簡介

優(yōu)化零部件和工藝是非常重要的，因為從長遠來看，即使微小的效率發(fā)展也可以節(jié)省大量的能源和材料。優(yōu)化重要的部分是確定損失的來源和影響因素。在我們當(dāng)前的主題中，即滾動軸承。在油潤滑滾動軸承的運行過程中，也會發(fā)生損耗，可分為兩組。第一組是負載相關(guān)損耗或接觸損耗，它們是由接觸力引起的機械摩擦。為了確定這些損耗，有合適的計算方法和多體動力學(xué)仿真技術(shù) [1]。第二組是由部件表面的潤滑劑位移和潤滑劑剪切引起且與負載無關(guān)的損失。我們項目目的是調(diào)查這一組，通常被稱為液壓損失。與接觸損失相比，可用于液壓損失的計算方法的數(shù)量是有限的。只有相同且需要高功率和計算的經(jīng)驗?zāi)Ｐ突驍?shù)值方法。因此在一個合作項目內(nèi)進行了實驗和數(shù)值研究，以便更詳細了解與負載無關(guān)的液壓損失。實驗部分在Machine Elements, Gears & Transmissions (MEGT)進行，仿真在Institute of Tribology and Energy Conversion Machinery (ITR)進行。該項目的重點是圓錐滾子軸承的全浸沒式和半浸沒式潤滑，其中軸承附近環(huán)境的影響也考慮為一個影響因素。

試驗方法

為了研究液壓損失，MEGT[2, 3]開發(fā)了一個測試臺，它具有模塊化設(shè)計，可用于測量不同設(shè)計、尺寸、潤滑和軸向軸承位置的軸向載荷滾動軸承的總摩擦扭矩（圖1）。測試單元包含一個作為支撐軸承的角接觸球軸承7208和一個作為測試軸承的圓錐滾子軸承32208。滾動軸承以X形安裝，并由由稱重傳感器、碟形彈簧和負載螺栓組成的負載單元進行預(yù)緊。由于有單獨的油室，可以在軸承處獨立調(diào)節(jié)油位，并且油室中形成的流動不會相互干擾。此外，還可以研究第二個油室中測試軸承不同軸向位置時液壓損失的環(huán)境影響。所提出的測試單元由直流電機驅(qū)動，***大速度為每分鐘10,000轉(zhuǎn)的傳動帶。在驅(qū)動和測試單元之間有一個軸扭矩傳感器，它可以測量測試單元中產(chǎn)生***大不超過5NM的損失扭矩。

圖1：用于水平軸承配置中液壓損失實驗研究的試驗臺 [2]

在測量過程中，觀察和測量了外圈溫度、油溫、轉(zhuǎn)速、軸向載荷和軸扭矩。借助測得的扭矩，可以根據(jù)油位的變化來確定液壓損失（圖2）。這意味著我們需要兩個邊界條件相同的測量，但油量除外。一種是調(diào)查的油量，另一種是***小潤滑量。測得的損失扭矩之間的差值是調(diào)整邊界條件下的純液壓損失.

圖2：在完全浸沒的圓錐滾子軸承32208下，根據(jù)油位變化確定液壓損失的示例

數(shù)值方法

除了實驗之外，還在Institute of Tribology and Energy Conversion Machinery (ITR) 進行了 CFD 流體模擬，以確定液壓損失。這些三維瞬態(tài)仿真使用 ANSYS CFX 執(zhí)行，并對測試箱內(nèi)的復(fù)雜流動分布進行建模。在計算中，根據(jù)測量值設(shè)置油屬性和轉(zhuǎn)速。計算網(wǎng)格覆蓋了測試軸承的油室，包含大約 550 萬個六面體單元。這種塊狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分為三個部分，并且在墻壁附近具有更精細的分辨率。

結(jié)果

圖3：重現(xiàn)性測試和第一次數(shù)值計算的結(jié)果

由于重現(xiàn)性測試中每個測量點的差異小于 5%，因此我們可以說測量具有良好的重現(xiàn)性。比較表明實驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性，僅在粘度較高的情況下有很小的偏差。一般來說，我們可以說較低的油粘度（較高的油溫）導(dǎo)致較低的液壓損失，液壓損失幾乎隨轉(zhuǎn)速線性增加。再現(xiàn)性測試后，在不同的油位和不同的測試軸承軸向位置下進行了進一步的測量。結(jié)果顯示了油量、油溫（即油粘度）、轉(zhuǎn)速和軸承位置（即測試軸承附近是否存在壁）對液壓損失值的影響。此外，在第74屆STLE年會暨展覽會上展示的測量結(jié)果中也可以觀察到所謂的錐形滾子軸承的泵效應(yīng)和油的泡沫

【參考文獻】

[1]Aul, V.; Kiekbusch, T.; Marquart, M.; Sauer, B.: Experimentelle und simulative Ermittlung von Reibmomenten in W?lzlagern. 51. Tribologie-Fachtagung GfT 09/2010

[2]Gonda, A.; Gro?berndt, D.; Sauer B.; Schwarze H.: Experimentelle und numerische Untersuchungen der hydraulischen Verluste in W?lzlagern unter praxisrelevanten Bedingungen. 59. Tribologie-Fachtagung (GfT) 2018, 24.-26.09.2018, G?ttingen; pp. 35/1-35/10, Band 1

[3]J. Liebrecht, X. Si, B. Sauer und H. Schwarze, "Untersuchungen von hydraulischen Verlusten an Kegelrollenlagern,“ Tribologie und Schmierungstechnik, pp. 14-21, 5 2014.