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低油耗汽车轴承发展史

由于汽车轴承结构简单,外观差异往往并不明显。然而,纵观20世纪80年代至今的轴承技术特征历程可发现:在市场需求预期下,轴承的基本性能仍在继续发展。本文介绍了汽车轴承(深沟球轴承、圆锥滚子轴承)技术在低油耗(低转矩)方面的最新发展。


1 汽车轴承发展史

1.1 深沟球轴承

为满足高效多级自动变速器和无级变速器的市场需求,主要用于变速器的深沟球轴承的功能已得到改进,包括高转速和低转矩的应用。电动汽车的驱动电机轴承除具有紧凑化、轻量化、长使用寿命的要求外,也面临类似的技术要求。


通过材料、热处理、内部设计参数的变化以及诸如密封、保持架、润滑脂的改进(图1),实现低转矩的要求和紧凑化、轻量化的设计。

图1 深沟球轴承及其特点

不同类型深沟球轴承的结构和性能特点见表1。通过比较转矩,自20世纪80 年代以来深沟球轴承的技术史如图2所示。

表1 深沟球轴承的特点

图2 深沟球轴承的发展变迁

变速器用深沟球轴承通常是不带防尘盖或密封的开式轴承。然而,目前采用接触式密封(LU/LH密封)来防止硬质异物侵入润滑油导致轴承使用寿命降低。

由于密封滑动特性的影响,接触式密封轴承相对开式轴承具有更高的转矩。因此,开式轴承通常用于低转矩是关键要求的场合。材料和热处理技术的改进使轴承在异物侵入的环境条件下具有更长的使用寿命。


最新研发的LE密封改进了密封材料和密封唇结构,在保证密封性能的同时可获得低转矩。这些改进使LE密封在油润滑条件下的转矩与非接触式密封同样低。


1.2 圆锥滚子轴承

变速器或差速器用圆锥滚子轴承比深沟球轴承具有更多的设计元素。因此,对这些设计参数的各种特性进行探索。除了低转矩外,材料及热处理的改进也实现了长使用寿命(图3)。

图3 圆锥滚子轴承及其特点

本节讨论了内部设计和材料/热处理的改进向更低转矩的转变。为了改进内部设计,建立了ST系列,通过改进滚子滑动特性来减小转矩。这主要通过内圈挡边的特殊形状及加工来实现。在材料/热处理改进方面,以渗碳钢为基体进行了特殊热处理。由于这种特殊热处理技术增加了滚道表面残余奥氏体,有助于延长使用寿命。紧凑化影响转矩的计算结果如图4所示。

图4 圆锥滚子轴承的发展变迁

随着内/外圈滚道微曲率(凸度)的改进,并将该技术与其他材料/热处理技术相结合进行产品开发,得到了ECO-Top 系列。此外,改变钢制保持架设计可显著降低润滑油的搅拌阻力。在最新系列中,汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承通过凸度设计改进和建立批量加工技术,满足了近代混合动力/电动汽车(HEV/EV)轻量化和紧凑化的应用需求。ULTAGE®是NTN结合了“ultimate”(精益求精)和“stage”(系列轴承用途多样化)为轴承命名。此外,ULTAGE®也是NTN以其行业领先性能而闻名的新一代轴承的总称。


此外,基于全球可采购到的轴承钢,开发了长寿命热处理“FA工艺”。与标准系列相比,ULTAGE圆锥滚子轴承实现了更长的使用寿命和显著减小的转矩(图4)。如稍后提到的接触应力分布优化等改进,有助于延长寿命。


2、下一代汽车轴承介绍

接下来介绍低油耗汽车用下一代深沟球轴承和最新开发的圆锥滚子轴承。


2.1 超低摩擦密封球轴承

为防止变速器润滑油中存在硬质异物的恶劣环境导致轴承使用寿命降低,通常采用接触式密封来提高抵抗异物(如来自齿轮的磨粒)的能力。然而,由于密封的滑动阻力,接触式密封轴承具有较大的转矩。LE密封优化了密封形状和材料,在保证接触式密封效果的同时实现低转矩。这种密封成功地降低了转矩,提高了极限线速度。LE密封通过设置在密封唇滑动区域的弧形(半圆柱形)微凸面(图5)的楔形压力效应,促进密封唇与内圈滑动表面之间形成流体润滑油膜来实现这些效果(表2、图6)。

图5 超低摩擦密封球轴承的特点


已开发产品的特点为:

1)与接触式密封相比,转矩减小80%以上;

2)支持高线速度≥50 m/ s;

3)防止有害异物的侵入。

表2 试验条件

图6 轴承温度与转矩的关系

2.2 汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承

传动系统(如变速器和差速器)用圆锥滚子轴承除了具有长使用寿命和低转矩外,还要求小而轻。


下面介绍汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承,其具备优异的承载能力和转速性能,并采用稳健的凸度优化技术,以最大限度地提高轴承滚动疲劳寿命(图7)。

图7 汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承的结构

与常规产品相比,开发产品的特点为:

1)优异的承载能力

• 基本额定动载荷——1.3倍;


2)长使用寿命(与基本额定寿命相比)

• 标准轴承(轴承钢、淬火处理)——2.5倍以上,

• 高功能型(FA工艺)——3.8倍以上;


3)优异的转速性能

• 许用转速提高约10%;


4)允许倾斜角(偏斜量)

• 允许倾斜角——最大4倍。


圆锥滚子轴承滚动接触区域的接触应力最小化,并在滚子上采用特殊凸形减小接触区域边缘处过大的应力(边缘载荷)。滚道轴向截面接触应力分布计算示例如图8所示。随着ULTAGE圆锥滚子轴承在汽车上的应用,通过采用特殊凸形抑制接触区域的边缘载荷和均衡整体接触应力分布,提高轴承使用寿命。


此外,由于接触应力均布带来的长使用寿命效应,在相同使用寿命下,轴承可设计得更小、更轻。与标准轴承相比,在保证使用寿命和接触应力约束的同时,使用紧凑、轻量的设计可使轴承运行转矩减小60%(图9)。

图8 滚道接触应力分布

图9 轴承转矩比

在温升试验中,其温升为标准轴承的1/3,证实了其优越的卡死抗力,如图10所示。如图7所示,优化了挡边和滚子端面形状,得到了优越的卡死抗力。

图10 卡死抗力试验(温升试验)


3、结束语

从减小转矩的角度回顾了汽车轴承的发展史。正如一直通过各种技术开发,推出超前于市场需求的产品,计划应对即将到来的更严苛且快速变化的需求。希望能继续贡献社会,以便在追求更环保、更舒适、更有用的下一代汽车发展中所做的贡献依然不可或缺。

(参考文献略)

History of Development of Bearings for Automobiles Aiming at Low Fuel Consumption

来源:NTN TECHNICAL REVIEW,2019(87):50-54.

作者:Takashi YASUNISHI

翻译:奚强  校对:赵志晓

整理、排版:轴承杂志社


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