軸承設計的案例
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展開 一文解析徑向滑動軸承分析和設計
目前DyRoBeS軸承-轉子動力學分析與設計軟件共含有8大模塊，分別是Rotor（轉子動力學模塊）、BePerf（徑向滑動軸承性能模塊）、ThrustBrg（止推軸承模塊）、GearLoad（齒輪嚙合載荷模塊）、RotorBal（轉子動平衡模塊）、SpiralGF（先進螺旋密封模塊）、LabySeal（迷宮密封模塊）、Carbon Ring Seal（石墨環密封模塊），如下表1及圖1所示。
表1 DyRoBeS軟件八大模塊匯總
圖1 DyRoBeS軟件模塊圖，紅色框為本次推文重點介紹的BePerf模塊
小編將向大家展示這些模塊的強大功能！
BePerf主要用于徑向滑動軸承設計和分析，還有止推軸承的初步設計功能，止推軸承完整的設計和分析功能在ThrustBrg模塊。DyRoBeS軟件提供了固定瓦軸承、可傾瓦軸承、浮環軸承、氣體軸承以及靜壓軸承等，基本涵蓋了所有滑動軸承的類型（其他滾動軸承、電磁軸承以及擠壓油膜阻尼器等相關計算在Rotor模塊中），如圖2 所示。
展開 設計仿真 | 海克斯康滾動軸承高級仿真分析培訓
海克斯康工業軟件
滾動軸承
高級仿真分析培訓
滾動軸承作為動力傳動系統的核心零部件，在全球電動化進程的推進下，其設計開發也面臨著新的技術挑戰，如高轉速、大載荷、小尺寸等日益嚴苛的性能指標，這些均需要更加完善的多學科仿真技術來保證。
海克斯康作為全球領先的數字信息技術解決方案的供應商，可以為滾動軸承的設計、分析、制造及計量檢測提供一套完整的解決方案，幫助企業進行軸承行業的數字化轉型。為切實解決廣大用戶對于軸承設計仿真的一系列技術需求，我們將在杭州組織一場以軸承設計仿真為主題的綜合性培訓課程。
展開 設計仿真 | 海克斯康與河南科技大學共建高端軸承聯合仿真實驗室
在11月1日至3日期間召開的第十二屆中國軸承論壇恰逢河南科技大學軸承專業辦學50周年。海克斯康工業軟件與河南科技大學軸承專業就軸承仿真簽下合作協議，雙方共同落地建設高端軸承聯合仿真實驗室。
河南科技大學軸承專業1974年開辦，被譽為“中國軸承行業的高層次人才培養基地”和“中國軸承行業的黃埔軍校”，在全國范圍內擁有超過80%的中高級軸承骨干人才，被公認為亞洲軸承專業的第一院校。
海克斯康與河南科技大學軸承專業的合作將促進雙方資源共享和優勢互補，形成產學研用緊密結合的創新體系。聯合實驗室將為學生提供更多實踐機會，讓學生在實踐中掌握先進的仿真技術和設計理念，培養更多具備創新能力和實踐經驗的高端技術人才。
在第十二屆軸承論壇期間，海克斯康進行了軸承設計仿真主題演講與方案展示。
展開 
新能源驅動電機軸承設計應用特點
滾動軸承是驅動電機旋轉件，高速、高溫、頻繁啟停伴隨著沖擊是電動汽車驅動電機的主要工況， 開發能適應本工況條件的系列化密封式深溝球軸承，可以滿足混合動力大巴車、純電動大巴車、純電動乘用車、純電動微型車等一系列新能源汽車驅動電機使用。并在市場得到廣泛應用。
設計應用特點
新能源驅動電機軸承設計考慮了良好的密封性能、高溫性能、低溫性能、反復啟停性能、一定的軸向沖擊載荷等條件，優化了產品內部結構，充分考慮了軸承材料、熱處理、機械加工精度、油脂、安裝配合對產品的影響，使產品性能得到極大提升，極限轉速可以達到常規軸承極限轉速的1.5倍以上。
1轉速
運轉速度同時影響軸承和潤滑脂的壽命。因此，在選擇軸承時必須考慮軸承尺寸、保持架類型、潤滑方式、游隙和密封類型。目前用于新能源汽車驅動電機中的轉速最高可達18000rpm,dmn值可達80萬以上。
2軸和殼體材料
由于材料的膨脹和收縮，在選擇軸和殼體的材料時，要重點考慮其膨脹系數。熱漲和冷縮會直接影響到軸和殼體的配合，從而影響到軸承內部游隙。驅動電機領域軸的材料通常采用中碳鋼并進行調質處理，殼體通常采用鑄鋁或鋁合金材料，這樣可以降低電機整體重量，也可以大大提高散熱速度。
3環境
在潮濕、低溫、高溫和大量泥水、灰塵的環境中，密封及密封件材料顯得尤為重要。需要考慮密封件對產品的影響；要防止潤滑油泄露對環境合產品造成污染，同時潤滑脂的泄露會造成軸承缺油，影響軸承使用壽命。
4溫度
軸承溫度是影響機器壽命的主要原因之一。當環境溫度和軸承溫度運行溫差很大時，軸承會產生溫度梯度。如果溫度梯度很大，要檢查軸承內部游隙，以避免不必要的軸承損壞。
展開 深溝球軸承的自動化設計
隨著機械工業的發展,三維CAD設計已漸漸取代平面設計占主導地位。在三維設計中廣泛存在著對同類型零部件重復造型的工作, 自動化設計避免了這種低效的狀態。catia不僅在曲面造型方面功能強大,在參數化設計和自動化設計方面同樣出色。應用catia軟件,我們建立了工業應用廣泛的深溝球軸承的自動化設計,實踐證明該設計大大提高了工作效率。
深溝球軸承的自動化設計.PDF
【選型計算】機械設計基礎計算題之球軸承的分類及選型
圖3 調心球軸承
4. 止推球軸承
特點：只能承受單向軸向載荷
應用：該類軸承設計用于高軸向載荷、低速且允許高扭矩的工況中。
圖4 止推球軸承
綜上，對四種球軸承進行特征總結見表1，讀者可根據應用工況對軸承進行類型的選擇和載荷的分配。
新能源驅動電機軸承設計應用特點
滾動軸承是驅動電機旋轉件，高速、高溫、頻繁啟停伴隨著沖擊是電動汽車驅動電機的主要工況， 開發能適應本工況條件的系列化密封式深溝球軸承，可以滿足混合動力大巴車、純電動大巴車、純電動乘用車、純電動微型車等一系列新能源汽車驅動電機使用。并在市場得到廣泛應用。
設計應用特點
新能源驅動電機軸承設計考慮了良好的密封性能、高溫性能、低溫性能、反復啟停性能、一定的軸向沖擊載荷等條件，優化了產品內部結構，充分考慮了軸承材料、熱處理、機械加工精度、油脂、安裝配合對產品的影響，使產品性能得到極大提升，極限轉速可以達到常規軸承極限轉速的1.5倍以上。
1轉速
運轉速度同時影響軸承和潤滑脂的壽命。因此，在選擇軸承時必須考慮軸承尺寸、保持架類型、潤滑方式、游隙和密封類型。目前用于新能源汽車驅動電機中的轉速最高可達18000rpm,dmn值可達80萬以上。
2軸和殼體材料
由于材料的膨脹和收縮，在選擇軸和殼體的材料時，要重點考慮其膨脹系數。熱漲和冷縮會直接影響到軸和殼體的配合，從而影響到軸承內部游隙。驅動電機領域軸的材料通常采用中碳鋼并進行調質處理，殼體通常采用鑄鋁或鋁合金材料，這樣可以降低電機整體重量，也可以大大提高散熱速度。
3環境
在潮濕、低溫、高溫和大量泥水、灰塵的環境中，密封及密封件材料顯得尤為重要。需要考慮密封件對產品的影響；要防止潤滑油泄露對環境合產品造成污染，同時潤滑脂的泄露會造成軸承缺油，影響軸承使用壽命。
4溫度
軸承溫度是影響機器壽命的主要原因之一。當環境溫度和軸承溫度運行溫差很大時，軸承會產生溫度梯度。如果溫度梯度很大，要檢查軸承內部游隙，以避免不必要的軸承損壞。
展開 設計仿真 | Romax助力NBC研發更高效率的輪轂軸承
DOE模塊提供了一系列的技術優勢：
1.在短時間內完成大量的迭代計算
2.實現關鍵性能參數的可視化
3.使工程決策更具魯棒性
對于輪轂軸承，燃油效率是一項關鍵的性能衡量標準。由于環境法規和監管政策對于能源效率的要求不斷提高，所有的軸承制造商都在努力提高效率，減少滾動組件內部的功率損失。NEI新研發的低摩擦輪轂軸承系列已考慮所有需要改進的參數，以滿足客戶對于效率的需求。
在以軸向游隙為目標凍結軸承微觀幾何的同時，我們也會優化法蘭的錐面接觸。合適的錐面接觸點位置不僅可以保持較高的軸向承載能力（同時管理轉向負載），對于優化軸承的功率損失也至關重要。
同樣，優化這個設計參數是一個高度迭代的過程。使用Romax Spin及其DOE模塊，工程師可以通過自動化功能研究軸承微觀幾何參數對于應力及接觸行為的影響，從而方便確定“甜區”。如下圖所示，多變量分析以及3D可視化工具幫助工程師在最終確定軸承參數時進行更完善的工程決策。
接觸高度是關鍵參數之一。不恰當的接觸高度會導致接觸橢圓截斷，從而引起較高的接觸應力，這會極大地降低軸承的承載能力。這種現象如下圖所示：
在接觸及其它關鍵的微觀幾何參數優化完成后，一種高效節能的軸承設計方案就產生了。
當設計方案定型并具有可視化數據后，工程師就需要對實際軸承的性能進行驗證分析。此時，使用Romax Energy對產品設計和實際軸承進行對比驗證。
展開 【經驗分享】設計基礎知識——軸承選型必須要考慮這幾點因素
“各種類型的軸承，因設計各異而具有不同的特性。由于軸承的具體安裝部位以及應用場合的多變性與復雜性，軸承類型選擇無固定模式可循為適應某種主機特定的安裝部位和應用條件進行軸承類型選擇時，建議依據以下幾個主要因素綜合考慮。”
允許空間
機械設計時，一般先確定軸的尺寸，然后根據軸的尺寸選擇軸承。通常，小軸選用球軸承；大軸選用圓柱滾子軸承、調心滾子軸承、圓錐滾子軸承(有時也可選用球軸承)。若軸承安裝部位的徑向空間受到限制，應采用徑向截面高度較小的軸承。如滾針軸承、某些系列的深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子或調心滾子軸承以及薄壁軸承。若軸承安裝部位的軸向空間受到限制，可采用寬度尺寸較小的軸承。
軸承載荷
載荷大小載荷大小通常是選擇軸承尺寸的決定因素。滾子軸承比具有相同外形尺寸的球軸承承載能力大。通常球軸承適用于輕或中載荷、滾子軸承適用于承受重載荷。（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）
載荷方式純徑向載荷可選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承。
展開 軸承有助于降低干式真空泵的生產成本
新軸承方案的效果令人驚嘆：平均故障間隔時間提高了20倍，從三個月延長到五年。此外，改進后軸承方案的實際工作溫度比原來的設計低了30°C。“更持久的”軸承還有助于降低功耗。
決定是否采用一項具體的軸承方案，應該在分析整體成本/效益問題后再作定奪，而不是僅僅根據購買價格來判斷。今天的高科技軸承提供了具有許多更佳的特性，能降低全壽命成本，有益于泵制造商和終端用戶——盡管軸承本身的價格整體較高。
位于英國普利茅斯的巴登工廠生產線上的真空泵軸承
為一項特定應用設計和挑選軸承，其壽命周期成本（ＬＣＣ）等于下列各項的總和：初始投資成本/購買價格+安裝/調試費+能源成本+運營成本+維護成本（常規和計劃）+停機成本+環境成本+退役/處置成本。
對于干式真空泵來說，一套先進的軸承方案的初始購買價格可能會比一個標準軸承貴三到五倍，但是它通過節能、降低維修成本和縮短停機時間等方式所為用戶節省的潛在成本遠遠超過了其初始購買價格。
降低全壽命成本的工作始于泵的設計階段，它充分挖掘了簡化機械設計的可能性。進而又簡化了泵的組裝及之后的維護工作，直接和間接地節約了成本。整個設計過程中要求軸承設計者和泵制造商緊密合作。
雖然對干式真空泵軸承的轉速要求比普通軸承低，但是由于溫度、污染和可靠性等其他因素的影響，所以必須采用特殊的軸承設計，以滿足應用要求。
干式真空泵的運轉速度介于５０赫茲到１５０赫茲之間。盡管轉速較低，但是軸承必須可靠工作，并在高溫下保持尺寸穩定，能夠在潤滑不佳的條件下繼續有效地工作。
如有必要，可以為客戶定制方案，對軸承進行特殊的熱處理或涂覆涂層，這有助于軸承保持溫度穩定性，提高抗污能力。也可以設計其他的軸承解決方案來進一步提高可靠性，例如通過用陶瓷球代替標準鋼球來改善潤滑度。
展開 
設計仿真 | 軸承座創成式設計到增材制造工藝仿真應用
02
軸承座應用案例
海克斯康與GreenTeam及RENISHAW合作大學生方程式賽車的軸承座項目。鑒于比賽中賽車要使用的軸承座需符合輕質、高強度的要求，海克斯康采用MSC Apex Generative Design軟件，根據軸承座的受力特點等信息，只需在軟件中簡單輸入復雜度、安全系數、邊界條件等內容，軟件可以自動完成迭代，快速設計出多款結構方案。
多組方案對比
優化后的結構方案可以直接導入到增材制造仿真軟件，在Simufact Additive中，對多個方案進行定位設計、支撐優化、打印可行性、成本預估等的分析后，最終選擇出理想的目標模型。
定位設計與支撐方案對比
通過對比不同的擺放位置，可以確定除了結構本身在這個角度成形的可行性外，支撐方案也會決定著打印結果的質量。不同的擺放位置也會對應不同的支撐方案，而支撐的體積也與材料成本及時間成本息息相關。
打印階段結果實時查看
在Simufact Additive中，可以發現伴隨著粉末材料的逐層累積，其結果也會實時的進行展示，包括變形、應力、應變、溫度等。如此我們便可以查看到應力累積、變形過大等問題出現在哪些位置、哪個時間，從而更好地進行對打印質量進行把控。同時，也支持不同方案的同角度、同時間等的同步對比，更清晰的得到對比結果，從而做出選擇。
預測打印風險
在打印結束后，我們可以對整體結果進行查看，比如風險預測（卡刮刀、開裂、失效、支撐分離…）、變形情況、應力情況等問題。
在增材制造工藝加工后，經常會出現變形過大的問題，而對這一問題的矯正，一直是困擾客戶的難題。因為變形都是非線性的，所以補償量很難精確估計。
展開 【機械設計】設計最基礎——軸承的分類、潤滑及其選型計算方法
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PPT丨滾動軸承的減摩設計
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軸承座鍛造工藝與模具設計
圖7 軸承座未充滿位置
結論
⑴采用自由鍛滾擠和模鍛相結合的工藝可一火成形精度要求高的軸承座鍛件；
⑵采用數值模擬方法可以有效輔助鍛造工藝的設計，提高設計效率，提高產品開發成功率；
⑶采用阻力坎的橋部設計，鍛件成形效果好，未出現充不滿、穿筋等缺陷，尺寸達到要求，質量穩定。
——本文選自《鍛造與沖壓》2018年第17期
