高速球軸承不僅要求有良好的潤滑及密封性能，還要求有較高的精度和使用壽命。優化設計高速球軸承的密封結構，可較好防止有害異物進入軸承內部，防止軸承潤滑脂的泄漏，有效延長軸承儲存期和使用壽命。同時，合適的保持架兜孔結構與幾何參數，對于提高滾動軸承潤滑性能至關重要。

 

而傳統深溝球軸承受其保持架結構限制，在軸承的運轉過程中，潤滑脂分布不均勻，不能充分溢出補充潤滑液，容易引起潤滑不良導致的溫升過高，限制了軸承轉速的提高，也在一定程度上增加了軸承的噪聲。

 

雖然用于軸承潤滑性能研究的流體動力潤滑理論及軸承密封設計的傳統方法已經趨于成熟，但是，隨著工業實踐對高速球軸承潤滑的更高要求，傳統高速球軸承在運行中出現的一些問題，比如溫升等不穩定現象時有發生，表明傳統動力潤滑理論對于高速球軸承的設計可能存在某些不適用的地方。

 

高速球軸承的潤滑與密封技術是一個難題。國內外眾多學者從不同角度對軸承潤滑、密封進行了分析和研究，得出了一系列的研究結論。Fer?nandes C M C G 等在對變速箱功率損失進行分析、建模和驗證中發現，軸承在齒輪箱功率損失中的重要性，而密封件、潤滑方法等對其都有影響。

 

賈松陽等的研究涉及了簡易迷宮型軸承密封結構，防塵蓋延伸入內圈一定距離，可實現非接觸減摩，同時防止漏脂。劉興純等對深溝球軸承密封結構進行了優化設計，內圈外徑帶牙槽式密封，可防止油脂外露和灰塵進入；設置內圈牙槽，可防止高速旋轉升溫后溢脂。

 

盧江躍等采用油封二次加強主軸承潤滑密封，選用了帶防塵唇對的油封結構。鄭牧等以汽車發電機軸承密封性能為研究對象，設計了一種新型帶補償功能的接觸式三唇密封結構，以SKF 6202-2RSTN1發電機軸承為例，經高溫高速和模擬工況試驗，驗證其可提高汽車發電機軸承的性能。

 

Ochons?ki W采用磁流體技術設計了滾動軸承的流體排阻密封結構，主要應用在工業生產的超凈環境中，如半導體加工設備、計算機技術和機器人應用，可保證全密封性（零泄漏）、無污染、低黏滯阻力、高速、免維護、長壽命、高可靠性。

 

為更好地實現驅動電機軸承的潤滑和密封，滿足新能源汽車軸承驅動系統的市場需求，本文中對SKF 6206-2RZ 高速球軸承潤滑、密封問題進行了研究。設計了一種能改善潤滑性能的保持架和一種具有雙層密封結構的密封圈，并進行了試驗驗證，使軸承滿足潤滑與密封的使用要求，實現其結構的最優化，獲得最佳的密封效果，進而滿足高速軸承不泄漏這一需求，以期為高速球軸承的設計及選用提供借鑒。

 

優化設計前

 

潤滑脂的均勻分布和充分補充對軸承的工作狀態有直接影響。潤滑脂的均布能提高潤滑脂表面附著性能，從而實現優良的潤滑效果。

 

以SKF 6206-2RZ為例，通過對原有保持架結構的分析，傳統保持架的結構中，雖然其底側也有儲油槽，但屬于封閉型（未貫通），潤滑脂會集聚在此處，由此造成的結構限制帶來了潤滑脂動態潤滑不佳。該結構不能有效地將儲存的潤滑脂輸送出去，工作時潤滑脂不便進入軸承內部工作面，造成形成的油膜分布不均勻，部分潤滑脂不能參與潤滑，潤滑效果不理想，因而引起潤滑不良導致的溫升過高，限制了軸承轉速的提高及摩擦力矩和噪聲的降低。

 

潤滑脂加注的方向如圖1所示，而工作時潤滑脂只能在圖 2 所示的 1、2 位置，不利于潤滑脂均勻分布及潤滑，該類結構不能很好滿足市場和用戶的要求。

 

密封間隙或過盈量控制對軸承密封性能影響至關重要。傳統的軸承密封結構為了防止漏脂，通過密封圈唇口與內圈的外徑接觸來密封，內圈的密封唇與軸承內圈密封槽配合過盈量大（圖3），因而摩擦力矩大，造成軸承高速運轉情況下溫升和軸承工作時振動噪聲增大。

 

軸承潤滑與密封改進優化設計

 

解決新能源汽車軸承潤滑、降溫、密封滲漏的方法可從以下幾個方面考慮：①保持架結構的優化設計；②改變潤滑脂加注路徑；③密封結構改進設計。本文中結合實際工況，以提升高速球軸承的工作性能為目標進行了優化設計。

 

結構優化設計

 

保持架結構優化設計

 

在軸承高速轉動的過程中，由于軸承內部潤滑脂的黏滯作用及離心力作用，鋼球與保持架之間摩擦力增加，可通過改進保持架結構來提升潤滑性能，減小摩擦。如在不影響保持架強度的基礎上，為降低鋼球與保持架的運動摩擦和改善潤滑狀況，對保持架結構進行改進，即通過減少保持架與鋼球的接觸面積，在保持架外徑上設計一臺階，更有利于促進潤滑脂流轉，參與潤滑，有利于降低摩擦力矩。

 

（1） 保持架材料采用 PA46-GF30，其具有高度抗磨損、高硬度、高強度及高韌性。在外圓上設計臺階狀的外壁，減輕了保持架的質量（圖 4中雙點劃線部分），也減小了軸承高速運轉時保持架的離心力，有利于軸承轉速的提高。同時，在保持架外圓上減少了部分材料，也就減少了保持架與鋼球的接觸面積，因而減少了鋼球與保持架兜孔間的摩擦，從而達到減少摩擦力矩的目的，有利于軸承低轉矩的實現；鋼球與保持架兜孔間的摩擦減少，又能降低軸承的噪聲。同時，減少部分材料之后，保持架的質心位置右移，從而減少偏擺，使保持架運轉平穩，也能降低振動噪聲。

 

（2） 通過改善潤滑脂加注路徑，在保持架的軸向打通了潤滑脂的通道（圖5中Y處）。外壁連通了儲油槽，潤滑脂方便進入軸承內部空間，改善了潤滑脂的流轉通道。在裝配時也有利于潤滑脂的加注，軸承工作時更有利于內部潤滑脂的流轉，使軸承內部無潤滑脂集聚的死角，促使潤滑脂積極參與補充形成油膜，避免潤滑不良而導致溫升過高，從而提高軸承的高速性能，降低軸承的轉矩和噪聲。因此，適用于高速工況。

 

通過優化、改進保持架結構，原軸承塑料保持架結構和本項目軸承塑料保持架結構實物對比如圖 6所示。

 

密封結構改進設計

 

（1） 密封唇與內圈外圓表面之間留有 0. 3 mm左右的間隙（圖 7），可降低軸承工作時的溫升。另外，在內圈溝道兩側設計存脂槽和密封唇帶有的存脂槽，貯存更多的潤滑脂，可保證軸承工作面充分和更長久的潤滑，在高速運轉時使潤滑脂形成脂霧泡（圖7、 圖 8），能封住間隙。經多次測試驗證，非接觸式密封與接觸式密封差距不大；內圈存脂槽設計能減少鋼球與軸承內圈溝道的接觸曲面，便于高速狀態下的散熱，具有低摩擦、低溫升、高速運轉平穩的特點，可延長潤滑及軸承壽命。

 

（2） 對內圈外徑采用精密磨削加工，滿足內圈外徑的尺寸公差和形位公差要求，確保密封間隙的一致性和精準性，從而既保證潤滑脂不泄漏，又保證密封圈的內密封唇與內圈外徑無摩擦生熱。

 

試驗驗證

 

為了對新能源主軸軸承的性能進行評估，在驅動電機用的軸承試驗機上進行了試驗。該裝備在滿足高速重載試驗條件的同時，具備良好的數據采集和監控功能，能夠實現對軸承外圈溫度的測量。試驗機的布局如圖 9所示，由試驗機主體、驅動系統、液壓加載系統、潤滑系統、溫度測試系統、計算機監控系統等組成。

 

試驗軸承為SKF 6206-2RZ高速深溝球軸承，從批量產品中隨機抽取4套軸承。試驗前，使用室內溫度計測量環境溫度。試驗時，保持徑向載荷為1 kN，轉速為10 000 r/min。當完成某一組軸承載荷下的試驗后，需要等到試驗機溫度完全降到室溫，再進行下一組試驗。通過計算機監控系統實時觀測試驗軸承的溫度，統一選取每一次試驗結束后的軸承溫度進行記錄。

 

表1所示為在相同的載荷條件下，由試驗得到的軸承外圈的溫度、壽命在對軸承結構和各參數優化前后的對比數據。可以明顯看出，在固定載荷下，軸承外圈溫度、壽命經優化后，明顯得到改善，主要得益于密封結構的改進，由此說明了本文中優化設計的準確性。

 

表 2 所示為漏脂、溫升密封性能試驗結果。試驗條件為：轉速 10 000 r/min，徑向載荷 1 kN，時間6 h，室溫（20±5）℃。按照滾動軸承密封深溝球軸承防塵、溫升、漏脂性能試驗規程和滾動軸承密封深溝球軸承技術條件標準，軸承外表面無變化，密封圈表面無明顯的潤滑脂泄漏，內外圈溝道、鋼球無磨損、無剝落，漏脂率符合判定標準（漏脂率≤3%，溫升≤55 ℃），滿足密封性能要求。

 

結論

 

（1） 優化后的保持架，大大減輕了保持架的質量，同時也減小了軸承自身的摩擦阻力，使軸承轉動更加靈活。經多批次裝機使用，效果良好，達到預期改進的目的。解決了標準深溝球軸承保持架因結構限制帶來的潤滑脂潤滑通道不暢問題，促使潤滑脂參與軸承潤滑，運轉平穩，提升了軸承轉速、降低了摩擦力矩和噪聲。

 

（2） 采用雙唇非接觸式密封，密封唇與內圈外圓表面之間留有 0. 3 mm 左右的間隙，實現了潤滑脂的良好儲存和合理蠕動，積極促使潤滑脂參與補充形成可靠的油膜；既封住潤滑脂，滿足標準要求，又降低了軸承工作時的發熱量，實現高速狀態下的散熱。

 

同時，采用雙唇無接觸式密封結構，對內圈外徑精密磨削加工，既可防止外面的粉塵進入軸承室，又起到了“把關”的作用。