文章出處:知識中心 網責任編輯: 洛陽軸承 閱讀量: 發(fā)表時間:2022-04-07 17:46:47
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)。
圖5 超低摩擦密封球軸承的特點
已開發(fā)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(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)異的承載能力和轉速性能,并采用穩(wěn)健的凸度優(yōu)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(guī)產品相比,開發(fā)產品的特點為:
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(qū)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(qū)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(qū)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)。
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。
3、結束語
從減小轉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開發(fā),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(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
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