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低油耗汽車軸承發展史

由于汽車軸承結構簡單,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特征歷程可發現:在市場需求預期下,軸承的基本性能仍在繼續發展。本文介紹了汽車軸承(深溝球軸承、圓錐滾子軸承)技術在低油耗(低轉矩)方面的最新發展。


1 汽車軸承發展史

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,包括高轉速和低轉矩的應用。電動汽車的驅動電機軸承除具有緊湊化、輕量化、長使用壽命的要求外,也面臨類似的技術要求。


通過材料、熱處理、內部設計參數的變化以及諸如密封、保持架、潤滑脂的改進(圖1),實現低轉矩的要求和緊湊化、輕量化的設計。

圖1 深溝球軸承及其特點

不同類型深溝球軸承的結構和性能特點見表1。通過比較轉矩,自20世紀80 年代以來深溝球軸承的技術史如圖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)來防止硬質異物侵入潤滑油導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矩。因此,開式軸承通常用于低轉矩是關鍵要求的場合。材料和熱處理技術的改進使軸承在異物侵入的環境條件下具有更長的使用壽命。


最新研發的LE密封改進了密封材料和密封唇結構,在保證密封性能的同時可獲得低轉矩。這些改進使LE密封在油潤滑條件下的轉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計元素。因此,對這些設計參數的各種特性進行探索。除了低轉矩外,材料及熱處理的改進也實現了長使用壽命(圖3)。

圖3 圓錐滾子軸承及其特點

本節討論了內部設計和材料/熱處理的改進向更低轉矩的轉變。為了改進內部設計,建立了ST系列,通過改進滾子滑動特性來減小轉矩。這主要通過內圈擋邊的特殊形狀及加工來實現。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。緊湊化影響轉矩的計算結果如圖4所示。

圖4 圓錐滾子軸承的發展變遷

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,基于全球可采購到的軸承鋼,開發了長壽命熱處理“FA工藝”。與標準系列相比,ULTAGE圓錐滾子軸承實現了更長的使用壽命和顯著減小的轉矩(圖4)。如稍后提到的接觸應力分布優化等改進,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異物的惡劣環境導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矩。LE密封優化了密封形狀和材料,在保證接觸式密封效果的同時實現低轉矩。這種密封成功地降低了轉矩,提高了極限線速度。LE密封通過設置在密封唇滑動區域的弧形(半圓柱形)微凸面(圖5)的楔形壓力效應,促進密封唇與內圈滑動表面之間形成流體潤滑油膜來實現這些效果(表2、圖6)。

圖5 超低摩擦密封球軸承的特點


已開發產品的特點為:

1)與接觸式密封相比,轉矩減小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 軸承溫度與轉矩的關系

2.2 汽車用ULTAGE圓錐滾子軸承

傳動系統(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,其具備優異的承載能力和轉速性能,并采用穩健的凸度優化技術,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)優異的轉速性能

? 許用轉速提高約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域的接觸應力最小化,并在滾子上采用特殊凸形減小接觸區域邊緣處過大的應力(邊緣載荷)。滾道軸向截面接觸應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用,通過采用特殊凸形抑制接觸區域的邊緣載荷和均衡整體接觸應力分布,提高軸承使用壽命。


此外,由于接觸應力均布帶來的長使用壽命效應,在相同使用壽命下,軸承可設計得更小、更輕。與標準軸承相比,在保證使用壽命和接觸應力約束的同時,使用緊湊、輕量的設計可使軸承運行轉矩減小60%(圖9)。

圖8 滾道接觸應力分布

圖9 軸承轉矩比

在溫升試驗中,其溫升為標準軸承的1/3,證實了其優越的卡死抗力,如圖10所示。如圖7所示,優化了擋邊和滾子端面形狀,得到了優越的卡死抗力。

圖10 卡死抗力試驗(溫升試驗)


3、結束語

從減小轉矩的角度回顧了汽車軸承的發展史。正如一直通過各種技術開發,推出超前于市場需求的產品,計劃應對即將到來的更嚴苛且快速變化的需求。希望能繼續貢獻社會,以便在追求更環保、更舒適、更有用的下一代汽車發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


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