低油耗汽車軸承發展史

由于汽車軸(zhou)承(cheng)結構簡單，外(wai)觀(guan)差異往往并不明(ming)顯。然而，縱觀(guan)20世紀80年(nian)代至今的(de)軸(zhou)承(cheng)技術特征歷程可(ke)發現：在(zai)市場需求預期下，軸(zhou)承(cheng)的(de)基本(ben)性能仍(reng)在(zai)繼(ji)續發展(zhan)。本(ben)文(wen)介紹了汽車軸(zhou)承(cheng)(深(shen)溝球軸(zhou)承(cheng)、圓(yuan)錐滾子軸(zhou)承(cheng))技術在(zai)低(di)油(you)耗(低(di)轉(zhuan)矩)方面的(de)最新發展(zhan)。

1 汽車軸承發展史

1.1 深溝球(qiu)軸承

為(wei)滿足高效多級(ji)(ji)自(zi)動變(bian)速(su)器和無級(ji)(ji)變(bian)速(su)器的市場需求，主要(yao)用(yong)(yong)于(yu)變(bian)速(su)器的深溝球(qiu)軸承的功能已得(de)到改進(jin)，包括高轉速(su)和低轉矩的應用(yong)(yong)。電動汽車的驅動電機(ji)軸承除具有緊(jin)湊化(hua)、輕量(liang)化(hua)、長使(shi)用(yong)(yong)壽命的要(yao)求外，也面臨類(lei)似的技術要(yao)求。

通過材料、熱處理、內(nei)部設計(ji)參數的(de)(de)變化以及諸如(ru)密封、保(bao)持架(jia)、潤(run)滑脂的(de)(de)改(gai)進(圖1)，實(shi)現低轉矩(ju)的(de)(de)要求和緊湊化、輕量化的(de)(de)設計(ji)。

圖1 深(shen)溝球軸承及(ji)其特點

不同類型深溝球軸(zhou)承的(de)結構和性能特(te)點見表(biao)1。通過比較轉矩，自20世紀(ji)80 年(nian)代以(yi)來(lai)深溝球軸(zhou)承的(de)技術史如圖2所示。

表1 深(shen)溝球軸(zhou)承的特點

圖2 深溝(gou)球軸承(cheng)的發展變(bian)遷

變速器(qi)用深溝球軸(zhou)(zhou)承通常是不(bu)帶防塵蓋或密(mi)(mi)封的開式(shi)軸(zhou)(zhou)承。然而，目前采(cai)用接觸式(shi)密(mi)(mi)封(LU/LH密(mi)(mi)封)來(lai)防止(zhi)硬(ying)質異物侵(qin)入潤滑油導致(zhi)軸(zhou)(zhou)承使(shi)用壽命(ming)降低。

由于(yu)密(mi)(mi)封(feng)滑動(dong)特性(xing)的影響，接觸式(shi)密(mi)(mi)封(feng)軸承相對開式(shi)軸承具有(you)更(geng)高的轉(zhuan)矩。因此(ci)，開式(shi)軸承通常(chang)用于(yu)低轉(zhuan)矩是關鍵要求的場(chang)合。材料和熱處(chu)理技術的改(gai)進使軸承在(zai)異物(wu)侵入的環境(jing)條(tiao)件下(xia)具有(you)更(geng)長的使用壽命(ming)。

最新(xin)研(yan)發的(de)LE密(mi)封改進(jin)了密(mi)封材料和(he)密(mi)封唇結構(gou)，在(zai)保證密(mi)封性能的(de)同時可獲(huo)得低(di)轉(zhuan)矩。這些(xie)改進(jin)使LE密(mi)封在(zai)油潤滑條件(jian)下的(de)轉(zhuan)矩與非接(jie)觸式密(mi)封同樣低(di)。

1.2 圓錐(zhui)滾子軸承

變速(su)器(qi)或差(cha)速(su)器(qi)用(yong)圓錐滾子軸承比(bi)深溝(gou)球軸承具有更多的(de)設計元素。因此，對這些(xie)設計參數的(de)各種特性進行探索。除了低轉矩外，材料及熱處(chu)理的(de)改進也(ye)實現了長(chang)使(shi)用(yong)壽命(圖3)。

圖(tu)3 圓(yuan)錐(zhui)滾子軸承及其特點

本(ben)節討(tao)論了(le)內部設(she)計和材(cai)料(liao)/熱(re)處(chu)理(li)的(de)(de)改(gai)進向更低(di)轉矩(ju)的(de)(de)轉變(bian)。為了(le)改(gai)進內部設(she)計，建立了(le)ST系列，通過改(gai)進滾(gun)子滑動特性來減小轉矩(ju)。這主要通過內圈擋邊的(de)(de)特殊(shu)形狀及加(jia)工來實現(xian)。在材(cai)料(liao)/熱(re)處(chu)理(li)改(gai)進方面(mian)，以滲碳鋼為基體進行了(le)特殊(shu)熱(re)處(chu)理(li)。由于(yu)這種特殊(shu)熱(re)處(chu)理(li)技術增(zeng)加(jia)了(le)滾(gun)道表面(mian)殘余奧(ao)氏體，有助于(yu)延長使用壽(shou)命。緊湊化影響轉矩(ju)的(de)(de)計算(suan)結果(guo)如圖4所示(shi)。

圖4 圓錐滾(gun)子軸承(cheng)的發展變遷

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，基于全球(qiu)可采購到(dao)的(de)軸承鋼，開發了(le)長壽命(ming)熱(re)處理“FA工藝”。與(yu)標準系列相比，ULTAGE圓錐(zhui)滾子軸承實現了(le)更長的(de)使用壽命(ming)和(he)顯著減小(xiao)的(de)轉矩(ju)(圖4)。如稍后提到(dao)的(de)接(jie)觸應力分布優(you)化等改進，有助于延長壽命(ming)。

2、下(xia)一代汽(qi)車軸承(cheng)介紹

接下來(lai)介紹低(di)油耗汽車用下一代(dai)深溝球軸承和最新開發的(de)圓錐滾子軸承。

2.1 超低摩擦密封球軸(zhou)承

為防止變速器(qi)潤(run)滑(hua)(hua)油中存在硬質異物(wu)的(de)(de)惡(e)劣(lie)環境導致軸(zhou)承使用(yong)壽命(ming)降(jiang)低，通(tong)常采(cai)用(yong)接(jie)觸(chu)式(shi)密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)來提高(gao)抵抗(kang)異物(wu)(如來自齒輪(lun)的(de)(de)磨粒)的(de)(de)能力(li)。然而，由于(yu)密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)的(de)(de)滑(hua)(hua)動(dong)阻(zu)力(li)，接(jie)觸(chu)式(shi)密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)軸(zhou)承具有較大(da)的(de)(de)轉矩。LE密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)優(you)化了密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)形狀和(he)材料(liao)，在保證接(jie)觸(chu)式(shi)密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)效果(guo)的(de)(de)同(tong)時實現低轉矩。這(zhe)種密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)成功地降(jiang)低了轉矩，提高(gao)了極限線速度(du)。LE密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)通(tong)過設置在密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)唇(chun)滑(hua)(hua)動(dong)區(qu)域的(de)(de)弧形(半(ban)圓柱形)微凸面(圖(tu)5)的(de)(de)楔(xie)形壓力(li)效應，促(cu)進密(mi)封(feng)(feng)(feng)(feng)唇(chun)與(yu)內圈滑(hua)(hua)動(dong)表(biao)面之(zhi)間形成流(liu)體潤(run)滑(hua)(hua)油膜來實現這(zhe)些效果(guo)(表(biao)2、圖(tu)6)。

圖5 超低摩擦密封球軸(zhou)承的特(te)點

已開發產品的特點為：

1)與(yu)接(jie)觸式密封(feng)相比，轉矩減小80%以上；

2)支持高線(xian)速(su)度≥50 m/ s；

3)防止有害異(yi)物(wu)的(de)侵入。

表2 試驗條件

圖6 軸承溫度與轉(zhuan)矩的關系

2.2 汽車(che)用ULTAGE圓錐滾子軸承(cheng)

傳(chuan)動系統(如變速器和差速器)用(yong)圓錐滾子(zi)軸(zhou)承(cheng)除(chu)了具有長使用(yong)壽命和低(di)轉矩(ju)外，還要求小而輕。

下面介(jie)紹汽(qi)車用(yong)ULTAGE圓錐(zhui)滾(gun)子軸(zhou)承，其具備優異的(de)承載(zai)能(neng)力和轉速性能(neng)，并采(cai)用(yong)穩健的(de)凸(tu)度優化技術，以(yi)最大限度地提高軸(zhou)承滾(gun)動(dong)疲勞壽(shou)命(圖7)。

圖7 汽車用ULTAGE圓錐(zhui)滾子軸承的結構

與常規產品相比，開發產品的特點為:

1)優異的承載能力

? 基本額定動載荷——1.3倍;

2)長使用壽命(與基(ji)本(ben)額定壽命相(xiang)比)

? 標準軸承(軸承鋼(gang)、淬火處理)——2.5倍(bei)以上,

? 高功能型(FA工(gong)藝)——3.8倍以上;

3)優異的轉速性能(neng)

? 許用轉速(su)提高約10%;

4)允許傾斜(xie)角(jiao)(偏斜(xie)量(liang))

? 允(yun)許傾斜角——最大4倍。

圓錐(zhui)滾(gun)子(zi)軸承(cheng)滾(gun)動接觸(chu)(chu)區(qu)域(yu)的接觸(chu)(chu)應力最小化，并在滾(gun)子(zi)上(shang)采用(yong)(yong)(yong)特(te)殊凸形(xing)減小接觸(chu)(chu)區(qu)域(yu)邊緣(yuan)處過大的應力(邊緣(yuan)載荷)。滾(gun)道(dao)軸向截(jie)面接觸(chu)(chu)應力分布(bu)(bu)計算示例如圖(tu)8所示。隨著ULTAGE圓錐(zhui)滾(gun)子(zi)軸承(cheng)在汽(qi)車上(shang)的應用(yong)(yong)(yong)，通過采用(yong)(yong)(yong)特(te)殊凸形(xing)抑制接觸(chu)(chu)區(qu)域(yu)的邊緣(yuan)載荷和均(jun)衡(heng)整體接觸(chu)(chu)應力分布(bu)(bu)，提高(gao)軸承(cheng)使(shi)用(yong)(yong)(yong)壽命。

此外，由于接(jie)(jie)觸應(ying)力均布(bu)帶來(lai)的長使(shi)用(yong)壽命(ming)效(xiao)應(ying),在相同使(shi)用(yong)壽命(ming)下，軸承可(ke)設(she)計(ji)得更(geng)小(xiao)(xiao)、更(geng)輕。與標準軸承相比，在保(bao)證使(shi)用(yong)壽命(ming)和接(jie)(jie)觸應(ying)力約束的同時，使(shi)用(yong)緊湊、輕量的設(she)計(ji)可(ke)使(shi)軸承運行轉矩減小(xiao)(xiao)60%(圖9)。

圖8 滾道(dao)接觸應力(li)分布

圖9 軸承轉矩比

在溫(wen)升試驗中，其溫(wen)升為標準軸承的(de)(de)1/3，證實(shi)了(le)其優越(yue)(yue)的(de)(de)卡死(si)抗力(li)，如(ru)圖10所示。如(ru)圖7所示，優化了(le)擋邊和滾子端面形狀，得到了(le)優越(yue)(yue)的(de)(de)卡死(si)抗力(li)。

圖10 卡死(si)抗力(li)試驗(溫升(sheng)試驗)

3、結(jie)束語(yu)

從減小轉矩的(de)角(jiao)度(du)回(hui)顧了汽車(che)軸(zhou)承(cheng)的(de)發(fa)(fa)展(zhan)史。正如一直通(tong)過(guo)各種技(ji)術開(kai)發(fa)(fa)，推出超(chao)前于市場需(xu)(xu)求(qiu)的(de)產品(pin)，計劃應對即(ji)將(jiang)到來的(de)更(geng)(geng)嚴苛且(qie)快速變化的(de)需(xu)(xu)求(qiu)。希望能繼續貢(gong)獻(xian)(xian)社會，以便(bian)在追求(qiu)更(geng)(geng)環保、更(geng)(geng)舒(shu)適、更(geng)(geng)有用的(de)下一代(dai)汽車(che)發(fa)(fa)展(zhan)中所(suo)做的(de)貢(gong)獻(xian)(xian)依然(ran)不可或缺。

（參考文獻略）

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

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

作(zuo)者：Takashi YASUNISHI

翻譯：奚強(qiang) 校對：趙志曉

整理、排版：軸承(cheng)雜(za)志社(she)