四点接触球轴承在新能源减速器结构设计中的应用

张广杰　王源

摘 要：为了满足新能源汽车电机高转速和大扭矩的设计要求，文章在输入轴上采用了整体式四点接触球轴承代替普通深沟球轴承的设计思路，利用Masta软件分析轴承受力及寿命情况，并通过台架和整车进行试验验证，计算结果与实验情况符合较好，满足客户使用要求，这说明四点接触球轴承在能源减速器高速轴上的应用是可行的。

关键词：四点接触 球轴承 新能源 减速器

随着新能源汽车行业的发展，整车动力性要求越来越高，成本压力越来越大，为此，电机向小型化，高转速，大扭矩趋势发展，与此同时也自然对新能源减速器提出了更高的设计要求，为了兼顾高转速和大扭矩的工况，以及轻量化的结构限制，市场上车用深沟球轴承结构已经远远不能满足使用要求，迫切需要选用一款新型轴承。

深沟球轴承转速高，但承载力有限，角接触球轴承虽然能提升一定承载力，但成本大大提高的同时，也不能完全满足工况需求，圆柱滚子轴承承载能力高，但转速较低，且不能承受轴向力。经过对比发现，四点接触球轴承承载能力高，且可以在较高转速下使用，之所以没有用在新能源减速机高速轴上，主要是因为四点接触时，在转速较高的情况下持续工作，会增加发热量，加速轴承的损坏。考虑到电机高速时扭矩较小，低速时扭矩较大，我们希望通过对轴承施加合适的预紧力，让轴承在高速低扭时两点接触，低速高扭时四点接触，规避高速发热量大的风险，满足高速高扭的工况需求。

普通型深沟球轴承的内外圈沟道是圆弧形，而四点接触球轴承的内圈和外圈沟道为桃形沟（如图1所示），在纯径向载荷Fr下，普通型深沟球轴承的钢球和内外圈沟道成两点接触，而四点接触球轴承的钢球和内外圈沟道成四点接触，比普通型深沟球轴承能承受更大的径向负荷，在纯轴向载荷Fa下，普通型深沟球轴承和四点接触球轴承的钢球和内外圈沟道成两点接触，可承受双向轴向载荷，并且都采用整体保持架结构，具有高转速的速度特性，但是四点接触球轴承比普通型深沟球轴承在较高的转速下能承受更大的径向负荷和轴向负荷。本文使用的轴承型号是6306深沟球轴承，其普通型深沟球轴承和四点接触球轴承的性能参数对比如表1，从表中可看出四点接触球轴承相比普通型深沟球轴承，具有更高的转速，并能承受更大的载荷，因此本文采用四点接触球轴承设计新能源减速器的输入端支撑结构。

1 四点接触球轴承的计算模型

轴承寿命是在内圈或外圈滚道或钢球首次出现金属疲劳（剥落）迹象之前，轴承以一定速度运行所能达到的旋转次数或工作小时数。在新能源减速器中，由于整车工况是不断变化的载荷，每个不同载荷水平可累加，将整车载荷谱简化为数量有限的恒定载荷图（如图2所示）。在每一个载荷段内，可计算轴承载荷和工作条件具有代表性的恒定平均值。此外，还应根据每一个载荷段所需的工作小时或转数，计算该载荷条件下的分段寿命。

本文分别对普通型深沟球轴承和四点接触球轴承利用Masta软件建模，分析其在新能源减速器中满足整车工况的轴承寿命计算，这里主要进行了典型工况的数据对比，表2所示。其Masta计算模型如下图3，图中1和2是深沟球轴承，分别对普通型深沟球轴承和四点接触球轴承进行计算，并对计算结果进行对比分析。

根据ISO16281标准，普通型深沟球轴承和四点接触球轴承在典型载荷工况下的受力情况和寿命计算结果分别如表3-表5：

从表3-表5轴承受力情况和寿命计算结果可看出四点接触球轴承所能承受径向载荷的能力和寿命都比普通型深沟球轴承寿命高；预紧后的四点接触球轴承，在高速低扭情况下，所有钢球都只有两个点受力，或者其中两个触点的受力很小，而无预紧的情况下，四个点受力相对较大，承预紧情况下的寿命略小于无预紧情况，这里主要是因为只考虑了预紧力的影响，忽视了高速摩擦造成的影响；在低速高扭情况下，有预紧和无预紧受力情况及寿命基本上接近。

经过Masta软件计算，根据ISO16281标准计算出四点接触球轴承寿命损伤率小于100%，符合设计要求，而普通型深沟球轴承轴承寿命损伤率大于100%，不符合设计要求，因此四点接触球轴承在新能源减速器的应用符合设计要求，说明新能源减速器能使用四点接触球轴承进行试验验证。

2 实验过程及结果

为验证四點接触球轴承在新能源减速器的实际应用情况，将普通型深沟球轴承和四点接触球轴承在台架上（如图4所示）进行了减速器耐久疲劳试验、温升试验、高速试验、NVH试验和润滑试验等9个台架试验，并在整车上（如图5示）进行了整车可靠性试验、高温试验、高寒试验和质保路试的4个整车试验，经过一年的试验验证过程，台架试验和整车试验都成功通过试验。

试验结束后从减速器上将两个普通型深沟球轴承和四点接触球轴承拆下，并对其进行对比检测分析，分析结果如下：

2.1 整体外观检测

检测普通型深沟球轴承和四点接触球轴承的外观，可看出普通型深沟球轴承整体外观不良，零件出现损坏，而四点接触球轴承整体外观都良好，灵活性良好，如图6所示。

3 结论

本文采用Masta软件进行了普通型深沟球轴承和四点接触球轴承在整车工况下的寿命计算，从理论上证明了四点接触球轴承能够在新能源减速器高速轴上进行应用；通过台架和整车试验进行了验证，并对试验后的轴承进行了拆解分析，从实际上证明了四点接触球轴承在新能源减速器高速轴上进行应用的可能性。综合以上情况，可证明四点接触球轴承在新能源减速器高速轴上进行应用是可靠的。

湖南创新型省份建设专项（2021GK4033）。

参考文献：

[1]贾群义编著.滚动轴承的设计原理与应用技术.西安：西北工业大学出版社，1991.

[2]徐荣瑜，何剑，杨进周.三点四点接触球轴承设计与应用.轴承，1998，12：1-5.

[3]王世锋.轴承套圈磨超加工技术发展状况.机械制造，2006，7.

[4]教学参考资料.《滚动轴承课程设计指导书》.河南科技大学轴承教研室.2004.2.