渦輪增壓器滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和主參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21893渦輪增壓器滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和主參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算案例 1259931.1軸承材料 144101.1.1套圈材料 1207051.1.2滾動(dòng)體材料 220301.1.3套圈與滾動(dòng)體材料匹配性 315821.1.4保持架材料 3207101.2軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4208061.3軸承主參數(shù)設(shè)計(jì) 5234821.3.1接觸角的設(shè)計(jì) 5210111.3.2球徑、球數(shù)的設(shè)計(jì) 6175581.4軸承外圈及其附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7267081.1.1軸承外圈 7223951.1.2軸承潤(rùn)滑方式與潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8221001.5保持架及引導(dǎo)間隙 1088421.5.1保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1068041.5.2保持架引導(dǎo)方式的選擇 11142391.5.3保持架兜孔設(shè)計(jì) 12162451.5.4保持架引導(dǎo)間隙的計(jì)算 141.1軸承材料1.1.1套圈材料對(duì)套管材質(zhì)的要求是：高強(qiáng)度、耐高溫、耐沖擊。高溫高速軸承的主要材質(zhì)有：（1）高速鋼型軸承鋼由于其良好的紅硬性和良好的抗疲勞性能，世界上許多國(guó)家都將其用作高速高溫軸承。目前，可用于高速高溫軸承的主要有兩種類型：鋁基和鎢基。例如：國(guó)產(chǎn)Cr4Mo4V、美國(guó)M1、M2、M50等汽車系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)的W9Cr4V、W18Cr4V、P18、P9、英國(guó)T1等，都是鎢系的[10]。（2）高溫不銹軸承鋼許多高溫不銹鋼都是在常溫下加入或減少某些合金元素而形成的，例如，14-4高溫不銹鋼中的鋁含量和降低了鉻的含量。經(jīng)此工藝后，其高溫硬度及耐磨性能得到提高，在480℃下仍保持了不銹鋼的耐腐蝕性。9Cr18、9Cr18Mn、440C、14-4、A1-129、BG42、NM100的最高工作溫度約為5000C。（2）高溫表面滲碳軸承鋼在高速、重載情況下，要求具有超高dmn值的滾動(dòng)軸承，這些軸承一般都是采用高碳、高淬透性的高溫軸承，但由于dmn值太高，容易引起軸承的斷裂。為了適應(yīng)高dmn值的軸承，開發(fā)了大量的高溫滲碳軸承鋼，這些軸承鋼具有很高的表面硬度，一般可以達(dá)到58-63HRC，具有很好的耐磨性能。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有被碳污染，因此它的彈性很好，可以減震，從而增強(qiáng)材料的抗沖擊能力。一般使用的是M50電渣重熔。比如，CBS600的工作溫度可以是250攝氏度，而2W10Cr3NiV的溫度可以是315攝氏度。采用帶固定邊的軸承，或在套管上設(shè)有油槽的軸承，可以防止尖銳的角部開裂。表4-1套圈材料的性能Gl3Cr4-Mo4V的最大工作溫度可根據(jù)其工作條件而定。1.1.2滾動(dòng)體材料為了確保滾動(dòng)軸承在高溫、高速等苛刻工作環(huán)境中的平穩(wěn)運(yùn)行，目前已經(jīng)成功地采用了工程陶瓷材料。近年來，以鎢、欽的碳化物和硅的無機(jī)化合物為代表的超硬滾動(dòng)體材料得到了迅速的發(fā)展。這種材料的一些特點(diǎn)使得它們成為滾動(dòng)體材料的優(yōu)點(diǎn)，例如：低密度、高硬度、低對(duì)軸承鋼的親和力、低摩擦因數(shù)，從而大大改善了滾動(dòng)軸承的高速性能和耐熱性能。在表格2-2中列出了一些常見的滾動(dòng)材料。表4-2滾動(dòng)體材料的性能1.1.3套圈與滾動(dòng)體材料匹配性為了確保滾動(dòng)軸承在高速、高溫工況下的摩擦損耗，必須選用最小的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。圖4-1及4-2為150℃下的材料彈性模量及熱膨脹系數(shù)對(duì)滾動(dòng)摩擦因數(shù)的影響。圖4-1膨脹系數(shù)對(duì)滾動(dòng)摩擦系數(shù)的影響圖4-2彈性模量對(duì)滾動(dòng)摩擦系數(shù)的影響1.1.4保持架材料高溫高速滾動(dòng)軸承是一種常見的故障故障。滾動(dòng)軸承的架與引導(dǎo)面之間存在著較大的徑向間隙和軸向間隙，這使得它們的移動(dòng)具有很大的不確定性。特別是在高速軸承中，由于保持器受到的載荷非常復(fù)雜，套筒與滾子之間經(jīng)常發(fā)生碰撞，使?jié)L筒殼套內(nèi)的滾動(dòng)物體以較快的速度撞入籠內(nèi)。這就造成了滾動(dòng)體和籠蓋之間的暫態(tài)碰撞，從而使?jié)L動(dòng)物體所處的罩孔兩側(cè)產(chǎn)生張應(yīng)力，而被碰撞的過梁則形成了以壓應(yīng)力為主的拉伸復(fù)合應(yīng)力。在保持架上，這種碰撞是引起交變拉伸應(yīng)力的重要原因。同時(shí)，由于保持架的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生了較大的離心力，而且在較高的溫度下，由于溫度的影響，使得其受力狀況變得更為復(fù)雜。因此，支架必須具有高的抗疲勞性能，但不能太高的硬度，否則會(huì)對(duì)滾動(dòng)軸承造成傷害。在降低籠體的離心力的前提下，保持架的材料必須具有低密度，這樣既可以減少離心力，又可以減少由于離心力引起的振動(dòng)。由于架和引導(dǎo)表面之間存在著滑動(dòng)摩擦，并且在使用中常常發(fā)生潤(rùn)滑問題，因此需要保持器與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)要小，同時(shí)保持器本身也要具有高的耐磨性能。另外，籠體的外形比較復(fù)雜，而且容易產(chǎn)生較薄的變形，因此，保持器的材料也應(yīng)該具有良好的機(jī)械性能?？傊?，符合要求的籠子應(yīng)該具備下列特征：1足夠高的疲勞強(qiáng)度；2低密度；3良好的減摩性和耐磨性；4熱膨脹系數(shù)與套圈能夠匹配；5在工程條件下有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度；6低硬度，抗沖擊性能好。1.2軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)其在汽車增壓器上的安裝空間，設(shè)計(jì)成雙列角接觸球軸承，兩個(gè)內(nèi)環(huán)均具有斜面，外環(huán)為雙擋邊導(dǎo)向，這種設(shè)計(jì)有利于提高軸承的高速穩(wěn)定性。圖4-3顯示了汽車增壓的滾動(dòng)軸承的構(gòu)造原理。圖4-3增壓器滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖1.3軸承主參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.1接觸角的設(shè)計(jì)接觸角是角接觸球軸承的關(guān)鍵參數(shù)之一。在特定的情況下，最大的接觸應(yīng)力、轉(zhuǎn)輥比與接觸角之間的關(guān)系可以用圖4~4和4~5表示。圖4-4接觸角對(duì)最大接觸應(yīng)力的影響圖4-5接觸角對(duì)旋滾比的影響接觸角的大小對(duì)軸承的徑向加載和軸向加載的方向都有一定的影響，其中以徑向負(fù)荷為主的滾動(dòng)軸承的接觸角一般比較小，而以軸向負(fù)荷為主的滾動(dòng)軸承的接觸角一般比較大。接觸角太大會(huì)增加旋轉(zhuǎn)比，造成軸承的發(fā)熱和磨損，對(duì)軸承的工作性能和使用壽命造成很大的影響。按照以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，接觸角的初始選擇是15度。1.3.2球徑、球數(shù)的設(shè)計(jì)滾珠直徑和數(shù)量是影響其工作性能的關(guān)鍵因素。在圖4-6和圖4-7中，給出了球直徑外環(huán)最大接觸應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)比的影響。圖4-6球徑對(duì)外圈最大接觸應(yīng)力的影響圖4-7球徑對(duì)旋滾比的影響當(dāng)球體數(shù)量固定時(shí)，外環(huán)最大接觸應(yīng)力與球徑的關(guān)系也受到旋轉(zhuǎn)速度的影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為40000r/min時(shí)，外環(huán)最大接觸應(yīng)力隨著球徑的增加而降低，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到100000r/min時(shí)，外環(huán)最大接觸應(yīng)力隨著球徑的增加而增加。這是由于在較低的速度下，離心力的作用不大，而隨著球徑的增加，接觸面積的增加，外環(huán)的接觸應(yīng)力減弱作用更加顯著。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定程度后，質(zhì)量增加對(duì)離心力的影響更加顯著，導(dǎo)致外環(huán)的接觸應(yīng)力隨球直徑的增加而增加。當(dāng)球直徑不變時(shí)，滾動(dòng)體與套圈間的接觸應(yīng)力越小，旋轉(zhuǎn)比越大。球徑和球數(shù)對(duì)保持架過梁的大小有較大的影響，太大或太多都會(huì)造成保持架的中心徑過梁尺寸變小，從而使其強(qiáng)度下降。它們之間的關(guān)系在圖4-8和4-9中顯示。圖4-8球數(shù)對(duì)保持架中心徑過梁的影響圖4-9球徑對(duì)保持架中心徑過梁的影響在此基礎(chǔ)上，根據(jù)軸承的超高速工作狀態(tài)，確定了其直徑為6.35毫米、9顆球。1.4軸承外圈及其附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)1.1.1軸承外圈增壓器滾動(dòng)軸承的外環(huán)是安裝在增壓中心的軸承座上的，軸承的結(jié)構(gòu)是否合理直接關(guān)系到軸承的安裝、散熱和潤(rùn)滑。為方便安裝，外圈采用外表面的兩個(gè)端部。兩側(cè)端頭與增壓座圈相匹配，表面處理后，中部半徑比兩端的匹配部位稍小，表面質(zhì)量稍差。根據(jù)渦輪增壓器的外形，確定外環(huán)的長(zhǎng)度和外徑。故外滾道和滾動(dòng)體之間的法向接觸力由三個(gè)部分組成，其中，由預(yù)緊力導(dǎo)出的法向接觸力、軸向載荷衍生的法向接觸力、滾動(dòng)體離心所衍生的法向接觸力。由于這種軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其外圈內(nèi)的周期壓力變化很大，所以對(duì)其進(jìn)行了諧振響應(yīng)分析。由于該軸承具有9個(gè)滾動(dòng)塊，因此，其法向接觸力的循環(huán)為1/9。當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速100000轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，保持器轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在0.7千赫茲左右，外滾道上的法向接觸力的頻率是6.9千赫。1.1.2軸承潤(rùn)滑方式與潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于實(shí)際工作環(huán)境下，這種滾動(dòng)軸承沒有油霧潤(rùn)滑，所以采用噴油潤(rùn)滑的方法來設(shè)計(jì)其潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)。本文介紹了一種用于汽車渦輪增壓器的滾動(dòng)軸承，它的一端是增壓器的動(dòng)力源，它可以把發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫和高速的尾氣轉(zhuǎn)換成一個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)能。在另一頭，是一個(gè)增壓裝置，它將要把空氣壓縮到引擎的燃燒室中。由于上述構(gòu)造，潤(rùn)滑油不能從軸承的兩個(gè)端部進(jìn)入到軸承內(nèi)，所以在軸承的外環(huán)側(cè)設(shè)置一個(gè)油槽，該油槽在徑向上具有一個(gè)油孔，通過油孔將潤(rùn)滑油噴到需要潤(rùn)滑的地方。（1）形成有效油膜的理論需油量所需的油量是指能夠充分分離摩擦副的潤(rùn)滑油的最低數(shù)量。滾子軸承內(nèi)的油不能比所需的油少，否則會(huì)使與部件的摩擦更嚴(yán)重。但是，實(shí)際油量太大，會(huì)增加攪拌油損耗，產(chǎn)生大量的生熱，對(duì)軸承的潤(rùn)滑十分不利。特別是在高速工況下，其摩擦系數(shù)明顯高于低速工況。所以，需要計(jì)算滾動(dòng)軸承的耗油。彈性流體潤(rùn)滑中，通過接觸區(qū)的潤(rùn)滑油的流量為式中，—壓力穩(wěn)定區(qū)無量綱密度，—壓力穩(wěn)定區(qū)無量綱油膜厚度。式中，—單位寬度的接觸區(qū)質(zhì)量流量；—接觸面平均速度；—標(biāo)況下潤(rùn)滑油密度；—當(dāng)量載荷作用下的潤(rùn)滑油密度；R—當(dāng)量曲率半徑；h—壓力穩(wěn)定區(qū)油膜厚度；—無量綱當(dāng)量載荷。式中，一寬度方向上的載荷密度；—等效彈性模量，根據(jù)Dowson最小油膜計(jì)算公式:可得接觸區(qū)質(zhì)量流量表達(dá)式:式中，—標(biāo)況下潤(rùn)滑油粘度；—粘壓指數(shù)。每一滾珠在滾珠周圍形成兩個(gè)接觸區(qū)域，因此，每排滾珠的耗油總量是式中，i—每列球的數(shù)量。從公司可以得知，滾動(dòng)軸承的耗油量與工作條件、潤(rùn)滑技術(shù)等因素有關(guān)，而與組成摩擦副的材質(zhì)無關(guān)。(2)供油量的確定通過對(duì)滾動(dòng)軸承的油需求，可以得到相應(yīng)的環(huán)間油液體積分?jǐn)?shù)。汽輪機(jī)增壓器在運(yùn)行過程中，其速度值的變動(dòng)幅度較大。轉(zhuǎn)速對(duì)滲透力、分散狀態(tài)和分配有很大的影響。劉紅彬指出，隨著滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速的增大，油液滲透性能逐漸下降。由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承會(huì)在圓環(huán)之間形成一個(gè)高速的環(huán)形氣相流場(chǎng)，進(jìn)入的油流與流場(chǎng)的速度方向不一樣，潤(rùn)滑油會(huì)被壓縮成細(xì)小的油珠，并隨著氣流的流動(dòng)而在圓周運(yùn)動(dòng)，從而降低潤(rùn)滑油量。因此，在高轉(zhuǎn)速條件下，潤(rùn)滑油的用量應(yīng)該是合理的。采用有限元分析方法，計(jì)算出了單側(cè)需要的噴油流量，并計(jì)算出了單側(cè)的噴油需求。(3)分油槽與噴油孔設(shè)計(jì)分油槽是最大的應(yīng)力集中點(diǎn)，其布置位置應(yīng)盡量避免在外環(huán)的主承載區(qū)。分油槽深度太大，會(huì)導(dǎo)致外環(huán)強(qiáng)度下降，其大小以噴油口直徑為準(zhǔn)。在某一壓力條件下，油孔可通過某一動(dòng)態(tài)粘度的潤(rùn)滑油，其數(shù)量與孔深和孔徑有關(guān)。通過單側(cè)噴油量和單側(cè)噴油口的數(shù)目，可以計(jì)算出單噴油量。增加噴射孔數(shù)可以使?jié)櫥偷姆植几鼮榫鶆?，但是，太多的噴孔?huì)導(dǎo)致較小的氣孔，這樣會(huì)造成油柱太細(xì)，在通過環(huán)間高速氣相流場(chǎng)時(shí)，極易被高速氣流擊打成細(xì)小的油珠，使其無法到達(dá)需要潤(rùn)滑的部位。而孔的數(shù)量太多、孔尺寸太小，則會(huì)增加生產(chǎn)成本。所以，在保證噴射盡可能均勻的情況下，噴嘴的數(shù)目不能太多，這里是四個(gè)。根據(jù)外環(huán)的構(gòu)造及加工技術(shù)，確定了噴油口的軸心與軸心的夾角為60°。通過對(duì)外環(huán)的厚度的分析，得出了該孔的長(zhǎng)度為3.522mm。在小孔長(zhǎng)寬比大于0.5的情況下，油孔應(yīng)該被認(rèn)為是細(xì)長(zhǎng)的。當(dāng)油液經(jīng)過細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，以層流的形式進(jìn)行處理，其流動(dòng)特征方程如下：1.5保持架及引導(dǎo)間隙1.5.1保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承的主要功能是等距地隔離滾動(dòng)體，并能有效地改善承載區(qū)的分布情況。在設(shè)計(jì)網(wǎng)箱時(shí)，必須保證網(wǎng)箱具有足夠的強(qiáng)度和重量，同時(shí)還要保證網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)形式，以減少摩擦扭矩、冷卻、提高軸承的效率、延長(zhǎng)其使用壽命?；\的結(jié)構(gòu)可分為兩類：沖孔型和本體型。由于增壓器軸承的高溫、高速特性，在其軸承上一般都是采用本體式的。角接觸球軸承的護(hù)罩通?？煞譃椴ㄐ魏晚斝蝺煞N。冠形保持架是按設(shè)計(jì)要求用沖床把經(jīng)過精密加工的條形不銹鋼整體沖壓而成，因而其強(qiáng)度得以維持，在球內(nèi)嵌時(shí)，不會(huì)發(fā)生變形，球囊部位加工成光滑的球面。波浪式護(hù)罩是根據(jù)球體大小制成的球形網(wǎng)袋，由一對(duì)鋼板沖壓成型的部件組成，并用夾爪將其固定在其他部件上。當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度要求時(shí)，支架的厚度要盡可能的薄，以便減少重量，而不會(huì)把導(dǎo)向面上的油膜壓壞。對(duì)于高要求的滾動(dòng)軸承，所采用的護(hù)罩一般采用鍍銀法，其優(yōu)點(diǎn)如下：1、在啟動(dòng)過程中，增加了護(hù)罩表面的摩擦，減少了護(hù)罩與其它接觸面的摩擦，這樣既可以提高軸承的工作效率，又可以減少對(duì)護(hù)罩的磨損。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于緊急停機(jī)狀態(tài)時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)會(huì)直接停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)渦輪增壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)閼T性而繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)因?yàn)闄C(jī)油干燥而被損壞，從而產(chǎn)生潤(rùn)滑效果。2、銀具有很好的塑性，可以減緩滾動(dòng)物體的沖擊。在滾動(dòng)軸承運(yùn)行時(shí)，在滾動(dòng)體的牽引下，保持器圍繞其自身軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與滾動(dòng)體的接觸是滑動(dòng)接觸。在渦輪增壓機(jī)的轉(zhuǎn)子上，滾動(dòng)體會(huì)劇烈地沖擊擋板，從而加速。具有良好塑性的鍍銀涂層，在與滾動(dòng)物體發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的凹痕，從而增加了接觸區(qū)域，從而降低了摩擦應(yīng)力。在超高速滾動(dòng)軸承中，潤(rùn)滑油的粘性對(duì)其摩擦力矩起到了很大的作用。過量的潤(rùn)滑油會(huì)導(dǎo)致粘性的明顯增加，從而使軸承的摩擦力變大，產(chǎn)生更高的發(fā)熱量，從而使效率下降。為了改善這種情況，改變了保持器的兜孔結(jié)構(gòu)，在保持器的兜孔上設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向角，見圖4-11。導(dǎo)向角起到了加速油流的作用，減少了潤(rùn)滑油的粘性。圖4-11保持架兜孔引導(dǎo)角1.5.2保持架引導(dǎo)方式的選擇滾動(dòng)軸承的導(dǎo)向方式有三種：外圈導(dǎo)向、內(nèi)圈導(dǎo)向和滾動(dòng)體導(dǎo)向，引導(dǎo)模式要視軸承工況、自身結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑情況而定。在轉(zhuǎn)速較高的情況下，滾動(dòng)體導(dǎo)向器很容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)，明顯地不適合于渦輪增壓軸承。內(nèi)圈導(dǎo)向與外環(huán)導(dǎo)向各有利弊。外環(huán)導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是：1潤(rùn)滑劑易于滲入軸承空腔，充分保障潤(rùn)滑液供給；2引導(dǎo)面與外圈之間存在著相對(duì)滑動(dòng)，而外圈的溫度較低，有利于降低保持器的溫度；3外導(dǎo)向保持器導(dǎo)向表面的磨耗更加均勻，保持架橫梁的尺寸稍大，保持器的強(qiáng)度和減震效果也較好。缺點(diǎn)是：1、在離心力和熱膨脹的情況下，導(dǎo)流間隙會(huì)變小，從而導(dǎo)致摩擦增加，從而加重摩擦；2、型鋼的體積變大，質(zhì)量分布半徑變大，慣性矩增加。內(nèi)環(huán)導(dǎo)向的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)正好相反?？紤]到上述優(yōu)點(diǎn)和不足，根據(jù)渦輪增壓軸承的工作特性及自身的構(gòu)造，選用了外圈引導(dǎo)。1.5.3保持架兜孔設(shè)計(jì)保持架兜孔設(shè)計(jì)，主要由直徑和深度兩部分組成。根據(jù)油膜壓力、油膜厚度、保持器強(qiáng)度等因素，設(shè)計(jì)了罩孔的直徑和深度。如圖4-12所示，當(dāng)兜孔直徑與球體直徑相近時(shí)，油膜壓力較高，而當(dāng)罩孔徑增加時(shí)，油膜壓力急劇下降，當(dāng)罩內(nèi)徑與球徑之比超過1.05時(shí)，油膜壓力基本保持不變。從圖4-13可以看出，隨著罩孔徑的增加，油膜的厚度先