低油耗汽車軸承發(fā)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(fā)現(xiàn)：在市場需求預期下，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)技術在低油耗(低轉矩)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(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(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(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(shù)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(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(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(fā)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(fā)，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(yè)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(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矩(圖4)。如稍后提到的接觸應力分布優(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異物的惡劣環(huán)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(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(qū)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(xiàn)這些效果(表2、圖6)。