低油耗汽車軸承發(fā)展史

由于汽車軸承結(jié)構(gòu)簡單，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