NTN輪轂軸承的發(fā)展歷程

隨著環(huán)保意識的不斷提高，行業(yè)對汽車零部件的尺寸、質(zhì)量和油耗也施加了限制。為滿足這些要求，輪轂軸承單元不斷演進。下面重點關(guān)注輪轂軸承單元的質(zhì)量減輕和油耗（低轉(zhuǎn)矩）方面NTN都做了哪些工作。

1、輪轂軸承單元的市場需求

根據(jù)汽車廠家的需求（安裝方式、允許空間和軸承尺寸、軸承承載能力、低轉(zhuǎn)矩性能、抗泥水性、剛度和強度等），輪轂軸承單元的設(shè)計規(guī)范有很多種。對軸承的要求可分類如下：

a)易于裝配；

b)簡化或消除軸承游隙調(diào)整；

c)結(jié)構(gòu)緊湊，輕量化，承載能力強；

d)免維護，特別是對不再進行潤滑操作和具有外部密封的密封軸承；

e)減少零部件的數(shù)量；

f)降低整體成本，包括軸承單元、次級零部件和人工成本。

為滿足上述要求，NTN開發(fā)和生產(chǎn)銷售第1代、第2代和第3代產(chǎn)品已有近40年的歷史。

隨著許多國家不斷增強推行環(huán)境條例的力度，要求提高燃料效率以減少CO2排放，除了上述要求外，還需考慮輪轂軸承單元的輕量化和低轉(zhuǎn)矩。

2、輪轂軸承單元的發(fā)展歷程

2.1 軸承類型的歷程

直到20世紀70年代，2套單列滾子軸承仍是標(biāo)準(zhǔn)配置方式，但單列滾子軸承在減輕質(zhì)量和減小尺寸方面有局限性。因此，單元化產(chǎn)品的演進是為了簡化裝配，以適應(yīng)質(zhì)量和包裝的要求。

這類產(chǎn)品的第一種設(shè)計是密封雙列角接觸球軸承和密封雙列圓錐滾子軸承，后來命名為第1代輪轂軸承，并被廣泛應(yīng)用于20世紀70年代末的特定環(huán)境中。在20世紀80年代，軸承及其次級零部件（如輪轂和軸承座（轉(zhuǎn)向節(jié)））組裝在一起，以減少零部件的數(shù)量。這也有助于減輕質(zhì)量，最終形成了第2代輪轂軸承。

為了進一步減少獨立部件的數(shù)量，誕生了第3代輪轂軸承。由于第3代軸承比以前的第2代包含了更多的組件，汽車裝配線上輪轂軸承單元的安裝得以簡化。

NTN輪轂軸承單元的演變和特點見表1，包括使用2套單列軸承的時代（在單元化開始前）。

表1 NTN輪轂軸承單元的演變和特點

通過對軸承進行多代升級，更多的次級零部件已被納入單一產(chǎn)品中。這有助于減少單個零部件的總數(shù)，從而使設(shè)計更緊湊，整體軸重更輕。隨著輪轂軸承單元的進一步單元化演進，將內(nèi)/外圈壓裝到次級零部件上已不再必要。在驅(qū)動軸承上，通過搖輾固定內(nèi)圈使預(yù)緊管理更容易，從而使可變性顯著降低。預(yù)緊力的優(yōu)化改進實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的降低。

2.2 下—代輪轂萬向節(jié)的發(fā)展

在第3代輪轂軸承生產(chǎn)制造之后，NTN又完成了第4代輪轂軸承單元的開發(fā)。該軸承結(jié)合了輪轂軸承單元與等速萬向節(jié)（CVJ）。由于需對汽車廠家的裝配線進行重大改進，這項技術(shù)目前還未被采用。

為此，NTN 開發(fā)了一種新的CVJ和輪轂軸承單元的裝配方法，可在不改變汽車廠家的現(xiàn)有裝配線下進行。壓接輪轂萬向節(jié)(PCS H/J)的方法實現(xiàn)了質(zhì)量的顯著減輕(圖1)。

圖1 PCS H/J的結(jié)構(gòu)

通常情況下，CVJ與輪轂軸承單元通過花鍵進行連接，并用螺母擰緊。花鍵齒一般設(shè)計為與螺旋角過盈配合，以消除間隙，這需要較長的花鍵配合長度。新的壓接配合方法通過擰緊螺栓完成對花鍵的緊固，這會產(chǎn)生比CVJ閥桿花鍵對輪轂軸承內(nèi)孔更緊的過盈配合。這使轉(zhuǎn)矩可應(yīng)用到整個花鍵區(qū)域，從而顯著縮短了花鍵配合長度。

采用PCS H/J方法可使CVJ閥桿長度縮短65%，質(zhì)量最大可減輕12%。這是因為輪轂套圈內(nèi)徑為空心結(jié)構(gòu)，螺母轉(zhuǎn)換為螺栓等，且沒有花鍵配合間隙。

2.3 輕量化軸承的發(fā)展

NTN通過多代日益一體化的輪轂軸承單元來減小整個車軸結(jié)構(gòu)的尺寸和減輕質(zhì)量。采用第3代作為主流產(chǎn)品后，仍需進一步減輕軸承質(zhì)量，但單元化變得更困難。

第3代輪轂軸承單元作為加強件，在輪轂套圈強度、外圈強度、軸承整體剛度等方面與單套軸承不同。減輕質(zhì)量的同時必須保持強度，特別是第3代。輪轂套圈和外圈的質(zhì)量占整個單元的一半以上，因此這些零件的優(yōu)化設(shè)計對減輕質(zhì)量非常重要。

NTN采用有限元分析來確定減重的同時保持強度和剛度，以滿足所需的性能要求。最優(yōu)形狀通過拓撲優(yōu)化得到。一種超輕型輪轂軸承形狀被研制出來，如圖2所示。NTN采用積累的技術(shù)，在滿足要求的技術(shù)規(guī)范的同時，提供最輕質(zhì)量的最優(yōu)形狀。

圖2 通過拓撲優(yōu)化確定所開發(fā)產(chǎn)品的形狀

2.4 降低轉(zhuǎn)矩的發(fā)展

降低輪轂軸承單元的轉(zhuǎn)矩一直是提高車輛燃油效率的要求，但因為許多國家出臺了環(huán)境法規(guī)，要求變得越來越嚴格。NTN開發(fā)了各種低轉(zhuǎn)矩產(chǎn)品，以應(yīng)對輪轂軸承應(yīng)用的市場需求。輪轂軸承降低轉(zhuǎn)矩的發(fā)展歷程如圖3所示。

圖3 輪轂軸承的發(fā)展歷程

輪轂軸承單元的轉(zhuǎn)矩由隨軸承旋轉(zhuǎn)的球的滾動阻力和密封的滑動阻力組成。每種阻力約占整個轉(zhuǎn)矩的50%。因此，減少阻力是降低總轉(zhuǎn)矩的通用方法。

2.4.1 潤滑脂研制的歷程

軸承的滾動阻力由軸承設(shè)計和軸承中所含的潤滑脂決定。軸承設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，以滿足客戶要求。軸承中所含的潤滑脂根據(jù)客戶和市場的需要進行多年研制。

目前生產(chǎn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)潤滑脂以第1代軸承生產(chǎn)中使用的潤滑脂為基礎(chǔ)，并對其防銹性進行了改進。在21世紀初創(chuàng)制出低摩擦潤滑脂，并用于要求更低轉(zhuǎn)矩的車輛上。在2019年研制出超低摩擦潤滑脂，進一步降低了轉(zhuǎn)矩。這3種潤滑脂之間的區(qū)別是基礎(chǔ)油。標(biāo)準(zhǔn)潤滑脂使用礦物油，低摩擦潤滑脂使用礦物油與合成油的混合物，超低摩擦潤滑脂使用合成油。采用優(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)油可降低低至中溫范圍內(nèi)的黏滯阻力，進而降低轉(zhuǎn)矩。NTN不僅對基礎(chǔ)油，還對潤滑脂中的增稠劑和添加劑進行優(yōu)化，改善了轉(zhuǎn)矩性能和其他的潤滑脂性能。

2.4.2 密封研制的歷程

減小密封滑動阻力但不降低密封性能的各種因素已被研究，如優(yōu)化密封設(shè)計結(jié)構(gòu)、橡膠材料、唇接觸面、唇剛度等。通過整合這些因素，與之前的密封相比，密封轉(zhuǎn)矩已顯著降低。

通過減少與旋轉(zhuǎn)部件接觸的唇數(shù)，可進一步降低轉(zhuǎn)矩，但也會降低密封性能。為解決這些問題，一種新的迷宮結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來。

對于驅(qū)動輪，CVJ不必嵌入到內(nèi)徑。因此，如圖4所示，采用一種壓蓋密封內(nèi)側(cè)（車輛側(cè)）的設(shè)計，消除了常規(guī)裝置的2個密封中的1個，從而顯著降低了轉(zhuǎn)矩。

圖4 密封壓蓋結(jié)構(gòu)的實例

3、結(jié)束語

NTN致力于開發(fā)輪轂軸承單元超過40年，并通過2008年的NTN-SNR合并擴大市場，使其市場份額已增長到歷史最高。通過不斷創(chuàng)新開發(fā)以滿足市場需求，能提供比過去更輕質(zhì)量和更低轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)品，同時保持其可靠性，并繼續(xù)帶著進一步減輕質(zhì)量和降低轉(zhuǎn)矩的新思路進行新一代產(chǎn)品的開發(fā)。

（參考文獻略）

History of Development of Axle Bearings Aiming at Low Fuel Consumption

來源：《NTN TECHNICAL REVIEW》，2019 (87)：55 -58.

作者：Fabian Schwack等

翻譯：劉旗校對：郭培銳

整理、排版：軸承雜志社