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】
[0001] 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】
[0002] 转子一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 过仿真研宄及计算发现：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。
[0003] 由以上分析能够得到，改变轴承刚度的轴承一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，磁轴承的研宄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宄。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 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 明人结合多年研宄经验，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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 优选地，所述第一同步轴和所述第二同步轴上均设置套筒。
[0015] 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。
[0016] 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：
[0017] 步骤一，测量球轴承转子的临界转速信息的范围；
[0018] 步骤二，E⑶存储所述临界转速信息的范围；
[0019] 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;
[0020] 步骤四，ECU对所述当前转速信息进行判断；
[0021] 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；
[0022] 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。
[0023] 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。