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      NTN輪轂軸承的發展歷程

      隨著環保意識的不斷提高,行業對汽車零部件的尺寸、質量和油耗也施加了限制。為滿足這些要求,輪轂軸承單元不斷演進。下面重點關注輪轂軸承單元的質量減輕和油耗(低轉矩)方面NTN都做了哪些工作。


      1、輪轂軸承單元的市場需求

      根據汽車廠家的需求(安裝方式、允許空間和軸承尺寸、軸承承載能力、低轉矩性能、抗泥水性、剛度和強度等),輪轂軸承單元的設計規范有很多種。對軸承的要求可分類如下:

      a)易于裝配;

      b)簡化或消除軸承游隙調整;

      c)結構緊湊,輕量化,承載能力強;

      d)免維護,特別是對不再進行潤滑操作和具有外部密封的密封軸承;

      e)減少零部件的數量;

      f)降低整體成本,包括軸承單元、次級零部件和人工成本。


      為滿足上述要求,NTN開發和生產銷售第1代、第2代和第3代產品已有近40年的歷史。


      隨著許多國家不斷增強推行環境條例的力度,要求提高燃料效率以減少CO2排放,除了上述要求外,還需考慮輪轂軸承單元的輕量化和低轉矩。


      2、輪轂軸承單元的發展歷程

      2.1 軸承類型的歷程

      直到20世紀70年代,2套單列滾子軸承仍是標準配置方式,但單列滾子軸承在減輕質量和減小尺寸方面有局限性。因此,單元化產品的演進是為了簡化裝配,以適應質量和包裝的要求。


      這類產品的第一種設計是密封雙列角接觸球軸承和密封雙列圓錐滾子軸承,后來命名為第1代輪轂軸承,并被廣泛應用于20世紀70年代末的特定環境中。在20世紀80年代,軸承及其次級零部件(如輪轂和軸承座(轉向節))組裝在一起,以減少零部件的數量。這也有助于減輕質量,最終形成了第2代輪轂軸承。


      為了進一步減少獨立部件的數量,誕生了第3代輪轂軸承。由于第3代軸承比以前的第2代包含了更多的組件,汽車裝配線上輪轂軸承單元的安裝得以簡化。


      NTN輪轂軸承單元的演變和特點見表1,包括使用2套單列軸承的時代(在單元化開始前)。

      表1 NTN輪轂軸承單元的演變和特點


      通過對軸承進行多代升級,更多的次級零部件已被納入單一產品中。這有助于減少單個零部件的總數,從而使設計更緊湊,整體軸重更輕。隨著輪轂軸承單元的進一步單元化演進,將內/外圈壓裝到次級零部件上已不再必要。在驅動軸承上,通過搖輾固定內圈使預緊管理更容易,從而使可變性顯著降低。預緊力的優化改進實現了轉矩的降低。


      2.2 下—代輪轂萬向節的發展

      在第3代輪轂軸承生產制造之后,NTN又完成了第4代輪轂軸承單元的開發。該軸承結合了輪轂軸承單元與等速萬向節(CVJ)。由于需對汽車廠家的裝配線進行重大改進,這項技術目前還未被采用。


      為此,NTN 開發了一種新的CVJ和輪轂軸承單元的裝配方法,可在不改變汽車廠家的現有裝配線下進行。壓接輪轂萬向節(PCS H/J)的方法實現了質量的顯著減輕(圖1)。

      圖1 PCS H/J的結構

      通常情況下,CVJ與輪轂軸承單元通過花鍵進行連接,并用螺母擰緊?;ㄦI齒一般設計為與螺旋角過盈配合,以消除間隙,這需要較長的花鍵配合長度。新的壓接配合方法通過擰緊螺栓完成對花鍵的緊固,這會產生比CVJ閥桿花鍵對輪轂軸承內孔更緊的過盈配合。這使轉矩可應用到整個花鍵區域,從而顯著縮短了花鍵配合長度。


      用PCS H/J方法可使CVJ閥桿長度縮短65%,質量最大可減輕12%。這是因為輪轂套圈內徑為空心結構,螺母轉換為螺栓等,且沒有花鍵配合間隙。


      2.3 輕量化軸承的發展

      NTN通過多代日益一體化的輪轂軸承單元來減小整個車軸結構的尺寸和減輕質量。采用第3代作為主流產品后,仍需進一步減輕軸承質量,但單元化變得更困難。


      第3代輪轂軸承單元作為加強件,在輪轂套圈強度、外圈強度、軸承整體剛度等方面與單套軸承不同。減輕質量的同時必須保持強度,特別是第3代。輪轂套圈和外圈的質量占整個單元的一半以上,因此這些零件的優化設計對減輕質量非常重要。


      NTN采用有限元分析來確定減重的同時保持強度和剛度,以滿足所需的性能要求。最優形狀通過拓撲優化得到。一種超輕型輪轂軸承形狀被研制出來,如圖2所示。NTN采用積累的技術,在滿足要求的技術規范的同時,提供最輕質量的最優形狀。

      圖2 通過拓撲優化確定所開發產品的形狀

      2.4 降低轉矩的發展

      降低輪轂軸承單元的轉矩一直是提高車輛燃油效率的要求,但因為許多國家出臺了環境法規,要求變得越來越嚴格。NTN開發了各種低轉矩產品,以應對輪轂軸承應用的市場需求。輪轂軸承降低轉矩的發展歷程如圖3所示。

      圖3 輪轂軸承的發展歷程

      輪轂軸承單元的轉矩由隨軸承旋轉的球的滾動阻力和密封的滑動阻力組成。每種阻力約占整個轉矩的50%。因此,減少阻力是降低總轉矩的通用方法。


      2.4.1 潤滑脂研制的歷程

      軸承的滾動阻力由軸承設計和軸承中所含的潤滑脂決定。軸承設計經過優化,以滿足客戶要求。軸承中所含的潤滑脂根據客戶和市場的需要進行多年研制。


      目前生產中使用的標準潤滑脂以第1代軸承生產中使用的潤滑脂為基礎,并對其防銹性進行了改進。在21世紀初創制出低摩擦潤滑脂,并用于要求更低轉矩的車輛上。在2019年研制出超低摩擦潤滑脂,進一步降低了轉矩。這3種潤滑脂之間的區別是基礎油。標準潤滑脂使用礦物油,低摩擦潤滑脂使用礦物油與合成油的混合物,超低摩擦潤滑脂使用合成油。采用優質基礎油可降低低至中溫范圍內的黏滯阻力,進而降低轉矩。NTN不僅對基礎油,還對潤滑脂中的增稠劑和添加劑進行優化,改善了轉矩性能和其他的潤滑脂性能。


      2.4.2 密封研制的歷程

      減小密封滑動阻力但不降低密封性能的各種因素已被研究,如優化密封設計結構、橡膠材料、唇接觸面、唇剛度等。通過整合這些因素,與之前的密封相比,密封轉矩已顯著降低。


      通過減少與旋轉部件接觸的唇數,可進一步降低轉矩,但也會降低密封性能。為解決這些問題,一種新的迷宮結構被開發出來。


      對于驅動輪,CVJ不必嵌入到內徑。因此,如圖4所示,采用一種壓蓋密封內側(車輛側)的設計,消除了常規裝置的2個密封中的1個,從而顯著降低了轉矩。

      圖4 密封壓蓋結構的實例


      3、結束語

      NTN致力于開發輪轂軸承單元超過40年,并通過2008年的NTN-SNR合并擴大市場,使其市場份額已增長到歷史最高。通過不斷創新開發以滿足市場需求,能提供比過去更輕質量和更低轉矩的產品,同時保持其可靠性,并繼續帶著進一步減輕質量和降低轉矩的新思路進行新一代產品的開發。

      (參考文獻略)

      History of Development of Axle Bearings Aiming at Low Fuel Consumption

      來源:《NTN TECHNICAL REVIEW》,2019 (87):55 -58.

      作者:Fabian Schwack等

      翻譯:劉旗  校對:郭培銳

      整理、排版:軸承雜志社



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