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    低油耗汽車軸承發(fā)展史

    由于汽車軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,外觀差異往往并不明顯。然而,縱觀20世紀(jì)80年代至今的軸承技術(shù)特征歷程可發(fā)現(xiàn):在市場(chǎng)需求預(yù)期下,軸承的基本性能仍在繼續(xù)發(fā)展。本文介紹了汽車軸承(深溝球軸承、圓錐滾子軸承)技術(shù)在低油耗(低轉(zhuǎn)矩)方面的最新發(fā)展。


    1 汽車軸承發(fā)展史

    1.1 深溝球軸承

    為滿足高效多級(jí)自動(dòng)變速器和無級(jí)變速器的市場(chǎng)需求,主要用于變速器的深溝球軸承的功能已得到改進(jìn),包括高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用。電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承除具有緊湊化、輕量化、長(zhǎng)使用壽命的要求外,也面臨類似的技術(shù)要求。


    通過材料、熱處理、內(nèi)部設(shè)計(jì)參數(shù)的變化以及諸如密封、保持架、潤滑脂的改進(jìn)(圖1),實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩的要求和緊湊化、輕量化的設(shè)計(jì)。

    圖1 深溝球軸承及其特點(diǎn)

    不同類型深溝球軸承的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)見表1。通過比較轉(zhuǎn)矩,自20世紀(jì)80 年代以來深溝球軸承的技術(shù)史如圖2所示。

    表1 深溝球軸承的特點(diǎn)

    圖2 深溝球軸承的發(fā)展變遷

    變速器用深溝球軸承通常是不帶防塵蓋或密封的開式軸承。然而,目前采用接觸式密封(LU/LH密封)來防止硬質(zhì)異物侵入潤滑油導(dǎo)致軸承使用壽命降低。

    由于密封滑動(dòng)特性的影響,接觸式密封軸承相對(duì)開式軸承具有更高的轉(zhuǎn)矩。因此,開式軸承通常用于低轉(zhuǎn)矩是關(guān)鍵要求的場(chǎng)合。材料和熱處理技術(shù)的改進(jìn)使軸承在異物侵入的環(huán)境條件下具有更長(zhǎng)的使用壽命。


    最新研發(fā)的LE密封改進(jìn)了密封材料和密封唇結(jié)構(gòu),在保證密封性能的同時(shí)可獲得低轉(zhuǎn)矩。這些改進(jìn)使LE密封在油潤滑條件下的轉(zhuǎn)矩與非接觸式密封同樣低。


    1.2 圓錐滾子軸承

    變速器或差速器用圓錐滾子軸承比深溝球軸承具有更多的設(shè)計(jì)元素。因此,對(duì)這些設(shè)計(jì)參數(shù)的各種特性進(jìn)行探索。除了低轉(zhuǎn)矩外,材料及熱處理的改進(jìn)也實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)使用壽命(圖3)。

    圖3 圓錐滾子軸承及其特點(diǎn)

    本節(jié)討論了內(nèi)部設(shè)計(jì)和材料/熱處理的改進(jìn)向更低轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變。為了改進(jìn)內(nèi)部設(shè)計(jì),建立了ST系列,通過改進(jìn)滾子滑動(dòng)特性來減小轉(zhuǎn)矩。這主要通過內(nèi)圈擋邊的特殊形狀及加工來實(shí)現(xiàn)。在材料/熱處理改進(jìn)方面,以滲碳鋼為基體進(jìn)行了特殊熱處理。由于這種特殊熱處理技術(shù)增加了滾道表面殘余奧氏體,有助于延長(zhǎng)使用壽命。緊湊化影響轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

    圖4 圓錐滾子軸承的發(fā)展變遷

    隨著內(nèi)/外圈滾道微曲率(凸度)的改進(jìn),并將該技術(shù)與其他材料/熱處理技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā),得到了ECO-Top 系列。此外,改變鋼制保持架設(shè)計(jì)可顯著降低潤滑油的攪拌阻力。在最新系列中,汽車用ULTAGE圓錐滾子軸承通過凸度設(shè)計(jì)改進(jìn)和建立批量加工技術(shù),滿足了近代混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(HEV/EV)輕量化和緊湊化的應(yīng)用需求。ULTAGE?是NTN結(jié)合了“ultimate”(精益求精)和“stage”(系列軸承用途多樣化)為軸承命名。此外,ULTAGE?也是NTN以其行業(yè)領(lǐng)先性能而聞名的新一代軸承的總稱。


    此外,基于全球可采購到的軸承鋼,開發(fā)了長(zhǎng)壽命熱處理“FA工藝”。與標(biāo)準(zhǔn)系列相比,ULTAGE圓錐滾子軸承實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)的使用壽命和顯著減小的轉(zhuǎn)矩(圖4)。如稍后提到的接觸應(yīng)力分布優(yōu)化等改進(jìn),有助于延長(zhǎng)壽命。


    2、下一代汽車軸承介紹

    接下來介紹低油耗汽車用下一代深溝球軸承和最新開發(fā)的圓錐滾子軸承。


    2.1 超低摩擦密封球軸承

    為防止變速器潤滑油中存在硬質(zhì)異物的惡劣環(huán)境導(dǎo)致軸承使用壽命降低,通常采用接觸式密封來提高抵抗異物(如來自齒輪的磨粒)的能力。然而,由于密封的滑動(dòng)阻力,接觸式密封軸承具有較大的轉(zhuǎn)矩。LE密封優(yōu)化了密封形狀和材料,在保證接觸式密封效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩。這種密封成功地降低了轉(zhuǎn)矩,提高了極限線速度。LE密封通過設(shè)置在密封唇滑動(dòng)區(qū)域的弧形(半圓柱形)微凸面(圖5)的楔形壓力效應(yīng),促進(jìn)密封唇與內(nèi)圈滑動(dòng)表面之間形成流體潤滑油膜來實(shí)現(xiàn)這些效果(表2、圖6)。

    圖5 超低摩擦密封球軸承的特點(diǎn)


    已開發(fā)產(chǎn)品的特點(diǎn)為:

    1)與接觸式密封相比,轉(zhuǎn)矩減小80%以上;

    2)支持高線速度≥50 m/ s;

    3)防止有害異物的侵入。

    表2 試驗(yàn)條件

    圖6 軸承溫度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

    2.2 汽車用ULTAGE圓錐滾子軸承

    傳動(dòng)系統(tǒng)(如變速器和差速器)用圓錐滾子軸承除了具有長(zhǎng)使用壽命和低轉(zhuǎn)矩外,還要求小而輕。


    下面介紹汽車用ULTAGE圓錐滾子軸承,其具備優(yōu)異的承載能力和轉(zhuǎn)速性能,并采用穩(wěn)健的凸度優(yōu)化技術(shù),以最大限度地提高軸承滾動(dòng)疲勞壽命(圖7)。

    圖7 汽車用ULTAGE圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)

    與常規(guī)產(chǎn)品相比,開發(fā)產(chǎn)品的特點(diǎn)為:

    1)優(yōu)異的承載能力

    ? 基本額定動(dòng)載荷——1.3倍;


    2)長(zhǎng)使用壽命(與基本額定壽命相比)

    ? 標(biāo)準(zhǔn)軸承(軸承鋼、淬火處理)——2.5倍以上,

    ? 高功能型(FA工藝)——3.8倍以上;


    3)優(yōu)異的轉(zhuǎn)速性能

    ? 許用轉(zhuǎn)速提高約10%;


    4)允許傾斜角(偏斜量)

    ? 允許傾斜角——最大4倍。


    圓錐滾子軸承滾動(dòng)接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力最小化,并在滾子上采用特殊凸形減小接觸區(qū)域邊緣處過大的應(yīng)力(邊緣載荷)。滾道軸向截面接觸應(yīng)力分布計(jì)算示例如圖8所示。隨著ULTAGE圓錐滾子軸承在汽車上的應(yīng)用,通過采用特殊凸形抑制接觸區(qū)域的邊緣載荷和均衡整體接觸應(yīng)力分布,提高軸承使用壽命。


    此外,由于接觸應(yīng)力均布帶來的長(zhǎng)使用壽命效應(yīng),在相同使用壽命下,軸承可設(shè)計(jì)得更小、更輕。與標(biāo)準(zhǔn)軸承相比,在保證使用壽命和接觸應(yīng)力約束的同時(shí),使用緊湊、輕量的設(shè)計(jì)可使軸承運(yùn)行轉(zhuǎn)矩減小60%(圖9)。

    圖8 滾道接觸應(yīng)力分布

    圖9 軸承轉(zhuǎn)矩比

    在溫升試驗(yàn)中,其溫升為標(biāo)準(zhǔn)軸承的1/3,證實(shí)了其優(yōu)越的卡死抗力,如圖10所示。如圖7所示,優(yōu)化了擋邊和滾子端面形狀,得到了優(yōu)越的卡死抗力。

    圖10 卡死抗力試驗(yàn)(溫升試驗(yàn))


    3、結(jié)束語

    從減小轉(zhuǎn)矩的角度回顧了汽車軸承的發(fā)展史。正如一直通過各種技術(shù)開發(fā),推出超前于市場(chǎng)需求的產(chǎn)品,計(jì)劃應(yīng)對(duì)即將到來的更嚴(yán)苛且快速變化的需求。希望能繼續(xù)貢獻(xiàn)社會(huì),以便在追求更環(huán)保、更舒適、更有用的下一代汽車發(fā)展中所做的貢獻(xiàn)依然不可或缺。

    (參考文獻(xiàn)略)

    History of Development of Bearings for Automobiles Aiming at Low Fuel Consumption

    來源:NTN TECHNICAL REVIEW,2019(87):50-54.

    作者:Takashi YASUNISHI

    翻譯:奚強(qiáng)  校對(duì):趙志曉

    整理、排版:軸承雜志社


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