車用增壓器滾動軸承試驗機的設計

萬賀，張占立，范玉春

(1.河南科技大學 機電工程學院,河南 洛陽 471003；2.91668部隊，上海 200083；3.黎明化工研究院 綜合分廠，河南 洛陽 471001)

汽車增壓器主要由進氣殼、排氣殼、蝸殼、轉子、軸承等部件組成，其中軸承是決定增壓器噪聲及使用壽命的關鍵零部件[1]。車用增壓器軸承工作在高速、高溫的環境下，大多采用滑動軸承，但隨著滾動軸承設計技術及材料應用水平的提高，以及滾動軸承機械效率高、阻尼小、瞬態響應性好等優點，車用增壓器上應用滾動軸承成為一種趨勢[2-3]。例如，美國Honeywell公司研制的T25BB高速滾動軸承渦輪增壓器于1993年開始在Nissan公司的車輛上小批量試用；瑞士ABB公司于1994年開始在VTR.4系列大型渦輪增壓器上應用滾動軸承；日本IHI公司近年分別開發了適用于轎車、客車、載重汽車用的RHB3，RHB5和RHB7等采用滾動軸承的渦輪增壓器[4]。目前，國外的滾動軸承渦輪增壓器正處于完善和推廣應用階段，而我國仍處于起步階段，因此研發了車用增壓器滾動軸承試驗機，便于進行該類軸承的性能、壽命等試驗工作。

1 主要技術參數及功能要求

試驗機最大軸向載荷為500 N，最高轉速為90 000 r/min，穩態誤差≤±1%，工作介質為潤滑油，試驗軸承內徑范圍為φ10～20 mm，最高環境溫度為150 ℃；試驗機采用計算機全自動測控技術，對軸承的溫度、轉速、振動、載荷和主機電流等進行實時監控，并對試驗數據進行實時記錄，還具有緊急情況下的自動報警停機功能。

2 試驗機組成

車用增壓器滾動軸承試驗機主要由機械結構、加載系統、潤滑系統和電氣控制4部分組成。

2.1 機械結構

機械結構如圖1所示，主要包括底座、試驗頭、液壓缸和電主軸等。電主軸通過聯軸器直接驅動試驗軸轉動，聯軸器之間采用直徑為3 mm的軟繩連接。通過液壓缸推動加載軸承實現加載。

1—液壓缸；2—加載軸承；3—試驗頭；4—聯軸器；5—電主軸；6—底板

2.1.1 試驗頭

試驗頭是試驗機的核心部件，用來完成試驗軸承的預緊、定位以及溫度傳感器和振動傳感器的安裝，內部設有潤滑油管路。試驗頭結構如圖2所示，套筒安裝在套筒上蓋與套筒底座之間，左、右端蓋分別連接在套筒兩端。試驗軸承可作為主軸的支承，與實際使用情況保持一致。

1—套筒底座；2—主軸套筒；3—左端蓋；4—主軸；5—套筒上蓋；6—右端蓋

2.1.2 軸系臨界轉速計算

臨界轉速計算是轉子支承系統動力學特性分析和結構設計的重要內容，目的是通過計算和試驗確定轉子支承系統的臨界轉速，分析相關影響因素，通過調整結構參數避開臨界轉速，使增壓器穩定工作[5]。試驗機軸系結構如圖3所示，最左端軸承為加載軸承，最大軸向力為500 N，正常工況下為300 N左右；試驗軸承為雙列角接觸球軸承，正常工作轉速為70 000～90 000 r/min，預緊力為350 N，原始接觸角為15°，軸系的動平衡精度等級為G0.4。

圖3 軸系結構示意圖

將軸系簡化為雙鉸支多圓盤鋼軸，其一階臨界轉速為[6]

(1)

式中：W0為實心鋼軸的重力，N；L為軸的全長，mm；λ1為兩端外伸軸的系數，取9.87；dv為軸的當量直徑，mm；Wi為支承間第i個圓盤的重力，N；ai，bi分別為支承間第i個圓盤與左、右支承間的距離，mm；l為支承間距離，mm；Gj為外伸端第j個圓盤重力，N；cj為外伸端第j個圓盤與支承間的距離，mm；di為第i段軸的直徑，mm；li為第i段軸的長度，mm。軸系各參數測量結果見表1。

表1 軸系各參數測量結果

將上述參數代入(1)式可得ncr1=66 746 r/min，利用ANSYS對該軸系進行模態分析，得出該軸系的固有頻率，進而計算出該軸系的二階臨界轉速為14 267 r/min。也就是說,軸承正常工作轉速避開了一階及二階臨界轉速，增壓器可以穩定工作。

2.2 加載系統

加載系統的工作原理如圖4所示。工作壓力為0.1～0.2 MPa，流量為0.08 L/min，電動機功率為0.75 kW，采用46#抗磨液壓油。比例減壓閥依據輸入電壓信號的變化輸出所需要的出口壓力。軸向加載方式為液壓缸恒向變載，通過低壓和高壓2條油路實現加載。低壓油路加載范圍為200～700 N，加載時通過2個阻尼孔降壓分流，當溢流閥為最小調定壓力時，經阻尼孔降壓后可達到200 N的加載力。高壓油路加載范圍為700～2 000 N，加載時通過溢流閥直接調節液壓缸進油口壓力。液壓缸的動作循環為：慢進→加載→保壓→快退→卸載。

1—油箱；2—吸油濾油器；3—泵；4—出口過濾器；5—比例溢流閥；6—三位四通電磁換向閥；7—阻尼孔；8—阻尼孔；9—二位二通電磁換向閥；10—液控單向閥；11—壓力傳感器；12—液壓缸；13—兩位四通電磁換向閥；14—單向閥；15—壓力表；16—電動機

2.3 潤滑系統

潤滑系統主要由液壓泵、電動機、溢流閥等組成，其工作原理如圖5所示。首先接通加熱電源，當潤滑油溫度達到100 ℃后接通電動機電源，電動機帶動液壓泵將潤滑油從油箱抽出，通過溢流閥調節系統壓力，通過節流閥調節系統流量，使系統供油穩定，潤滑處與油箱設置高度差使部分潤滑油可以自動流回油箱，在液壓系統的出口處裝有液壓表，用以測量加載系統潤滑油的實時壓力。

1—油箱；2—吸油濾油器；3—泵；4—電動機；5—溢流閥；6—出口過濾器；7—壓力表；8—壓力傳感器；9—節流閥

2.4 電氣控制

電氣控制部分主要由上位機、數據采集卡、傳感器、變頻器等組成，如圖6所示。上位機與變頻器之間通過串口實現通信，從而控制主軸電動機轉速。系統通過傳感器采集被測軸承和加載軸承的溫度和振動信號，采集到的信號經過數據采集卡傳輸到上位機中，由上位機對信號進行處理、分析并完成各個參數及結果顯示、狀態報警和打印報表等操作。

圖6 電氣控制部分結構圖

3 試驗結果及分析

經試車運行，試驗機運轉平穩，工作可靠，能準確顯示轉速、載荷、溫度和振動等參數，并能按要求實現自動控制，說明試驗機可以滿足增壓器軸承的試驗要求。

對某型雙列角接觸球軸承進行裝機試驗，考核試驗機在轉速80 000 r/min、潤滑油溫度100 ℃和軸向載荷300 N工況下的工作性能及可靠性，4套試驗軸承在100 h的運轉時間內均無異常，運轉過程平穩、無非正常停機，各項監控指標都在要求范圍內。對軸承外觀檢查，未發現溝道出現嚴重偏磨、打滑、明顯劃傷等現象，鋼球表面正常，未出現裂痕和明顯的磨損現象。試驗前后軸承游隙變化很小(表2)，表明試驗軸承可靠性滿足工況要求。

表2 壽命試驗前后軸承的游隙 μm

4 結束語

通過計算和優化，設計的車用增壓器滾動軸承試驗機性能可靠，能夠滿足試驗要求，可以對安裝前軸承的可靠性進行評估，并依據試驗規范對載荷作用下軸承的性能、工作狀態、磨損疲勞壽命等進行檢驗，為軸承失效分析、壽命計算等提供依據。