低油耗汽車軸承發展史

由于汽車軸(zhou)承(cheng)(cheng)結(jie)構簡單(dan)，外觀(guan)差異往往并不明(ming)顯。然而，縱觀(guan)20世紀80年代(dai)至今的軸(zhou)承(cheng)(cheng)技術(shu)特征歷(li)程可發(fa)(fa)現(xian)：在市(shi)場需求預期下，軸(zhou)承(cheng)(cheng)的基本性(xing)能仍在繼續發(fa)(fa)展。本文(wen)介紹了汽車軸(zhou)承(cheng)(cheng)(深溝球(qiu)軸(zhou)承(cheng)(cheng)、圓錐滾(gun)子軸(zhou)承(cheng)(cheng))技術(shu)在低(di)油耗(hao)(低(di)轉(zhuan)矩)方面的最新發(fa)(fa)展。

1 汽(qi)車軸承發展史(shi)

1.1 深溝球軸(zhou)承

為(wei)滿足高(gao)效(xiao)多級自動(dong)變速(su)器(qi)和無級變速(su)器(qi)的市場需(xu)求，主要用于變速(su)器(qi)的深溝球軸(zhou)承(cheng)(cheng)的功能(neng)已得到改(gai)進(jin)，包括高(gao)轉速(su)和低(di)轉矩的應用。電動(dong)汽車的驅動(dong)電機軸(zhou)承(cheng)(cheng)除(chu)具有緊(jin)湊化、輕量化、長使用壽命(ming)的要求外，也面臨類似的技(ji)術要求。

通過(guo)材料、熱處理、內部(bu)設(she)計(ji)參數(shu)的變化(hua)(hua)以及諸如密封、保持架(jia)、潤滑脂(zhi)的改進(圖(tu)1)，實現(xian)低(di)轉矩(ju)的要求和(he)緊湊(cou)化(hua)(hua)、輕量化(hua)(hua)的設(she)計(ji)。

圖(tu)1 深溝球軸承及其特點

不同類型深(shen)溝(gou)(gou)球軸承(cheng)的(de)結構(gou)和性(xing)能特點見表(biao)1。通過比較(jiao)轉矩，自20世紀80 年(nian)代以來深(shen)溝(gou)(gou)球軸承(cheng)的(de)技術(shu)史如圖2所示(shi)。

表(biao)1 深溝(gou)球軸承(cheng)的特(te)點(dian)

圖2 深溝球軸(zhou)承的發展變遷

變(bian)速(su)器用(yong)深(shen)溝球(qiu)軸(zhou)承(cheng)通常是不帶防(fang)塵蓋或密封(feng)(feng)的開式軸(zhou)承(cheng)。然(ran)而，目前采用(yong)接觸式密封(feng)(feng)(LU/LH密封(feng)(feng))來(lai)防(fang)止(zhi)硬質異物侵(qin)入潤滑油導致(zhi)軸(zhou)承(cheng)使用(yong)壽(shou)命降低。

由于(yu)密(mi)封滑動(dong)特性的(de)影響，接觸式密(mi)封軸(zhou)承相對開式軸(zhou)承具有更(geng)(geng)高(gao)的(de)轉矩。因此，開式軸(zhou)承通(tong)常用于(yu)低轉矩是(shi)關鍵要求(qiu)的(de)場合。材料(liao)和熱處理技術的(de)改進使軸(zhou)承在異物(wu)侵入的(de)環(huan)境條件下具有更(geng)(geng)長(chang)的(de)使用壽命。

最新研發的LE密(mi)(mi)封改(gai)(gai)進了(le)密(mi)(mi)封材料和密(mi)(mi)封唇結構(gou)，在(zai)保證密(mi)(mi)封性能(neng)的同(tong)時可獲得低轉矩。這些改(gai)(gai)進使(shi)LE密(mi)(mi)封在(zai)油(you)潤滑(hua)條件下(xia)的轉矩與非接觸式密(mi)(mi)封同(tong)樣低。

1.2 圓(yuan)錐(zhui)滾子軸承

變速器或(huo)差速器用(yong)圓錐滾子軸(zhou)承比深溝球(qiu)軸(zhou)承具(ju)有更多的設(she)計元素(su)。因此，對這(zhe)些(xie)設(she)計參(can)數的各種(zhong)特性進行(xing)探索。除了低轉矩外，材料及熱處理(li)的改進也實現了長使(shi)用(yong)壽(shou)命(圖3)。

圖3 圓錐滾子(zi)軸承及其特(te)點

本(ben)節討論(lun)了(le)內(nei)(nei)部設計和材(cai)料/熱(re)處理(li)的(de)(de)(de)改進(jin)向(xiang)更低轉矩的(de)(de)(de)轉變。為(wei)了(le)改進(jin)內(nei)(nei)部設計，建立了(le)ST系列，通過改進(jin)滾子滑(hua)動特(te)性(xing)來減小轉矩。這(zhe)主(zhu)要通過內(nei)(nei)圈擋(dang)邊的(de)(de)(de)特(te)殊形狀及加工來實(shi)現。在材(cai)料/熱(re)處理(li)改進(jin)方(fang)面，以(yi)滲(shen)碳(tan)鋼為(wei)基體進(jin)行了(le)特(te)殊熱(re)處理(li)。由于這(zhe)種特(te)殊熱(re)處理(li)技術增(zeng)加了(le)滾道表面殘(can)余奧氏體，有助于延(yan)長(chang)使用壽命。緊湊化影響(xiang)轉矩的(de)(de)(de)計算結果如圖4所示。

圖4 圓(yuan)錐滾(gun)子軸承的發展變遷(qian)

隨著內/外圈滾道微曲率(凸度)的改進，并將該技術與其他材料/熱處理技術相結合進行產品開發，得到了ECO-Top 系列。此外，改變鋼制保持架設計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計改進和建立批量加工技術，滿足了近代混合動力/電動汽車(HEV/EV)輕量化和緊湊化的應用需求。ULTAGE?是NTN結合了“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以其行業領先性能而聞名的新一代軸承的總稱。

此外，基于(yu)全球(qiu)可采(cai)購到的(de)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)，開發了(le)長壽命熱處理“FA工藝”。與(yu)標(biao)準系列相比，ULTAGE圓錐(zhui)滾(gun)子軸(zhou)(zhou)承(cheng)實現了(le)更長的(de)使用壽命和(he)顯著減小的(de)轉矩(圖(tu)4)。如稍(shao)后提到的(de)接(jie)觸應力分(fen)布(bu)優化(hua)等(deng)改進，有(you)助于(yu)延長壽命。

2、下一(yi)代汽(qi)車軸(zhou)承介紹

接下來介紹(shao)低油耗汽車(che)用下一(yi)代深(shen)溝球軸(zhou)承和最新開發的圓錐滾子軸(zhou)承。

2.1 超低摩(mo)擦密封球軸承

為防止(zhi)變速器(qi)潤(run)(run)滑(hua)(hua)(hua)油中存(cun)在硬質(zhi)異物的(de)惡劣(lie)環境導致(zhi)軸(zhou)承(cheng)使用壽命降低，通常采用接觸式密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)來(lai)提高(gao)抵抗異物(如來(lai)自齒輪的(de)磨粒(li))的(de)能(neng)力(li)。然而，由于密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)的(de)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)阻力(li)，接觸式密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)軸(zhou)承(cheng)具有較大的(de)轉矩(ju)。LE密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)優化了密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)形狀(zhuang)和材料，在保(bao)證(zheng)接觸式密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)效果的(de)同時實(shi)現低轉矩(ju)。這種密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)成功地(di)降低了轉矩(ju)，提高(gao)了極限線(xian)速度。LE密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)通過設置在密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)唇(chun)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)區域的(de)弧形(半圓柱(zhu)形)微凸(tu)面(圖(tu)5)的(de)楔形壓力(li)效應(ying)，促進密(mi)(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)唇(chun)與內圈滑(hua)(hua)(hua)動(dong)表面之間形成流體(ti)潤(run)(run)滑(hua)(hua)(hua)油膜來(lai)實(shi)現這些效果(表2、圖(tu)6)。

圖5 超(chao)低(di)摩(mo)擦密封球(qiu)軸承的(de)特點

已開發產品的特點為：

1)與(yu)接觸式密封相比，轉(zhuan)矩減小80%以上；

2)支(zhi)持高線速度≥50 m/ s；

3)防(fang)止有害異物(wu)的侵入。

表2 試驗條件

圖6 軸承溫(wen)度與轉矩(ju)的(de)關系

2.2 汽車(che)用(yong)ULTAGE圓(yuan)錐滾子軸(zhou)承

傳(chuan)動系統(如(ru)變速(su)器和差速(su)器)用圓錐滾子軸承(cheng)除了具(ju)有長使用壽命和低轉矩外，還要求小而輕。

下面介紹汽車用(yong)ULTAGE圓錐滾子軸(zhou)承，其具備優異的(de)承載能力和轉(zhuan)速性能，并采用(yong)穩(wen)健的(de)凸度優化技術，以(yi)最大(da)限度地提高軸(zhou)承滾動疲勞壽命(ming)(圖7)。

圖7 汽(qi)車用(yong)ULTAGE圓錐滾(gun)子軸承的(de)結構

與常規產品相比，開發產品的特點為:

1)優異的承(cheng)載(zai)能(neng)力

? 基本額定動載荷——1.3倍(bei);

2)長使用壽命(ming)(與基本額定(ding)壽命(ming)相比)

? 標準軸承(cheng)(軸承(cheng)鋼、淬(cui)火處理)——2.5倍(bei)以上(shang),

? 高功能(neng)型(xing)(FA工藝)——3.8倍(bei)以上(shang);

3)優異的轉速性(xing)能

? 許用(yong)轉速提高約10%;

4)允許傾(qing)斜(xie)角(偏斜(xie)量)

? 允許傾斜角——最大4倍。

圓(yuan)錐滾(gun)(gun)子軸(zhou)承滾(gun)(gun)動接觸(chu)(chu)(chu)區(qu)域(yu)的接觸(chu)(chu)(chu)應(ying)力最小(xiao)化，并(bing)在滾(gun)(gun)子上(shang)采用特殊凸(tu)形減小(xiao)接觸(chu)(chu)(chu)區(qu)域(yu)邊緣處過(guo)大的應(ying)力(邊緣載(zai)荷(he))。滾(gun)(gun)道軸(zhou)向截(jie)面接觸(chu)(chu)(chu)應(ying)力分布計算示例如(ru)圖8所示。隨著ULTAGE圓(yuan)錐滾(gun)(gun)子軸(zhou)承在汽(qi)車上(shang)的應(ying)用，通過(guo)采用特殊凸(tu)形抑制接觸(chu)(chu)(chu)區(qu)域(yu)的邊緣載(zai)荷(he)和(he)均衡(heng)整體接觸(chu)(chu)(chu)應(ying)力分布，提高軸(zhou)承使用壽命。

此外，由(you)于接(jie)觸(chu)應(ying)力均布帶來的長使用壽(shou)命效應(ying),在(zai)相同(tong)使用壽(shou)命下(xia)，軸承可設(she)計(ji)得更(geng)小、更(geng)輕。與標(biao)準軸承相比(bi)，在(zai)保(bao)證使用壽(shou)命和接(jie)觸(chu)應(ying)力約(yue)束的同(tong)時，使用緊湊、輕量的設(she)計(ji)可使軸承運行轉矩減小60%(圖9)。

圖8 滾道接觸應力(li)分布

圖9 軸承轉(zhuan)矩(ju)比

在溫(wen)升試驗中(zhong)，其(qi)溫(wen)升為標準軸承的1/3，證實了(le)(le)其(qi)優(you)越的卡(ka)死(si)抗力，如圖(tu)10所示(shi)。如圖(tu)7所示(shi)，優(you)化了(le)(le)擋邊和滾子(zi)端面形(xing)狀，得到(dao)了(le)(le)優(you)越的卡(ka)死(si)抗力。

圖10 卡死抗力試驗(yan)(溫升試驗(yan))

3、結(jie)束(shu)語

從減小轉矩的(de)(de)角度回顧了汽車(che)軸承的(de)(de)發展史。正如一直通過各種技術(shu)開發，推出(chu)超(chao)前(qian)于(yu)市場需(xu)求(qiu)的(de)(de)產(chan)品，計劃(hua)應對即將(jiang)到來的(de)(de)更(geng)(geng)嚴苛且(qie)快速變化的(de)(de)需(xu)求(qiu)。希望能(neng)繼續貢獻社會，以(yi)便在追求(qiu)更(geng)(geng)環(huan)保、更(geng)(geng)舒適、更(geng)(geng)有用的(de)(de)下一代汽車(che)發展中所做的(de)(de)貢獻依然不可或缺。

（參考文獻略）

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

來(lai)源：NTN TECHNICAL REVIEW,2019(87):50-54.

作者：Takashi YASUNISHI

翻譯：奚強校(xiao)對：趙志(zhi)曉

整理、排(pai)版：軸承雜志(zhi)社