高转速下油润滑球轴承的可视化 | 轴承学院

测试设备的轮廓如图 1 所示。装有石英外圈的轴承被装入轴承座中，以便观察。用于施加径向载荷的臂连接到轴承座的左右两侧。通过在这些臂上放置重物在测试轴承上施加径向载荷。轴承座和臂的左右两侧的砝码经过微调，以确保在静态条件下保持平衡。将试验轴承通过外圈固定在轴承座上，轴承座的旋转力由力传感器支撑，用于摩擦力测量，从而可以测量试验轴承的摩擦力矩。虽然，通常使用具有两个测试轴承的测试装置配置来支撑旋转轴并向轴施加径向载荷，用于测量测试轴承的摩擦扭矩（Peterson et al., 2021），但考虑到摩擦扭矩与油分布和油膜厚度之间的关系，两个测试轴承的润滑条件并不保证总是处于相同状态。因此，本研究采用了上述结构，该结构测量单个测试轴承的摩擦力矩。

图 2 显示了轴承座（包括油润滑结构）的放大横截面图。在测试轴承侧，安装了尖端直径为Φ0.7 mm的供油喷嘴。向测试轴承的最上方钢球供油。通过在油浴装置中单独调节温度，将供油喷嘴出口处的油温控制在 60°C 。使用滚筒泵以 100 mL/min 的恒定速率供油。

该油是一种市售的自动变速器油（ATF：丰田汽车油WS），也用于混合动力电动汽车的变速驱动桥。如图 2 所示，轴承座的右侧覆盖有透明的亚克力盖，而左侧覆盖有金属盖。两个盖板在旋转轴之间都有间隙，以防止接触。如图 2 所示，在轴承座内部的一侧放置了一个排油口，在轴承座的低位置放置了一个进油口，以将油位保持在测试轴承外圈下侧的高度以下。

测试轴承具有透明石英外圈，其轨道表面形状与实际商用 6008 型深沟球轴承（外径：ø68 mm，内径：ø40 mm，宽度：15 mm，12 颗钢球，冠形树脂保持架）相同，用于光学测量和观察，如后续章节所述。内圈、钢球和保持架分别由钢和树脂制成，来自实际的商用 6008 型深沟球轴承。石英外圈的轨道表面经过处理，非常光滑（表面粗糙度Ra为0.05μm或更小），这对于精确测量至关重要。石英外圈的外径和宽度基于6008型轴承的形状进行改变，以匹配其他测试轴承（本研究中未使用）的形状，尺寸分别为ø80和18 mm。

外圈外圆的四个位置安装热电偶，以监测轴承的温度。这四个读数的平均值用于确定外圈温度。在进行不同轴转速的测试时，为了尽量减少每个转速下轴承温度的变化，在开始测量之前，首先将转速设置为测试的最高值（约 20,000 min-1）2 min，然后逐渐降低速度。有一个 300 N 的恒定径向载荷。

使用三波长光学干涉法（Otsuki等人，2016）测量了石英外圈滚道和钢球球之间的油膜厚度，如图3所示。在该方法中，通过三波长带通滤光片调节来自氙气闪光灯的白光来获得三波长光（RGB）。使用液态光导和同轴远心透镜将这三个波长照射到球表面，如图 2 所示。石英外圈的滚道涂有铬层，因为光学干涉测量方法需要局部反射涂层。

此外，厚度为 300 ± 50 nm 的二氧化硅（图 3 中未显示）作为间隔物和保护层涂覆在铬层的顶部。使用高分辨率3-互补金属氧化物半导体（CMOS）相机用于机器视觉，捕获了由反射涂层反射的光与球表面反射的光（相当于油膜厚度的一半）之间的光程差产生的干涉图像。观察区域约为3.55 mm（钢球滚动方向）×0.86 mm（轴向），围绕轴承外圈滚道与钢球之间的接触区域。

通过将球接触表面的中心干涉颜色与图3所示的光学膜厚度颜色图表进行比较来确定光学膜厚度。在接触区域内的干涉颜色发生显着变化的情况下，使用 Tomota 等人（2022 年）开发的色调方法进行二维定量分析来计算厚度。计算出的光学膜厚度包括反射膜和间隔膜的厚度。为了测量反射膜和间隔膜的总厚度，通过观察静态接触表面的干涉图像，通过添加未形成油膜的径向载荷来确定光学膜的厚度。通过从每个测试条件的实验测量的光学膜厚度中减去该光学膜厚度，得到了与油膜厚度相对应的光学膜厚度。最后，将光学膜厚度除以ATF的折射率（1.45，在60°C油温下测量）来计算油膜厚度。

采用辐照时间为2 μs、重复频率为50 Hz的脉冲照明来减少高速运动过程中的图像模糊。3-CMOS相机的帧速率设置为50 fps，并与脉冲照明同步。对轴的转速进行精细控制，使球旋转的轨道周期与脉冲照明的重复同步。因此，尽管轴承中的球以极高的速度移动，但视频中的球似乎停止或在轨道上非常缓慢地移动。

此外，如图 2 所示，在测试设备中的 3-CMOS 摄像头旁边安装了内窥镜摄像头，以观察滚动球和轴向上大约 30 和 17 mm 处滚动球周围的白光图像。

使用荧光法观察油的分布。在荧光法中，加入香豆素-6作为荧光剂，浓度为0.05wt%。对于荧光激发，采用波长为 405 nm 的脉冲紫外线 （UV）-LED 照明。使用液态光导将发射光引导至连接聚光镜的焦点。与干涉测量不同，激发光从透镜外部照射到观察目标上。脉冲UV-LED照明的辐照时间为2 μs，重复频率为40 Hz，以减少图像模糊。视频录制与设置为 40 fps 的摄像机帧速率同步，以匹配脉冲照明。3-CMOS相机与用于油膜测量的相机相同。观察区域约为 23.6 mm（钢球滚动方向）× 17.7 mm（轴向）。为了提高相机的灵敏度，应用了像素合并功能，该功能结合了四像素图像传感器来获取单个图像，从而使相机分辨率为x：1032，y：772。

图 4 显示了在各种轴转速条件下，钢球和外圈滚道之间形成油膜引起的干涉条纹图像示例。转速为 0 min-1 时的干涉条纹图像表示赫兹接触椭圆中心附近的形状。旋转速度为 0 min-1 时，中心区域的棕色干涉色对应于由于石英外环滚道上的部分反射涂层（估计为几纳米厚）和二氧化硅涂层而产生的光学膜厚度。

通过观察干涉色随转速的增加而变化，可以观察到1,780到5,350 min-1的颜色变化，表明随着转速的增加，油膜厚度有所增加。然而，在 7,740 和 20,320 min-1 之间，干涉颜色保持相似。这些结果表明，在高速条件下，油膜厚度是恒定的。值得注意的是，在每种速度的测量过程中，在 1 分钟的测量间隔内没有观察到干涉颜色的变化。因此，在稳态条件下，滚道表面的油膜厚度保持稳定。

在图4所示的干涉图像中，每个图像的上部和下部区域都显得很暗，并且在这些区域中无法观察到干涉条纹。这种现象可以归因于石英外圈上的R形凹槽，它类似于实际的深沟球轴承。由于 R 型槽的宽度位置和与透镜的距离发生显着变化而引起的反射角度变化，从而聚焦深度偏离导致干涉图案的部分可见。

根据光干涉颜色计算得出的测得的油膜厚度如图5所示。为了进行比较，虚线还包括根据 Chittenden 等人 （1985） 的 EHL 油膜厚度公式计算出的中心油膜厚度，用于完全浸没式润滑条件。在此计算中，假设球的恒定滑动比为 0%，则在供油温度为 60°C 时，油粘度估计为 0.011 Pa s。在这些结果中，每个旋转速度下的油膜厚度值显示为与实际测量中最高转速为 20,320 min⁻1 时计算出的中心油膜厚度值的相对比率（归一化为 1.0）。

在1,780–5,350 min⁻1的低速范围内，随着转速的增加，实测油膜厚度值呈增大趋势，与计算值相似。然而，在速度超过7,740 min⁻1时，无论转速如何，油膜厚度的测量值都保持相对恒定。与EHL理论在全满油润滑条件下的假设不同，在高速范围内，即使轴转速（或滚动速度）增加，油膜厚度也不会增加。

图6显示了以油膜厚度为参考同时测量的摩擦力矩，使用荧光法观察油分布时获得的摩擦力矩，以及石英外圈最外侧的温度测量值。油膜厚度测量与油分布观察时测得的摩擦力矩值相似，表明该试验中摩擦力矩具有良好的再现性。该试验中使用的深沟球轴承的摩擦力矩随转速的增加而增大。

使用配备脉冲白光照明的内窥镜摄像机捕获钢球周围的油分布，特别是利用三波长光。从视频中提取的快照图像如图 7 所示。在图7A中，标出了供油喷嘴和外圈滚道的位置，以供参考。图7H用棕色线条表示保持架的形状，以供参考。图像中的红色代表此测试中使用的 ATF。在转速为 1,780 min⁻1 的低速条件下，滚动球周围的区域几乎完全浸入油 （ATF） 中。然而，当速度超过 3,560 min⁻1 时，随着转速的增加，靠近钢球入口（球的右侧）的油逐渐变成浑浊的白色，这表明由于曝气，油中气泡的存在越来越多。随着转速接近 7,700 min⁻1，球形入口处的油浑浊表明混入油中的气泡数量趋于增加。此外，在钢球出口（图像左侧）观察到缺油，这些缺油区域随着转速的增加而趋于扩大。进油的曝气和滚道上缺油区域的扩张被认为是阻止高速条件下油膜厚度增加的因素。

使用荧光法在不同转速下观察到的油分布如图 8 所示。通过将钢球的旋转周期与脉冲照明同步，以实现实时观察，在图8A中，钢球的位置和外圈滚道的边缘用虚线表示，球的滚动方向显示在图像的右侧。明亮的区域表示存在大量的油。从图 8A 中标记为“供油”的点向球供油。在钢球滚动方向中心附近，在所有图像中都一致地观察到表明没有油的黑暗区域。这些区域被认为是球和外圈之间的接触区域。图 8H 中的两点虚线说明了用于测试轴承的冠型保持架的形状。

在转速为 1,910 min-1 的低速条件下，类似于使用第 3.2 节中描述的内窥镜摄像头进行的观察，钢球入口（球的右侧）充满油。然而，随着转速的增加，球形入口处的油量趋于减少。缺油发生在球出口侧。随着转速的增加，饥饿区域趋向于向下一个球扩展。虽然在图8所示的静态图像中可能难以辨别一些细节，但在转速超过7,640 min-1的捕获视频中（如图8D-H所示），来自供油的油流被滚动球偏转，导致从侧喷嘴直接流入的油供应停止到球的进口。球入口处的油分布形状从球的前部向球呈三角形扩散，并且油从将球固定在保持架的球兜之间的空间供应。因此，即使在钢球的侧面设有供油喷嘴，在高转速下，深沟球轴承中对钢球的供油主要通过保持架中的空间进行，而不是直接从侧面供油。这种油流是滚珠轴承特有的特定现象，取决于保持架的形状。这些结果强调了使用实际轴承形状进行观察对于全面轴承评估的重要性，因为使用简单的圆盘球测试复制这些油流现象是具有挑战性。

从油分布与油膜厚度的相关性出发，可以假设油膜厚度的增加率随着转速的增加而减小，如图4所示，对应于球形进口处的油量减少。

这些测量和观察产生了新的发现发现，并超出了许多研究人员的猜测或预测。这些发现是以前在转速不超过6,000 min-1的观测中无法获得的，如引言部分所述，通过在高达20,000 min-1的高速条件下进行的实验而成为可能。然而，上述方法也有其局限性，例如缺乏对球与内圈之间的油膜厚度的检查，以及内圈侧的油分布。利用从第 1 节所述方法演变而来的其他测量和观察方法，以及通过结合新发现改进的 CAE 计算和预测技术，对于充分了解高速滚珠轴承的润滑条件也至关重要。

为明确电动汽车电驱动桥深沟球轴承在高转速下的润滑条件，研制了一种新的试验装置。该装置能够同时测量滚动球上的摩擦扭矩和油膜厚度，并在高达 20,000 min-1 的转速下可视化外圈滚道上球周围的油分布。将 6008 型球轴承中两侧喷嘴供油，根据通过测量油膜厚度和观察的油分布获得的结果能得出以下发现。

1. 高转速下，深沟球轴承中滚动球表面的油膜厚度不会增加，这与EHL理论在完全淹没条件下形成鲜明对比。在超过约7,700 min-1的转速下，油膜厚度变得恒定。

2. 在高转速下，从滚动的钢球滚道一侧供应的油被运动的钢球和保持架阻挡，导致缺油。在带有冠形保持架的深沟球轴承中，油主要通过固定球的保持架球兜之间的空间从内圈侧供应到滚动的滚珠。

3. 从内圈侧供应到滚动球的油以超过 2,000 min-1 的转速时与气泡混合，且随着转速增加到大约 7,700 min-1而增加。

4. 在高速范围内转速增加，需假设球入口供油不足（导致缺油）和油中存在气泡（导致滚动表面的有效油粘度降低）来防止油膜厚度的增加。

这项研究的结果将有助于电动汽车所需的高速球轴承的多体动力学技术的发展（捷太格特，2023）。本研究中描述的测量和观察技术可用于未来的研究，以提高计算流体动力学分析方法计算油流的准确性。此外，这些技术可以设计出用于电驱动桥的最佳高速深沟球轴承，并具有低摩擦扭矩性能和防止卡死等特性。