文章出處:知識中心 網(wǎng)責任編輯: 洛陽軸承 閱讀量: 發(fā)表時間:2021-10-11 15:05:33
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準配置方式,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,以適應質(zhì)量和包裝的要求。
這類產(chǎn)品的第一種設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)圈使預緊管理更容易,從而使可變性顯著降低。預緊力的優(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?;ㄦI齒一般設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,在滿足要求的技術規(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,以應對輪轂軸承應用的市場需求。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計和軸承中所含的潤滑脂決定。軸承設計經(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)中使用的標準潤滑脂以第1代軸承生產(chǎn)中使用的潤滑脂為基礎,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)別是基礎油。標準潤滑脂使用礦物油,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
軸研所公眾號 軸承雜志社公眾號
營銷熱線
0379-64367521
0379-64880626
13693806700
0379-64880057
0379-64881181