深沟球轴承保持架损坏的原因（深沟球轴承固定）

来源：余庆峰——舍弗勒贸易（上海）有限公司

1 高速深沟球轴承保持架设计要点

本文以新能源汽车电驱动系统中常用的6208轴承为例，分析高速深沟球轴承保持架的关键设计要素。新能源汽车高速深沟球轴承的应用条件要求保持架重量轻、自润滑性能好、强度高。玻璃纤维增强工程塑料已成为首选材料。与传统的钢保持架相比，它们具有更轻的重量和更低的摩擦性能，并且可以满足更高的转速要求。由滚动体引导的轻质保持架在高速时比其他引导方式摩擦更小。因此，在现有的常用保持架材料中，推荐保持架材料采用玻璃纤维增强聚己二酰丁二胺（PA46-GF）。保持架引导滚动体。由于深沟球轴承的结构特点，当使用这种材料作为保持架时，无法设计窗式结构，通常采用不对称冠设计。

高速球轴承运转时，保持架承受的主要载荷是离心力和滚动体施加在保持架上的力。下面文章从保持架本身的离心力分析开始，逐渐叠加滚动体在恒速和急加速减法时对保持架的影响。通过一步一步的对比分析，我们可以清楚地得出每种情况对保持架的影响，并根据结果进行相应的高速维护。保持架设计优化。

1.1 保持架承受的主要载荷

1.1.1 离心力

离心力是由保持架本身旋转引起的，使保持架沿圆周方向产生拉应力，引起保持架变形。

如图1所示，笼子被网格化并分为N块。那么第j块保持架的离心力计算公式为：

图1 保持架应力网格

图1 保持架受力网格

式中，Fj为保持架第j块的离心力； mj为保持架第j块的质量； 为保持架的角速度； rj 是保持架第j 个块的半径。

在圆周运动中，角速度 与转速n 之间的关系为

式中，Dw为深沟球轴承滚动体直径； Dpw是深沟球轴承的节圆直径。

联立式(1)(3)，可得深沟球轴承保持架上第j块的离心力Fj与内圈转速ni的关系：

由式（4）可知，当轴承的基本设计（滚动体直径、节圆）确定后，保持架上任意位置的离心力与轴承内圈的转速呈指数关系。与普通四极电机（内环转速1500r/min）相比，新能源汽车电驱动系统（内环转速约16000r/min）轴承保持架所承受的离心力要大100倍以上。

当保持架受到离心力时，主要产生三个作用：离心力使保持架变形； 离心力加剧了保持架的蠕变，进一步增大了保持架的变形； 离心力使保持架内产生内应力。

(1)离心力使保持架变形。当轴承高速运转时，由于离心力的影响，保持架会产生径向膨胀变形。转速越高，离心力越大，膨胀变形也越大。图2显示了因离心力而变形的保持架。由于冠形保持架的几何形状在轴向上是不对称的，在保持架的梁位置，由于其材料是周向闭环连续的，因此向外的膨胀变形会更小；而保持架的加强筋和爪位，由于其材料沿周向是不连续的，类似于悬臂梁结构，因此向外膨胀变形的程度相对于梁位会更大，距离越远从梁的轴向位置看，膨胀变形越大。这导致保持架产生向外的扭转变形。严重时，保持架外周面与外圈台肩甚至可能相互干涉。

图2 保持架因离心力而变形

图2 因离心力而变形的保持架

(2)离心力加剧蠕变，进一步增大保持架变形。高分子材料的蠕变是高分子材料在一定温度和较小的恒定外力（拉、压或扭等）作用下，随着时间的推移，形变逐渐增大的现象。轴承运转时，保持架将持续受到离心力和滚动体冲击力的作用。随着运行时间的增加，保持架会产生一定程度的不可逆蠕变。蠕变会加剧保持架的变形，增加保持架与外圈挡肩干涉的风险。因此，设计验证时必须考虑蠕变对保持架的影响。

图3至图5为DSM公司官网给出的TW200F6（PA46）材料的应力应变关系图。可见，应力越大，蠕变越大；温度越高，蠕变越大；时间越长，蠕变越大。

图3 不同温度下材料的应力应变关系

图3 不同温度下的应力-应变

图4 材料在100时的应力应变关系

图4 100 时的应力-应变

图5 材料在140时的应力应变关系

图5 140 应力应变

(3)离心力使保持架产生内应力。轴承高速运转时，离心力使保持架扭转变形，加强筋和爪向外翻，使保持架兜孔底部的内应力增大。速度越高，保持架变形越大，内应力也越大。由于保持架口袋底部的材料最少，因此是最薄弱的位置，很容易断裂。因此，需要重点关注该位置的应力状态。

1.1.2 滚动体作用在保持架上的力

在以径向载荷为主的运行条件下，由于工作游隙的原因，深沟球轴承在运行过程中分为承载区和非承载区，如图6所示。当滚动体进入承载区时面积上，由于摩擦，滚动体的公转速度大于保持架的转速。此时，滚动体推动保持架运行；当滚动体进入非承载区时，由于间隙的存在，滚动体不承受载荷。负载时，转速减慢，此时保持架推动滚动体运行。滚动体对保持架的影响主要是由于滚动体在不同位置对各兜孔所施加的力不同，导致保持架内产生内应力。

图6 轴承运转示意图

图6 轴承运转示意图

当轴向载荷与径向载荷之比增大时，承载面积变大，非承载面积变小。当达到一定程度时，甚至可能导致所有滚动体都受到负载。但即使所有滚动体都处于承载区域，由于高速球轴承的球和滚道的滑移现象[9]，不同位置的滚动体仍然会对每个口袋施加不同的力，从而在保持架内产生内应力。

1.2 Abaqus和Caba3D有限元分析

Abaqus是一款通用商业软件，主要用于工程有限元模拟计算。它的优点是可以处理更复杂的非线性问题。 Caba3D是一款专用于轴承的多体动力学软件。其优点是可以准确分析轴承内部各部件的6自由度运动、受力和摩擦特性。 Caba3D中的基本理论计算模型可以在[10]和[11]中找到。

本文的主要研究对象是塑料保持架。由于它是由滚动体引导的，因此主要承受滚动体受力和离心力引起的内应力。为了准确分析保持架应力，动态模型中建立了柔性保持架。

1.2.1 球与保持架的相互作用

轴承旋转过程中，当球与保持架兜孔不接触时，如图7所示，球与保持架兜孔接触区域的流体会因泵作用而进入接触面，由于泵送作用，流体将进入接触表面。运动的钢球表面产生一定的滚动摩擦阻力PRj和滑动摩擦阻力PSj。当钢球接触保持架兜孔时，如图8所示，可能会出现两种情况：保持架后端推动钢球，保持架将受到钢球的碰撞力Qc1； 钢球推动保持架，保持架受到钢球的碰撞力Qc2。根据保持架受力，可得保持架运动微分方程为

图7 球与球袋之间的流体动力摩擦

图7 钢球与保持架兜圈之间的流体动摩擦力

图8 球和保持架兜孔的法向效应

图8 保持架兜孔和钢球的法向效果

式中，Cc为保持架质心坐标系与固定坐标系之间的旋转矩阵； mc为保持架的质量； xc、yc和zc分别是保持架在x、y和z方向上的加速度； Jcx、Jcy、Jcz分别为保持架在x、y、z方向的转动惯量； wcx、wcy 和wcz 分别是保持架在x、y 和z 方向上的角加速度。

1.2.2 柔性保持架建模与计算

柔性体的建模和计算在Abaqus 和Caba3D 中高度集成。柔性保持架建模计算流程如图9所示。

图9 柔性保持架仿真流程[12]

图9 柔性保持架仿真流程

(1)通过Abaqus将简化柔性保持架的模态矩阵、质量矩阵、刚度矩阵、固有频率和固有模态导入到Caba3D的验证模块中，并在该模块中对保持架简化模型进行频率响应验证。

(2)简化模型验证完成后，将简化模型导入Caba3D的预处理模块中。在该模块中，生成约简质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和时变惯性参数。

(3)计算刚柔耦合模型。

(4)在Caba3D中提取相关结果。

(5) 将Caba3D中计算的弹性保持架导入Abaqus中计算应力。

1.2.3 分析模型创建

Abaqus建模信息：由于保持架是周向对称模型，因此离心力也是周向对称的。因此，在Abaqus静力计算时，可以截取保持架的任意型腔模型来代替整个模型进行分析，并对保持架两侧采用周向对称。边界，然后向保持架施加旋转体力（离心力）。如图1所示，采用四面体单元C3D10M对保持架进行网格划分，网格参考尺寸为0.2 mm。

Caba3D建模信息：基于图10所示的Caba3D轴承动力学分析结果，对轴承组件进行建模。该模型可以考虑轴承内外圈、球、保持架部件之间的运动、接触、力等。 Caba3D的弹性保持架功能可以帮助计算和分析保持架在每个时间步的应力和变形。

图10 Caba3D轴承动力学分析图

图10 Caba3D轴承动力学分析图

以6208轴承为例，结合新能源汽车减速箱输入轴的工况（转速与电机轴一致），首先利用Abaqus对6208轴承的离心力进行静态分析。保持架本身，然后使用Caba3D对保持架的整体应力进行动态分析。逐步叠加滚动体在恒速和快速加减速时的影响，一一对比分析保持架的受力状态。

(1)利用Abaqus静态分析保持架本身离心力的影响。工况参数如表1所示。

表1 Abaqus分析的工况参数

表1 Abaqus分析参数

从图11所示的分析结果可以看出，最大应力位置位于保持架兜孔底部，最大Von Mises应力为41.8 MPa。

图11 Abaqus静态分析结果

图11 Abaqus静态分析结果

(2)利用Caba3D动态分析保持架整体应力，叠加滚动体等速时对保持架的影响。工况参数如表2所示。

表2 Caba3D恒速分析工况参数

表2 Caba3D恒速分析参数

图12分析结果表明，型腔底部平均Von Mises应力约为44 MPa，最大值约为55 MPa，最小值约为33 MPa；各彩色曲线的幅值主要反映滚动体对各保持架兜孔底部的影响。影响。

图12 恒定转速下型腔底部的Caba3D应力-时间关系

图12 Caba3D恒速下型腔应力-时间分析结果

(3)利用Caba3D动态分析保持架整体应力，叠加快速加减速时滚动体对保持架的影响。工况参数如表3所示。

表3 Caba3D分析快速加减速工况参数

表3 快速加减速时Caba3D分析参数

注：从0 到0.25 s，转速从16 667 r/min 下降到15 292 r/min；从0.25 s到0.5 s，转速从15 292 r/min增加到16 667 r/min。

图13分析结果表明，型腔底部Von Mises应力最大值约为52 MPa，最小值约为31 MPa；各彩色曲线的幅值主要反映滚动体对各保持架兜孔底部的影响。特别明显的是，当0~0.25 s时，平均应力随着转速的减小而减小；当0.25~0.5s之间时，平均应力随着转速的增加而增加。

图13 快速加减速过程中型腔底部的Caba3D应力-时间关系

图13 Caba3D对型腔快速加减速时的应力-时间分析结果

基于保持架质量较小、轴向载荷与径向载荷之比较大的应用条件，由上述分析可得出以下结论：

1）保持架的最大应力位置在兜孔底部。原因是两个口袋之间的质量体由于离心力而向外抛掷，使口袋底部承受拉应力。离心力是影响保持架应力的重要因素。

2）对比恒速和快速加减速工况，保持架兜孔底部的平均应力主要与速度有关。当转速变小时，平均应力减小；当转速增加时，平均应力增加。因此，转速是影响保持架应力的决定性因素。

3）对比匀速和快速加减速条件，应力幅值差异较小。应力幅值主要受滚动体碰撞和保持架本身变形的影响，快速加减速的影响相对较小。

需要注意的是滚动体对保持架的影响。受保持架质量、载荷工况、内部间隙、保持架兜孔间隙等影响，上述结论是根据当前新能源汽车电驱动系统主流应用工况得出的，但在其他应用工况下是否仍然如此呢？有待进一步研究和讨论。

2.3 保持架设计要点

从以上分析可以看出，在高速工况下，离心力是影响保持架的关键因素。因此，在设计保持架时，需要特别注意减少离心力对保持架的影响。本文介绍以下高速保持架设计的两个要点。

2.3.1 减少筋和爪的质量

式（4）中，当轴承的基本设计（滚动体直径、分度圆）确定后，保持架某一位置的离心力大小主要取决于该位置保持架的质量和轴承内圈的转速。由于转速来自客户要求，结合上述离心力对保持架不同位置的影响，可以通过减小质量来减小该位置的离心力。然而，应该注意的是，减少该位置的质量不会影响保持滚动元件的能力。通常有如图14所示的方法。

图14 减少加强筋和爪位处的材料

图14 减少钢筋和夹紧位置的材料

2.3.2 增加保持架兜底的强度

在上述分析中，口袋底部是整个保持架的最薄弱点。在高速条件下，这个位置断裂的风险最大。因此，有必要增强该位置的强度，以降低骨折的风险。但需要注意的是，在该位置添加材料后，轴承内部必须有足够的保持架空间，以免发生干涉。通常有如图15所示的方法。

图15 口袋孔底部加固

图15 增强笼底强度

目前，市场上各厂家的高速保持架主要采用PA46材料，并由滚动体引导。虽然形状看似不同，但主要目的都是为了减少离心力的影响，一般都是围绕以上两个方向旋转。

3 分析与验证3.1 有限元分析与验证

以图16和图17所示的A型和B型两种6208保持架为例进行有限元分析，验证上述两个设计方向。两种保持架的主要区别是：A型保持架的加强筋和爪部质量较大，但兜孔底部强度较低； B型保持架的加强筋和爪部质量小，但兜孔底部强度高。在转速10 000~25 000 r/min、温度120 的工况下，利用Abaqus分析了离心力对保持架变形和应力的影响。结果分别如图18和图19所示。

图16 A 型保持架

图16 A型

图17 B 型保持架

图17 B型

从图18可以看出，B型保持架可能干涉位置的变形明显小于A型保持架，且转速越高，差异越明显。从图19可以看出，B型保持架兜孔底部应力明显小于A型保持架兜孔底部应力，且转速越高，差异越明显。可见，按照上述2.3节指示设计的B型保持架更适合高速运行。

图18 保持架在干涉位置可能变形

图18 潜在干扰位置处的变形

高分子材料的应力越大，蠕变就越严重。如图19 Abaqus 验证结果所示，当转速为16 667 r/min 时，A 型保持架兜孔底部应力为41.8 MPa。参见图3至图5，100h内发生的蠕变约为0.2%；而B型A型保持架兜孔底部应力为13.2MPa，同时发生的蠕变约为0.05%，约为A型保持架蠕变的25%，如图图20 B型保持架较小的蠕变给保持架带来了较高的安全系数。

图19 保持架口袋底部的应力

图19 保持架兜孔底部应力

图20 A型和B型保持架蠕变比较

图20 A型和B型保持架的蠕变比较

3.2 台架试验验证

上述A型和B型保持架根据客户驱动电机轴承工况进行了台架试验和验证。基本型号6208，其他部分保持相同设计。测试条件如表4所示。

表4 台架试验参数

表4 测试参数

使用A型保持架的轴承在出现异常发热之前最短运行21小时。当温度超过140时，设备自动停机。经过分解调查分析，发现部分保持架外周面与轴承外圈挡肩存在明显过盈。沿圆周方向360继续存在干涉痕迹，保持架兜孔底部发现了一些断裂，如图21所示。

图21 A型保持架外周面干涉痕及兜孔底部断裂

图21 A型保持架干涉痕及断裂情况

使用B型保持架的轴承均已完成目标寿命试验，未发现异常情况。试验完成后保持架如图22所示。台架试验进一步验证了B型保持架更适合高速运行。

图22 B型保持架无异常

图22 B型保持架未发现异常

综上所述，仿真模拟和台架试验一致验证了B型保持架在高速运行时的性能优于A型保持架，更适合高速运行工况。进一步验证了高速保持架设计关键思想的正确性。

4。结论

针对当前新能源汽车电驱动系统的主流应用工况，对其所采用的高速深沟球轴承保持架的设计关键进行了研究。从保持架的应力、模拟分析到台架测试，使用了两种模型。对不同设计的笼子进行了验证。加强筋和爪部质量大、兜孔底部强度低的保持架会发生干涉而断裂。然而，加强筋和爪部质量较小、兜孔底部强度较高的保持架在模拟分析和台架试验中会失败。完美的表现。得到以下结论：

(1)高速运转时，离心力是影响保持架应力的重要因素。

(2)对于轻质塑料保持架，在径向力和轴向力的共同作用下，高转速是影响保持架应力的关键因素，而快速加减速对保持架应力的影响相对较小。

(3)高速深沟球保持架设计的关键：加强筋和卡爪的减重、兜孔底部的加固。

这种高速笼设计方向，在笼本身很轻的前提下，并不局限于新能源汽车的应用。它也适用于其他高速应用，具有广泛的指导意义。

编辑：黄飞