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          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
          為滿足高效多級自動變速器和無級變速器的市場需求，主要用于變速器的深溝球軸承的功能已得到改進，包括高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用。電動汽車的驅(qū)動電機軸承除具有緊湊化、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)計參數(shù)的變化以及諸如密封、保持架、潤滑脂的改進(圖1)，實現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩的要求和緊湊化、輕量化的設(shè)計。
          圖1 深溝球軸承及其特點
          不同類型深溝球軸承的結(jié)構(gòu)和性能特點見表1。通過比較轉(zhuǎn)矩，自20世紀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
          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。
          由于密封滑動特性的影響，接觸式密封軸承相對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密封改進了密封材料和密封唇結(jié)構(gòu)，在保證密封性能的同時可獲得低轉(zhuǎn)矩。這些改進使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)計元素。因此，對這些設(shè)計參數(shù)的各種特性進行探索。除了低轉(zhuǎn)矩外，材料及熱處理的改進也實現(xiàn)了長使用壽命(圖3)。
          圖3 圓錐滾子軸承及其特點
          本節(jié)討論了內(nèi)部設(shè)計和材料/熱處理的改進向更低轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變。為了改進內(nèi)部設(shè)計，建立了ST系列，通過改進滾子滑動特性來減小轉(zhuǎn)矩。這主要通過內(nèi)圈擋邊的特殊形狀及加工來實現(xiàn)。在材料/熱處理改進方面，以滲碳鋼為基體進行了特殊熱處理。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，并將該技術(shù)與其他材料/熱處理技術(shù)相結(jié)合進行產(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)計改進和建立批量加工技術(shù)，滿足了近代混合動力/電動汽車(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”。與標準系列相比，ULTAGE圓錐滾子軸承實現(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，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實現(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)，促進密封唇與內(nèi)圈滑動表面之間形成流體潤滑油膜來實現(xiàn)這些效果(表2、圖6)。
          圖5 超低摩擦密封球軸承的特點

          已開發(fā)產(chǎn)品的特點為：
          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)品的特點為:
          1)優(yōu)異的承載能力
          ? 基本額定動載荷——1.3倍;

          2)長使用壽命(與基本額定壽命相比)
          ? 標準軸承(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)計得更小、更輕。與標準軸承相比，在保證使用壽命和接觸應(yīng)力約束的同時，使用緊湊、輕量的設(shè)計可使軸承運行轉(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
          在溫升試驗中，其溫升為標準軸承的1/3，證實了其優(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(溫升試驗)

          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，計劃應(yīng)對即將到來的更嚴苛且快速變化的需求。希望能繼續(xù)貢獻社會，以便在追求更環(huán)保、更舒適、更有用的下一代汽車發(fā)展中所做的貢獻依然不可或缺。
          （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.
          作者：Takashi YASUNISHI
          翻譯：奚強  校對：趙志曉
          整理、排版：軸承雜志社
            軸研所公眾號      軸承雜志社公眾號
          
                


          





            
          
        
          
        
    
          

          


        
          
        
        
    
          
    






          
  
          
    
          
      
      
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          0379-64880057
          
        
          
          
          
          國家軸承質(zhì)檢中心
          
          0379-64881181