電機(jī)軸承外圈蠕變的不同機(jī)理

軸承蠕變的研究在20世界50年代就已經(jīng)開始，并形成了系列蠕變理論，有些理論一直沿用至今。軸承蠕變是指在軸承配合面之間相對(duì)發(fā)生滑動(dòng)，分為內(nèi)圈蠕變和外圈蠕變。 電機(jī)軸承蠕變引起的最常見失效模式是機(jī)殼軸承座磨損產(chǎn)生鐵屑，產(chǎn)生的后果輕則影響NVH，重則影響系統(tǒng)高壓絕緣/軸承損壞 ，因此電機(jī)軸承蠕變專題主要討論的是電機(jī)軸承外圈蠕變。

（一）

電機(jī)軸承通常采用深溝球滾動(dòng)軸承，軸承外圈與殼體之間的配合是間隙，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸之間的配合是過盈。電機(jī)軸承工作環(huán)境可以參考下圖中的奧迪E-TRON剖視圖。

前面談到軸承蠕變是指在軸承配合面之間相對(duì)發(fā)生滑動(dòng)，有兩種情況：一種是軸承外圈與內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)方向相同，另外一種則是軸承外圈與內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)方向相反。

1. 反向旋轉(zhuǎn)蠕變

N. Soda在1964年指出了兩種反向旋轉(zhuǎn)軸承蠕變機(jī)理。 其中一種是眾所周知的，由于軸承外圈與軸承座間隙引起的蠕變 。當(dāng)旋轉(zhuǎn)載荷作用在軸承上時(shí)，如果裝配表面與環(huán)之間的間隙為c，則軸承每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，軸承外圈會(huì)延遲πc，從而導(dǎo)致與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向相反的蠕變。

另一種是由于無間隙時(shí)軸承外圈的彈性變形和滑動(dòng)引起的 。研究者以帶橡皮筋的塑料罐來做說明：由于橡皮筋和茶葉罐之間的小滑動(dòng)，在低于負(fù)載的某個(gè)點(diǎn)處，隨著塑料罐滾動(dòng)，其向前累積。

起初，橡皮筋會(huì)因茶罐的負(fù)荷而變形，并沿圓周方向伸展。這種變形是對(duì)稱的，左右之間的滑動(dòng)也相同，因此，不應(yīng)發(fā)生向一個(gè)方向移動(dòng)的蠕變。但是，當(dāng)茶葉罐滾動(dòng)時(shí)，由先前的滑移引起的變形仍然保留，導(dǎo)致不對(duì)稱。隨著向一個(gè)方向的滑動(dòng)增加，就會(huì)產(chǎn)生蠕變。橡皮筋向與罐的滾動(dòng)方向相反的方向蠕動(dòng)。

2. 相同旋轉(zhuǎn)蠕變

2.1 有限元模擬軸承蠕變機(jī)理的研究

為了更好的理解相同旋轉(zhuǎn)蠕變的機(jī)理，首先我們以NSK基于有限元分析的結(jié)果來進(jìn)行說明。軸承模型如下所示（無旋轉(zhuǎn)載荷）

下圖顯示了軸承外圈的彈性應(yīng)變分布的結(jié)果。圖（a）為周向應(yīng)變的分布，圖（b）為徑向應(yīng)變的分布，圖3（c）中的曲線圖顯示了外圈外徑上的應(yīng)變分布。

在基準(zhǔn)點(diǎn)P附近的外徑的局部區(qū)域內(nèi)，周向應(yīng)變?chǔ)纽葹檎?，徑向?yīng)變?chǔ)舝為負(fù)值。 這表明在軸承外圈與殼體之間的接觸壓力下，外圈在圓周方向上拉伸并且在徑向上收縮 。顯然，當(dāng)軸承載荷沿內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，局部應(yīng)變的分布相應(yīng)地沿相同方向移動(dòng)。

下圖給出了與軸承運(yùn)動(dòng)相關(guān)的應(yīng)變變化（Δεθ，Δεr）的分布。根據(jù)軸承的運(yùn)動(dòng)方向，應(yīng)變變化在前后有不同的分布。Δεθ的分布在軸承的前面正值，在其后面負(fù)值。同時(shí)，Δεr在滾動(dòng)元件前面負(fù)值，后面正值。

也就是說，在圓周方向上，軸承滾珠的每次通過都會(huì)反復(fù)發(fā)生前面的局部拉伸和后面的局部收縮 。

為了驗(yàn)證上述有限元分析的準(zhǔn)確性，研究者進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn)。在該測(cè)試中，通過攝像機(jī)記錄了外圈蠕變，便于計(jì)算蠕變速度。在測(cè)試中，使用通過連桿連接到外圈的稱重傳感器測(cè)量蠕變扭矩。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)軸上測(cè)量了軸承的動(dòng)態(tài)扭矩。

試驗(yàn)結(jié)果如下所示：

1. 外圈蠕變速度隨著內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度而變化，并隨著軸承負(fù)荷的增加而增加
   
2. 蠕變轉(zhuǎn)矩和動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著軸承負(fù)荷的增加而增加
   
3. 蠕變轉(zhuǎn)矩和動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的增加而幾乎沒有變化

除了軸承的載荷和內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速外，還有許多因素，如外圈的剛度，滾動(dòng)元件的數(shù)量，軸承座與外圈之間的間隙等，都會(huì)影響外圈蠕變的可能性。下圖顯示了出了針對(duì)不同厚度的殼體（t）的周向位移的變化。 明顯的趨勢(shì)是，外圈蠕變可能在具有較小剛度的較薄外殼中容易發(fā)生。 通過有限元模擬和測(cè)試，得出結(jié)論，非旋轉(zhuǎn)載荷下的外圈蠕變是滾動(dòng)體引起的局部應(yīng)變和波紋變形的結(jié)果。

2.2 基于行波原理的軸承蠕變研究

在另外一項(xiàng)研究中，研究者提供了一個(gè)假設(shè)： 軸承外圈表面上產(chǎn)生了行波 （行波是指平面波在傳輸線上的一種傳輸狀態(tài)，其幅度沿傳播方向按指數(shù)規(guī)律變化，相位沿傳輸線按線性規(guī)律變化） ，該行波移動(dòng)了軸承外圈并產(chǎn)生了蠕變 。使用有限元分析，可以相對(duì)容易的理解蠕變，但無法指出蠕變是行波傳播的現(xiàn)象。因此，研究者使用熟悉的設(shè)備來解釋這種機(jī)制，并討論產(chǎn)生行波原理來限制蠕變的條件。

在盤型超聲波馬達(dá)中，行波被彈性體表面上的壓電元件激發(fā)。這在轉(zhuǎn)子上沿與彈性體的表面上的行波相反的方向產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。

下圖示出了超聲波馬達(dá)的傳遞機(jī)構(gòu)。壓在彈性體上的轉(zhuǎn)子通過表面的橢圓運(yùn)動(dòng)沿與行波相反的方向移動(dòng)。

隨著軸承外圈的蠕變，行進(jìn)波會(huì)產(chǎn)生到外圈本身。就蠕變方向而言，外圈在滾動(dòng)體行進(jìn)方向的相反方向上作用在殼體上。然而，由于殼體是固定的，所以將外圈推回，導(dǎo)致其沿與滾動(dòng)元件相同的方向行進(jìn)，即沿與軸承旋轉(zhuǎn)方向相同的方向旋轉(zhuǎn)。

來自行進(jìn)的滾動(dòng)元件的載荷施加在主體的表面上時(shí)，位于主體的相對(duì)淺的區(qū)域處的點(diǎn)以環(huán)形運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滾動(dòng)元件剛好經(jīng)過（1）上方時(shí)，該點(diǎn)被向下壓，而當(dāng)該點(diǎn)位于兩個(gè)滾動(dòng)元件（3）之間時(shí)，該點(diǎn)向上移動(dòng)更靠近表面。在這些位置（2）和（4）之間，它移動(dòng)到滾動(dòng)元件的相對(duì)側(cè)。因此，軸承在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)不斷重復(fù)這種微觀行為，也就是所謂的行波。

研究者通過Bussinesq位移方程建立軸承微觀內(nèi)部微觀位移計(jì)算模型，在該模型中，假設(shè)qi遵循正弦函數(shù)分布。

下圖顯示了上述模型的利薩如圖形（ 由在互相垂直的方向上的兩個(gè)頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比的簡(jiǎn)諧振動(dòng)所合成的規(guī)則的、穩(wěn)定的閉合曲線）。通過利薩如圖形，可以清晰的知道不同情況下，振幅A的變化。

通過分析，研究者得出以下結(jié)論：

1. 外圈局部幅度A與軸承載荷成正比
2. 當(dāng)軸承壁厚/軸承滾珠之間的距離比值達(dá)到一定時(shí)，軸承載荷對(duì)外圈局部幅度A幾乎無影響，即已收斂

總結(jié)

本文是電機(jī)軸承蠕變專題的第一篇，分享了軸承外圈兩種蠕變的機(jī)理研究。無論是哪一種機(jī)理，研究者的研究對(duì)象都是軸承本體，因此在分析電機(jī)軸承蠕變問題，我們要充分考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性（軸承外圈與軸承座有間隙、電機(jī)系統(tǒng)存在磁拉力、電機(jī)系統(tǒng)存在不平衡等），不能盲目的套用任何一種理論。

當(dāng)電機(jī)軸承發(fā)生蠕變，軸承外圈與內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)方向是什么樣呢?

一直同向還是一直反向，或同向和反向同時(shí)存在（存在某一狀態(tài)臨界點(diǎn))？