一種球軸承剛度控制裝置及減小球軸承轉子跨臨界轉速振幅的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于車輛動力機械領域，具體涉及一種球軸承剛度控制裝置及減小球軸承 轉子跨臨界轉速振幅的方法。
【背景技術】
[0002] 轉子一軸承支撐剛度是影響轉子系統動力學特性的一個重要因素，軸承剛度的變 化與增壓器轉速的變化相關。目前的車用渦輪增壓器的工作轉速一般在60000- 240000r/ min左右，最高工作轉速已達到290000r/min，需要跨越一階、二階臨界轉速，甚至接近三階 臨界轉速。轉子在經過臨界轉速附近時振幅過大，嚴重影響渦輪增壓器的可靠性和壽命。通 過仿真研宄及計算發現：改變一階、二階臨界轉速附近軸承剛度的大小能夠降低球軸承渦 輪增壓器轉子臨界轉速附近的振幅，且軸承剛度越大，振幅降低幅度越大。
[0003] 由以上分析能夠得到，改變軸承剛度的軸承一轉子系統跨越臨界轉速的主動控制 方法，即當轉子處于臨界轉速附近時，適當增加轉子系統的支撐剛度。基于這一原理，針對 改變軸承剛度提出了許多不同的方法，如采用電磁軸承、壓電制動器、記憶合金作動器、液 壓作動器、主動可傾瓦軸承、主動油膜軸承及電/磁流變阻尼器等一系列的方法，這些方法 均對改善轉子的轉子動力學特性和減少轉子的振幅有積極意義。電磁軸承是上述幾項方法 中較為成熟的一項，其工作原理是利用電磁鐵制造旋轉磁場并實現穩定的磁懸浮。由于電 磁軸承具有無機械磨損、不需潤滑和超高速的優點，磁軸承的研宄和應用得到了迅速的發 展。記憶合金動作器是通過改變記憶合金的形狀來調節剛度，進而調節轉子通過臨界轉速 的振幅。主動可傾瓦軸承可以根據轉速的變化實現對軸承剛度和阻尼特性的最佳調節。主 動擠壓油膜軸承的作用是通過調節軸承的間隙和承載長度來達到改變軸承剛度的目的。盡 管人們尋求了多種方法對軸承支撐的剛度進行改變，但在需要特定球軸承支撐的轉子動力 機械中，要改變其球軸承剛度需要對其控制方法和裝置進行研宄。
[0004] 目前，現有技術中涉及到軸承剛度調節的方法及裝置較少，未發現針對球軸承剛 度調節的控制方法。例如，中國專利申請200310110582. 0公開了一種高速主軸變剛度的方 法及裝置，其方法是在主軸后軸承外圈設置彈簧壓緊套筒，對前、后軸承外圈產生預負荷， 彈簧壓緊套筒通過調節螺桿調節彈簧壓縮量，使軸承的預負荷發生變化，進而主軸的剛度 發生變化。
[0005] 中國授權專利CN202790093U公開了一種剛度可調的多油楔可傾瓦徑向軸承，包 括軸承體和一組共4塊可傾瓦，所述軸承體是由半圓環狀的上軸承體和下軸承體對扣而 成；上軸承體和下軸承體對扣形成圓柱狀的軸承體內孔，上軸承體和下軸承體內壁上各安 裝2塊可傾瓦塊；軸承體的前后兩側均設置環狀油封，環狀油封外側的軸承體上固定有擋 油環，并且將可傾瓦塊設計成4種規格的包角、且瓦塊合金寬度亦分兩種規格，并在上瓦塊 背面與軸承體內孔之間增設調整墊片，瓦塊安裝角度優化和瓦間隙可以靈活改變，通過選 擇和調換不同包角、不同寬度的可傾瓦塊及其在軸承體中的安裝位置，靈活增減上瓦與軸 承體之間的調整墊片等方式，輕松實現軸承剛度的按需調節。
[0006] 中國專利申請201210334143. 7公開了一種液壓墊圈式滾珠絲杠剛度恒定調節裝 置，在數控機床床身上的滾珠絲杠軸承的外圈與軸承座止口之間安裝圓柱型液壓墊圈，圓 柱型液壓墊圈的內孔套在軸承座孔止口處的凸起外圓柱上，圓柱型液壓墊圈中開有環形空 腔，軸承座的孔壁開有環形油槽，圓柱型液壓墊圈的外圓柱上均勻布置四個與環形油槽相 通的徑向油孔，力傳感器安裝在圓柱型液壓墊圈端面與滾珠絲杠軸承的外圈端面之間。
[0007] 中國專利201320003621. 6公開了一種角接觸球軸承動、靜剛度測試裝置，包括電 機，電機通過聯軸器與短芯軸相連，所述短芯軸上安裝有被測試軸承，短芯軸端部安裝有偏 心質量塊，所述軸承上套裝有套筒，套筒一端安裝有徑向位移傳感器和軸向位移傳感器，套 筒安裝在軸承座內，軸承座一端固定有套圈，套圈上安裝有給套筒施加軸向壓力的壓電陶 瓷，壓電陶瓷與套筒相連，所述壓電陶瓷連接有用于調劑壓力的壓電控制單元，軸承座外側 安裝有徑向加載模塊。
【發明內容】
[0008] 為了降低轉子系統跨臨界轉速時轉子的振幅，增強轉子系統的可靠性和壽命，發 明人結合多年研宄經驗，提出了一種球軸承剛度控制裝置及減小球軸承轉子跨臨界轉速振 幅的方法。
[0009] 解決上述問題的技術方案是，提供一種球軸承剛度控制裝置，包括輔助控制電路、 電動機、球軸承、機械控制裝置和電源模塊；所述電源模塊為所述球軸承剛度的控制裝置供 電，所述電動機接收輔助控制電路發出的信號，帶動機械控制裝置對球軸承外圈中間間隙 的大小進行調節。
[0010] 進一步地，所述輔助控制電路包括轉速傳感器和電控單元ECU(以下簡稱ECU)，所 述轉速傳感器測量轉子的轉速信息，并將所述轉速信息實時傳遞給所述ECU。
[0011] 優選地，所述轉速傳感器采用光電傳感器或者電磁感應傳感器。
[0012] 進一步地，所述機械控制裝置包括卡箍帶和凸輪，所述電動機通過聯軸器與階梯 軸連接，階梯軸上設置所述凸輪，所述卡箍帶包括設置在卡箍帶上的螺栓，所述凸輪與螺栓 接觸，所述卡箍帶套在所述球軸承的外圈上。
[0013] 進一步地，所述機械控制裝置包括楔形塊和凸輪，所述電動機通過聯軸器與第一 同步軸連接；第一同步軸靠近聯軸器的一端設置第一同步齒輪，另一端設置所述凸輪，所述 凸輪外側設置鎖緊螺母；與第一同步齒輪平行設置第二同步齒輪，且第一同步齒輪與第二 同步齒輪相嚙合，第二同步齒輪設置在第二同步軸上，且第二同步軸與第一同步軸對應設 置所述凸輪并由鎖緊螺母鎖緊，第二同步軸的另一側設置同步軸承，同步軸承設置在同步 軸承座內，所述凸輪與所述楔形塊的大頭端接觸。
[0014] 優選地，所述第一同步軸和所述第二同步軸上均設置套筒。
[0015] 進一步地，由以上所述球軸承剛度控制裝置組成的渦輪增壓器。
[0016] 本發明所述減小球軸承轉子跨臨界轉速振幅的方法，包括以下步驟：
[0017] 步驟一，測量球軸承轉子的臨界轉速信息的范圍；
[0018] 步驟二，E⑶存儲所述臨界轉速信息的范圍；
[0019] 步驟三，轉速傳感器實時測量當前轉速信息，并將當前轉速信息傳遞給ECU;
[0020] 步驟四，ECU對所述當前轉速信息進行判斷；
[0021] 當所述當前轉速信息的數值達到臨界轉速信息的范圍時，ECU發出控制信號并傳 輸給電動機，電動機帶動機械控制裝置，將球軸承外圈初始位置的中間間隙逐漸調大；
[0022] 當所述當前轉速信息的數值超過臨界轉速信息的范圍時，ECU發出控制信號并傳 輸給電動機，電動機帶動機械控制裝置，逐步調小球軸承外圈的中間間隙，直至球軸承外圈 的中間間隙恢復到初始位置。
[0023] 進一步地，所述步驟一中，測量球軸承轉子的臨界轉速信息的范圍的方法是：逐步 調高球軸承轉子的轉速，記錄這一階段的球軸承轉子的轉速范圍，即球軸承轉子的一階臨 界轉速信息的范圍。