CN104847789B - 一种球轴承刚度控制装置及减小球轴承转子跨临界转速振幅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球轴承刚度控制装置及减小球轴承转子跨临界转速振幅的方法，所述控制装置包括辅助控制电路、电动机、球轴承、机械控制装置和电源模块；所述方法包括；测量球轴承转子的临界转速信息的范围；ECU存储所述临界转速信息的范围；转速传感器实时测量当前转速信息，并将当前转速信息传递给ECU；ECU对所述当前转速信息进行判断等步骤。本发明所述控制装置结构简单，所述方法控制转子临界转速快速、准确，通过调节跨越临界转速时球轴承的刚度，降低转子的振幅，能够增强使用所述装置的涡轮增压器或微型叶轮机械的可靠性和寿命。

Description

一种球轴承刚度控制装置及减小球轴承转子跨临界转速振幅 的方法

技术领域

本发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种球轴承刚度控制装置及减小球轴承转子跨临界转速振幅的方法。

背景技术

转子—轴承支撑刚度是影响转子系统动力学特性的一个重要因素，轴承刚度的变化与增压器转速的变化相关。目前的车用涡轮增压器的工作转速一般在60000—240000r/min左右，最高工作转速已达到290000r/min，需要跨越一阶、二阶临界转速，甚至接近三阶临界转速。转子在经过临界转速附近时振幅过大，严重影响涡轮增压器的可靠性和寿命。通过仿真研究及计算发现：改变一阶、二阶临界转速附近轴承刚度的大小能够降低球轴承涡轮增压器转子临界转速附近的振幅，且轴承刚度越大，振幅降低幅度越大。

由以上分析能够得到，改变轴承刚度的轴承—转子系统跨越临界转速的主动控制方法，即当转子处于临界转速附近时，适当增加转子系统的支撑刚度。基于这一原理，针对改变轴承刚度提出了许多不同的方法，如采用电磁轴承、压电制动器、记忆合金作动器、液压作动器、主动可倾瓦轴承、主动油膜轴承及电/磁流变阻尼器等一系列的方法，这些方法均对改善转子的转子动力学特性和减少转子的振幅有积极意义。电磁轴承是上述几项方法中较为成熟的一项，其工作原理是利用电磁铁制造旋转磁场并实现稳定的磁悬浮。由于电磁轴承具有无机械磨损、不需润滑和超高速的优点，磁轴承的研究和应用得到了迅速的发展。记忆合金动作器是通过改变记忆合金的形状来调节刚度，进而调节转子通过临界转速的振幅。主动可倾瓦轴承可以根据转速的变化实现对轴承刚度和阻尼特性的最佳调节。主动挤压油膜轴承的作用是通过调节轴承的间隙和承载长度来达到改变轴承刚度的目的。尽管人们寻求了多种方法对轴承支撑的刚度进行改变，但在需要特定球轴承支撑的转子动力机械中，要改变其球轴承刚度需要对其控制方法和装置进行研究。

目前，现有技术中涉及到轴承刚度调节的方法及装置较少，未发现针对球轴承刚度调节的控制方法。例如，中国专利申请200310110582.0公开了一种高速主轴变刚度的方法及装置，其方法是在主轴后轴承外圈设置弹簧压紧套筒，对前、后轴承外圈产生预负荷，弹簧压紧套筒通过调节螺杆调节弹簧压缩量，使轴承的预负荷发生变化，进而主轴的刚度发生变化。

中国授权专利CN202790093U公开了一种刚度可调的多油楔可倾瓦径向轴承，包括轴承体和一组共4块可倾瓦，所述轴承体是由半圆环状的上轴承体和下轴承体对扣而成；上轴承体和下轴承体对扣形成圆柱状的轴承体内孔，上轴承体和下轴承体内壁上各安装2块可倾瓦块；轴承体的前后两侧均设置环状油封，环状油封外侧的轴承体上固定有挡油环，并且将可倾瓦块设计成4种规格的包角、且瓦块合金宽度亦分两种规格，并在上瓦块背面与轴承体内孔之间增设调整垫片，瓦块安装角度优化和瓦间隙可以灵活改变，通过选择和调换不同包角、不同宽度的可倾瓦块及其在轴承体中的安装位置，灵活增减上瓦与轴承体之间的调整垫片等方式，轻松实现轴承刚度的按需调节。

中国专利申请201210334143.7公开了一种液压垫圈式滚珠丝杠刚度恒定调节装置，在数控机床床身上的滚珠丝杠轴承的外圈与轴承座止口之间安装圆柱型液压垫圈，圆柱型液压垫圈的内孔套在轴承座孔止口处的凸起外圆柱上，圆柱型液压垫圈中开有环形空腔，轴承座的孔壁开有环形油槽，圆柱型液压垫圈的外圆柱上均匀布置四个与环形油槽相通的径向油孔，力传感器安装在圆柱型液压垫圈端面与滚珠丝杠轴承的外圈端面之间。

中国专利201320003621.6公开了一种角接触球轴承动、静刚度测试装置，包括电机，电机通过联轴器与短芯轴相连，所述短芯轴上安装有被测试轴承，短芯轴端部安装有偏心质量块，所述轴承上套装有套筒，套筒一端安装有径向位移传感器和轴向位移传感器，套筒安装在轴承座内，轴承座一端固定有套圈，套圈上安装有给套筒施加轴向压力的压电陶瓷，压电陶瓷与套筒相连，所述压电陶瓷连接有用于调剂压力的压电控制单元，轴承座外侧安装有径向加载模块。

发明内容

为了降低转子系统跨临界转速时转子的振幅，增强转子系统的可靠性和寿命，发明人结合多年研究经验，提出了一种球轴承刚度控制装置及减小球轴承转子跨临界转速振幅的方法。

解决上述问题的技术方案是，提供一种球轴承刚度控制装置，包括辅助控制电路、电动机、球轴承、机械控制装置和电源模块；所述电源模块为所述球轴承刚度的控制装置供电，所述电动机接收辅助控制电路发出的信号，带动机械控制装置对球轴承外圈中间间隙的大小进行调节。

进一步地，所述辅助控制电路包括转速传感器和电控单元ECU(以下简称ECU),所述转速传感器测量转子的转速信息，并将所述转速信息实时传递给所述ECU。

优选地，所述转速传感器采用光电传感器或者电磁感应传感器。

进一步地，所述机械控制装置包括卡箍带和凸轮，所述电动机通过联轴器与阶梯轴连接，阶梯轴上设置所述凸轮，所述卡箍带包括设置在卡箍带上的螺栓，所述凸轮与螺栓接触，所述卡箍带套在所述球轴承的外圈上。

进一步地，所述机械控制装置包括楔形块和凸轮，所述电动机通过联轴器与第一同步轴连接；第一同步轴靠近联轴器的一端设置第一同步齿轮，另一端设置所述凸轮，所述凸轮外侧设置锁紧螺母；与第一同步齿轮平行设置第二同步齿轮，且第一同步齿轮与第二同步齿轮相啮合，第二同步齿轮设置在第二同步轴上，且第二同步轴与第一同步轴对应设置所述凸轮并由锁紧螺母锁紧，第二同步轴的另一侧设置同步轴承，同步轴承设置在同步轴承座内，所述凸轮与所述楔形块的大头端接触。

优选地，所述第一同步轴和所述第二同步轴上均设置套筒。

进一步地，由以上所述球轴承刚度控制装置组成的涡轮增压器。

本发明所述减小球轴承转子跨临界转速振幅的方法，包括以下步骤：

步骤一，测量球轴承转子的临界转速信息的范围；

步骤二，ECU存储所述临界转速信息的范围；

步骤三，转速传感器实时测量当前转速信息，并将当前转速信息传递给ECU；

步骤四，ECU对所述当前转速信息进行判断；

当所述当前转速信息的数值达到临界转速信息的范围时，ECU发出控制信号并传输给电动机，电动机带动机械控制装置，将球轴承外圈初始位置的中间间隙逐渐调大；

当所述当前转速信息的数值超过临界转速信息的范围时，ECU发出控制信号并传输给电动机，电动机带动机械控制装置，逐步调小球轴承外圈的中间间隙，直至球轴承外圈的中间间隙恢复到初始位置。

进一步地，所述步骤一中，测量球轴承转子的临界转速信息的范围的方法是：逐步调高球轴承转子的转速，记录这一阶段的球轴承转子的转速范围，即球轴承转子的一阶临界转速信息的范围。

进一步地，测量完成球轴承转子的一阶临界转速信息范围后，继续调高球轴承转子的转速，记录这一阶段的球轴承转子的转速范围，即球轴承转子的二阶临界转速信息范围。

进一步地，所述临界转速信息的范围，是所记录的上述球轴承转子的转速范围。

进一步地，所述临界转速信息范围包括一阶临界转速信息范围、二阶临界转速信息范围。

本发明有以下有益效果：

1)所述球轴承刚度的控制方法及装置采用电控和机械装置，装置简单，控制快速、准确。

2)通过调节跨越临界转速时球轴承的刚度，降低转子的振幅，增强涡轮增压器或微型叶轮机械的可靠性和寿命。

附图说明

图1为球轴承刚度控制装置的结构示意图；

图2为包括楔形块的球轴承刚度控制装置的结构示意图；

图3为图2球轴承的剖视图；

图4为凸轮的结构示意图；

图5为包括卡箍带的球轴承刚度控制装置的结构示意图；

图6为减少球轴承转子在临界转速时的振幅的方法的流程图。

附图标记说明如下：

1-辅助控制电路，101-转速传感器，102-电控单元(ECU)；2-电源模块；3-电动机；4-机械控制装置，401-楔形块，402-凸轮，403-联轴器，404-第一同步轴，405-第一同步齿轮，406-锁紧螺母，407-第二同步齿轮，408-第二同步轴，409-同步轴承，410-同步轴承座，411-套筒，412-卡箍带，413-阶梯轴，414-螺栓；5-球轴承，501-球轴承外圈，502-球轴承转子；6-涡轮增压器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，球轴承刚度控制装置，包括辅助控制电路1、电动机3、球轴承5、机械控制装置4和电源模块2；所述电源模块2为所述球轴承刚度的控制装置供电，所述电动机3接收辅助控制电路1发出的信号，带动机械控制装置4对球轴承外圈501中间间隙的大小进行调节。

本发明所述一种球轴承刚度控制装置及减少球轴承转子在临界转速时的振幅的方法控制原理是：通过改变球轴承外圈501的轴向位移量，以改变球轴承的接触角，从而控制球轴承刚度，实现改变球轴承转子502振幅的效果。

实施例1

下面以通过楔形块401和凸轮402来调节球轴承外圈501的轴向位移为例说明其实现过程。以上所述控制原理通过以下公式计算楔形块401的下降高度。

以某型号球轴承为例，该型号球轴承外圈501的轴向游隙最大值为0.091mm。球轴承外圈501的轴向位移量与球轴承的接触角之间存在以下关系：

其中：δ_a为球轴承外圈501的轴向位移量，α为球轴承的接触角，Q为滚动体载荷，D_w为滚动体直径。

设楔形块401的角度为β，即楔形块401的斜面与竖直平面的夹角，若使该型号的球轴承产生轴向位移δ_a，则楔形块401需下降的高度h可由以下公式计算：

将楔形块401的角度设定为β＝5°，通过计算对于该型号的球轴承，需要楔形块401下降的高度为2mm，即h＝2mm。

如图2所示，连接包括楔形块401和凸轮402的球轴承刚度控制装置，所述电动机3通过联轴器403与第一同步轴404连接；第一同步轴404靠近联轴器403的一端设置第一同步齿轮405，另一端设置所述凸轮402，所述凸轮402外侧设置锁紧螺母406；与第一同步齿轮405平行设置第二同步齿轮407，且第一同步齿轮405与第二同步齿轮407相啮合，第二同步齿轮407设置在第二同步轴408上，且第二同步轴408与第一同步轴404对应设置所述凸轮402并由锁紧螺母406锁紧，第二同步轴408的另一侧设置同步轴承409，同步轴承409设置在同步轴承座410内，所述凸轮402与所述楔形块401的大头端接触。优选地，所述第一同步轴404和所述第二同步轴408上均设置套筒411。

如图3所示，以涡轮增压器6为例说明球轴承刚度控制装置的具体结构，其中，球轴承5设置在涡轮增压器6上，球轴承转子502穿过球轴承5的内圈，球轴承外圈501的中间间隙中设置楔形块401，转速传感器101设置在涡轮增压器6上并与球轴承转子502对应，转速传感器101测量球轴承转子502的转速信息。

测试球轴承转子502的转速信息范围包括以下过程：

逐步调高球轴承转子502的转速，记录这一阶段的球轴承转子502的转速范围，即球轴承转子502的一阶临界转速信息的范围。

测量完球轴承转子502的一阶临界转速信息范围后，继续调高球轴承转子502的转速，记录这一阶段的球轴承转子502的转速范围，即球轴承转子502的二阶临界转速信息范围。

如图4所示，根据楔形块401需要下降的高度信息，制作相应的凸轮402，对凸轮402的轮廓曲线进行设计，设计成对称结构，并在最高点时使楔形块401下移到最低的位置，即下移2mm，在最低点时使楔形块401保持在初始位置。

电控单元102存储所述临界转速信息的范围；转速传感器101实时测量当前转速信息，并将当前转速信息传递给电控单元102；电控单元102对所述当前转速信息进行判断；当所述当前转速信息的数值达到临界转速信息的范围时，电控单元102发出控制信号并传输给电动机3，电动机3在接收到电控单元102发出的控制信号后开始工作，通过联轴器403带动第一同步齿轮405和第一同步轴404转动，第一同步齿轮405带动第二同步齿轮407和第二同步轴408转动，第二同步轴408和第一同步轴404分别带动设置在其上的凸轮402转动，同时凸轮402的转动实现与其接触的楔形块401的下移或者恢复到初始位置。

其中凸轮402转动控制楔形块401具体包括球轴承5接触角增大和球轴承5接触角恢复两个阶段：

球轴承5接触角增大的阶段：当球轴承转子502工作时，转速传感器101持续监测其转速变化，将转速信息传递给电控单元102，当转速达到临界转速范围时，电控单元102发出控制信号，电动机3开始工作，转动180度后凸轮402的最高点与楔形块401相接触，楔形块401下移量为2mm，球轴承5的接触角减少，增加了球轴承5的刚度。

球轴承5接触角恢复的阶段：当球轴承转子502继续工作，转速传感器101持续监测其转速变化，将转速信息传递给电控单元102，当转速超出临界转速范围时，电控单元102发出控制信号，电动机3开始工作，转动180度后凸轮402的最低点与楔形块401接触，楔形块401恢复至初始位置，球轴承5的接触角恢复至初始值。

实施例2：

以实施例1中的某型号的球轴承为例，同理将卡箍带412的截面设定为梯形角度为5°，根据实施例1中的计算公式及数据，同样卡箍带412下移量为2mm(角度可任意设置，但为了方便控制下移量，尽可能将数值设计的偏大，即梯形角度尽可能小一些)。

如图5所示，连接包括卡箍带412和凸轮402的球轴承刚度控制装置，所述电动机3通过联轴器403与阶梯轴413连接，阶梯轴413上设置所述凸轮402，所述卡箍带412包括设置在卡箍带412上的螺栓414，所述凸轮402与螺栓414接触，所述卡箍带412套在所述球轴承外圈501上。

如图3所示，以涡轮增压器6为例说明球轴承刚度控制装置的具体结构，其中，球轴承5设置在涡轮增压器6上，球轴承转子502穿过球轴承5的内圈，球轴承外圈501的中间间隙中设置楔形块401，转速传感器101设置在涡轮增压器6上并与球轴承转子502对应，转速传感器101测量球轴承转子502的转速信息。

测试球轴承转子502的转速信息范围包括以下过程：

逐步调高球轴承转子502的转速，记录这一阶段的球轴承转子502的转速范围，即球轴承转子502的一阶临界转速信息的范围。

测量完球轴承转子502的一阶临界转速信息范围后，继续调高球轴承转子502的转速，记录这一阶段的球轴承转子502的转速范围，即球轴承转子502的二阶临界转速信息范围。

如图4所示，根据卡箍带412需要下降的高度信息，制作相应的凸轮402，对凸轮402的轮廓曲线进行设计，设计成对称结构，并在最高点时使卡箍带412下移到最低的位置，即下移2mm，在最低点时使楔形块401保持在初始位置。

电控单元102存储所述临界转速信息的范围；转速传感器101实时测量当前转速信息，并将当前转速信息传递给电控单元102；电控单元102对所述当前转速信息进行判断；当所述当前转速信息的数值达到临界转速信息的范围时，电控单元102发出控制信号并传输给电动机3，电动机3在接收到电控单元102发出的控制信号后开始工作，通过联轴器403带动阶梯轴413和凸轮402转动，同时凸轮402的转动实现与其接触的螺栓414的下移或者恢复到初始位置。

其中凸轮402转动控制卡箍带412具体包括球轴承5接触角增大和球轴承5接触角恢复两个阶段：

球轴承5接触角增大的阶段：当球轴承转子502工作时，转速传感器101持续监测其转速变化，将转速信息传递给电控单元102，当转速达到临界转速范围时，电控单元102发出控制信号，电动机3开始工作，转动180度后凸轮402的最高点与卡箍带412的螺栓414相接触，螺栓414下移量为2mm，球轴承5的接触角减少，增加了球轴承5的刚度。

球轴承5接触角恢复的阶段：当球轴承转子502继续工作，转速传感器101持续监测其转速变化，将转速信息传递给电控单元102，当转速超出临界转速范围时，电控单元102发出控制信号，电动机3开始工作，转动180度后凸轮402的最低点与卡箍带412的螺栓414相接触，螺栓414恢复至初始位置，球轴承5的接触角恢复至初始值。

如图6所示，应用以上所述球轴承刚度控制装置减少球轴承转子502在临界转速时的振幅的方法，包括以下步骤：

步骤一，测量球轴承转子502的临界转速信息的范围；

步骤二，电控单元102存储所述临界转速信息的范围；

步骤三，转速传感器101实时测量当前转速信息，并将当前转速信息传递给电控单元102；

步骤四，电控单元102对所述当前转速信息进行判断；

当所述当前转速信息的数值达到临界转速信息的范围时，电控单元102发出控制信号并传输给电动机3，电动机3带动机械控制装置4，将球轴承外圈501初始位置的中间间隙逐步调大；

当所述当前转速信息的数值超过临界转速信息的范围时，电控单元102发出控制信号并传输给电动机3，电动机3带动机械控制装置4，逐步调小球轴承外圈501的中间间隙，直至球轴承外圈501的中间间隙恢复到初始位置。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (9)

1.一种球轴承刚度控制装置，包括辅助控制电路、电动机、球轴承、机械控制装置和电源模块，其特征在于，所述电源模块为所述球轴承刚度的控制装置供电，所述电动机接收辅助控制电路发出的信号，带动机械控制装置对球轴承外圈中间间隙的大小进行调节，所述机械控制装置包括卡箍带和凸轮，所述电动机通过联轴器与阶梯轴连接，阶梯轴上设置所述凸轮，所述卡箍带包括设置在卡箍带上的螺栓，所述凸轮与螺栓接触，所述卡箍带套在所述球轴承的外圈上。

2.一种球轴承刚度控制装置，包括辅助控制电路、电动机、球轴承、机械控制装置和电源模块，其特征在于，所述电源模块为所述球轴承刚度的控制装置供电，所述电动机接收辅助控制电路发出的信号，带动机械控制装置对球轴承外圈中间间隙的大小进行调节，所述机械控制装置包括楔形块和凸轮，所述电动机通过联轴器与第一同步轴连接；第一同步轴靠近联轴器的一端设置第一同步齿轮，另一端设置所述凸轮，所述凸轮外侧设置锁紧螺母；与第一同步齿轮平行设置第二同步齿轮，且第一同步齿轮与第二同步齿轮相啮合，第二同步齿轮设置在第二同步轴上，且第二同步轴与第一同步轴对应设置所述凸轮并由锁紧螺母锁紧，第二同步轴的另一侧设置同步轴承，同步轴承设置在同步轴承座内，所述凸轮与所述楔形块的大头端接触。

3.按照权利要求1所述的球轴承刚度控制装置，其特征在于，所述辅助控制电路包括转速传感器和ECU，所述转速传感器测量转子的转速信息，并将所述转速信息实时传递给所述ECU。

4.按照权利要求3所述的球轴承刚度控制装置，其特征在于，所述转速传感器采用光电传感器或者电磁感应传感器。

5.按照权利要求2所述的球轴承刚度的控制装置，其特征在于，所述第一同步轴和所述第二同步轴上均设置套筒。

6.减小球轴承转子跨临界转速振幅的方法，包括以下步骤：

步骤一，测量球轴承转子的临界转速信息的范围；

步骤二，ECU存储所述临界转速信息的范围；

步骤三，转速传感器实时测量当前转速信息，并将当前转速信息传递给ECU；

步骤四，ECU对所述当前转速信息进行判断；

当所述当前转速信息的数值达到临界转速信息的范围时，ECU发出控制信号并传输给电动机，电动机带动根据前述权利要求中任一项所述的机械控制装置，将球轴承外圈初始位置的中间间隙逐步调大；

当所述当前转速信息的数值超过临界转速信息的范围时，ECU发出控制信号并传输给电动机，电动机带动机械控制装置，逐步调小球轴承外圈的中间间隙，直至球轴承外圈的中间间隙恢复到初始位置。

7.按照权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤一中，测量球轴承转子的临界转速信息的范围的方法是：逐步调高球轴承转子的转速，记录这一阶段的球轴承转子的转速范围，即球轴承转子的一阶临界转速信息的范围；测量完球轴承转子的一阶临界转速信息范围后，继续调高球轴承转子的转速，记录这一阶段的球轴承转子的转速范围，即球轴承转子的二阶临界转速信息范围。

8.按照权利要6至7任一项所述方法，其特征在于，所述临界转速信息的范围，是所记录的球轴承转子的转速范围。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述临界转速信息范围包括一阶临界转速信息范围、二阶临界转速信息范围。