簡介
優化零部件和工藝是非常重要的，因為從長遠來看，即使微小的效率發展也可以節省大量的能源和材料。優化重要的部分是確定損失的來源和影響因素。在我們當前的主題中，即滾動軸承。在油潤滑滾動軸承的運行過程中，也會發生損耗，可分為兩組。第一組是負載相關損耗或接觸損耗，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仿真技術 [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的損失。我們項目目的是調查這一組，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量是有限的。只有相同且需要高功率和計算的經驗模型或數值方法。因此在一個合作項目內進行了實驗和數值研究，以便更詳細了解與負載無關的液壓損失。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]開發了一個測試臺，它具有模塊化設計，可用于測量不同設計、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緊。由于有單獨的油室，可以在軸承處獨立調節油位，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境影響。所提出的測試單元由直流電機驅動，***大速度為每分鐘10,000轉的傳動帶。在驅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、轉速、軸向載荷和軸扭矩。借助測得的扭矩，可以根據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，根據油位變化確定液壓損失的示例
數值方法
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。這些三維瞬態仿真使用 ANSYS CFX 執行，并對測試箱內的復雜流動分布進行建模。在計算中，根據測量值設置油屬性和轉速。計算網格覆蓋了測試軸承的油室，包含大約 550 萬個六面體單元。這種塊狀結構的網格分為三個部分，并且在墻壁附近具有更精細的分辨率。
結果
評估的第一步是可重復性測試。這意味著在相同的邊界條件下進行了多次測量，但使用不同的測試軸承樣品。在這次測試中，檢查的條件如下：測試軸承處于中間軸向位置;測試室完全被淹沒;轉速在1000到6300rpm 之間變化;有兩個研究的油溫（50°C 和 60°C） 分別是兩個油粘度 （58,3 和 38 mm2/s）。在這些條件下，還進行了第一次模擬。重現性測試和第一次數值計算的結果如圖 3 所示。指示的液壓損失值是指試驗箱，這意味著它不僅包含液壓軸承損失，還包含試驗箱的液壓損失（例如，由潤滑劑在軸上或壁上剪切引起的損失）。
圖3：重現性測試和第一次數值計算的結果
由于重現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性。比較表明實驗結果和數值結果之間具有良好的相關性，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）導致較低的液壓損失，液壓損失幾乎隨轉速線性增加。再現性測試后，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。結果顯示了油量、油溫（即油粘度）、轉速和軸承位置（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果中也可以觀察到所謂的錐形滾子軸承的泵效應和油的泡沫
【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.
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