觀檢測

檢測普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承的外觀，可看出普通型深溝球軸承整體外觀不良，零件出現損壞，而四點接觸球軸承整體外觀都良好，靈活性良好，如圖6所示。

3 結論

本文采用Masta軟件進行了普通型深溝球軸承和四點接觸球軸承在整車工況下的壽命計算，從理論上證明了四點接觸球軸承能夠在新能源減速器高速軸上進行應用；通過臺架和整車試驗進行了驗證，并對試驗后的軸承進行了拆解分析，從實際上證明了四點接觸球軸承在新能源減速器高速軸上進行應用的可能性。綜合以上情況，可證明四點接觸球軸承在新能源減速器高速軸上進行應用是可靠的。

湖南創新型省份建設專項（2021GK4033）。

參考文獻：

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