【日】　石橋豊

動(dòng)力傳動(dòng)裝置滾動(dòng)軸承的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

【日】石橋豊

摘要：近年來，對(duì)于汽車的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，迫切要求開展改善燃油經(jīng)濟(jì)性及減少?gòu)U氣排放等方面的研究。分別就動(dòng)力傳動(dòng)裝置的齒輪及轉(zhuǎn)軸用軸承、行星齒輪機(jī)構(gòu)軸承、電動(dòng)機(jī)支承軸承等，闡述其不同的工作環(huán)境及要求性能，介紹為滿足不同的性能要求所開展的軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)及相關(guān)的技術(shù)動(dòng)向，以及為實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的小型輕量化、低摩擦化、長(zhǎng)壽命化等采用的新技術(shù)和新工藝。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力傳動(dòng)裝置滾動(dòng)軸承性能工作環(huán)境燃油經(jīng)濟(jì)性

0前言

近年來，作為應(yīng)對(duì)相關(guān)能源政策及防止地球氣溫上升的途徑，改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、減少CO2排放的重要性正在日益增強(qiáng)。雖然為了減少汽車的CO2排放，電動(dòng)車已逐漸投入運(yùn)行，但至少在2020年以前，配裝內(nèi)燃機(jī)的汽車(包括混合動(dòng)力車)仍將是主流車型。因此，對(duì)于汽車的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，也要求開展改善其燃油經(jīng)濟(jì)性的研究。

汽車動(dòng)力傳動(dòng)裝置中包括了變速器和差速器。其中，變速器的種類呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，包括手動(dòng)變速器(MT)、自動(dòng)機(jī)械式變速器(AMT)、雙離合變速器(DCT)、有級(jí)式自動(dòng)變速器(Step AT)、無級(jí)變速器(CVT)，以及混合動(dòng)力專用變速器。因此，變速器及差速器中所使用的滾動(dòng)軸承所處的工作環(huán)境及性能要求也是多樣化的。因此，為進(jìn)一步改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，要求針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)不同部位的滾動(dòng)軸承實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以最近發(fā)表的技術(shù)文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，針對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)裝置中的滾動(dòng)軸承，從改善燃油經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)應(yīng)用于不同部位滾動(dòng)軸承的性能要求，以及為滿足這些性能要求所開發(fā)的軸承技術(shù)作簡(jiǎn)單說明。

1不同部位軸承的性能要求

在動(dòng)力傳動(dòng)裝置中，大致在以下3種部位會(huì)使用滾動(dòng)軸承：(1)支承齒輪及轉(zhuǎn)軸的軸承；(2)行星齒輪機(jī)構(gòu)所用的軸承；(3)支承電動(dòng)機(jī)的軸承。下文將從改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)各部位滾動(dòng)軸承的性能要求進(jìn)行解說。

1.1支承齒輪及轉(zhuǎn)軸的滾動(dòng)軸承

對(duì)于支承齒輪及轉(zhuǎn)軸的滾動(dòng)軸承，一般要求其具備小型化、輕量化及低摩擦等性能。

為了改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，配裝在汽車上的動(dòng)力傳動(dòng)裝置必須具備小型輕量化的特點(diǎn)，為此，可用于安置齒輪及轉(zhuǎn)軸支承軸承的空間也越來越小(圖1，圖2)。為了在尺寸能容納的有限空間內(nèi)確保軸承的可靠性，要求進(jìn)一步提高軸承的屈服強(qiáng)度，并且優(yōu)化軸承內(nèi)部的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

圖1　變速器的代表實(shí)例

圖2　差速器的代表實(shí)例

研究人員已知，變速器及差速器中滾動(dòng)軸承的損傷形態(tài)一般是以壓痕為起點(diǎn)的表面剝離，而壓痕則是由滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體與套圈之間的潤(rùn)滑油中混入異物所引起的。因此，為提高軸承的可靠性，強(qiáng)化其抗壓痕的性能是極為有效的措施。

此外，降低滾動(dòng)軸承的摩擦將直接關(guān)系到動(dòng)力傳動(dòng)裝置的效率提升，也就是說，直接關(guān)系到燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。具體方法除了優(yōu)化軸承內(nèi)部技術(shù)參數(shù)外，還有將圓錐形滾子軸承改為球軸承，以及將滑動(dòng)軸承改為滾動(dòng)軸承等方法(圖3)。

圖3　變速器所使用的滑動(dòng)軸承

1.2行星齒輪機(jī)構(gòu)用軸承

在自動(dòng)變速器、皮帶式無級(jí)變速器及混合動(dòng)力專用變速器中，一般會(huì)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)(圖4)。為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率更高的運(yùn)行區(qū)域，變速器的發(fā)展已開始趨向于多極化和廣域化。因此，小齒輪的自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速也在不斷升高(圖5)。

圖4　行星齒輪機(jī)構(gòu)的代表實(shí)例

圖5　小齒輪的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)

此外，為了降低潤(rùn)滑油的流動(dòng)阻力，潤(rùn)滑油的黏度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。然而，潤(rùn)滑油的黏度降低后，滾動(dòng)體與軸承套圈之間形成油膜會(huì)變得更為困難。而且，為了降低能量損失，機(jī)油泵正在向小型化的方向發(fā)展，潤(rùn)滑油量也呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)。因此，對(duì)于支承小齒輪旋轉(zhuǎn)的滾針軸承，必須要求其具備適應(yīng)貧油潤(rùn)滑條件下的高速性能。

1.3支承電動(dòng)機(jī)的軸承

在混合動(dòng)力專用變速器中，會(huì)裝備電動(dòng)機(jī)(圖6)。為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的小型輕量化、高效率化和高功率化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正在不斷升高。因此，對(duì)于支承電動(dòng)機(jī)的滾動(dòng)軸承，要求其具備在高轉(zhuǎn)速條件下放熱量低及耐熱膠粘的性能。此外，在高轉(zhuǎn)速條件下，由于離心力的作用，軸承保持架會(huì)發(fā)生較大的變形。這種變形會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體與外圈接觸時(shí)，因滑動(dòng)摩擦放熱而產(chǎn)生熱膠粘的現(xiàn)象，或是因應(yīng)力過大而導(dǎo)致破損現(xiàn)象發(fā)生。因此，要求保持架必須具備在離心力作用下不易變形的可靠性。

圖6　混合動(dòng)力專用電動(dòng)機(jī)的概念

2滾動(dòng)軸承的最新技術(shù)

如前文所述，滾動(dòng)軸承的應(yīng)用部位不同，所要求的性能也各不相同。所以，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)裝置中的滾動(dòng)軸承，必須針對(duì)其不同的應(yīng)用環(huán)境，實(shí)施相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1支承齒輪及轉(zhuǎn)軸的軸承

2.1.1球軸承的小型輕量化和低摩擦化

在變速器及差速器中所使用的滾動(dòng)軸承上，容易發(fā)生以壓痕為起點(diǎn)的表面剝離現(xiàn)象，而滾動(dòng)軸承滾道表面發(fā)生的切向力會(huì)對(duì)此產(chǎn)生極大的影響。降低切向力的有效對(duì)策是強(qiáng)化滾動(dòng)體表面層和降低表面粗糙度。據(jù)報(bào)道，有研究人員在滾動(dòng)體的表面層析出高硬度的氮化物，可提高軸承表面的屈服強(qiáng)度。通過強(qiáng)化滾動(dòng)體表面，相比普通的SUJ2淬火回火材料，軸承的使用壽命可提高至原來的2倍(圖7)。研究結(jié)果也顯示，在與傳統(tǒng)軸承產(chǎn)品具有相同耐久性的前提下，經(jīng)強(qiáng)化的軸承質(zhì)量可減輕50%，旋轉(zhuǎn)扭矩可降低12%(圖8)。

圖7　氮化物析出材料用于滾動(dòng)體后的耐久試驗(yàn)結(jié)果

圖8　提高屈服強(qiáng)度后軸承尺寸縮小的實(shí)例

2.1.2圓錐形滾子軸承的小型輕量化及低摩擦化

作為降低圓錐形滾子軸承摩擦的技術(shù)，下文將列舉滾道表面形狀的改進(jìn)實(shí)例。圓錐形滾子軸承的滾道表面一般呈現(xiàn)“隆起面”的鼓形。如將這一隆起面設(shè)計(jì)成特殊形狀，就能夠緩和端面載荷(接觸面的端部表面壓力升高)(表1)。據(jù)報(bào)道，在采用特殊的隆起面形狀及軸承內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化措施后，相比傳統(tǒng)軸承，新開發(fā)產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)扭矩可降低30%。圖9為在新產(chǎn)品耐久性與傳統(tǒng)軸承相同的前提下，軸承尺寸被縮小的實(shí)例。此外，以降低圓錐形滾子軸承的摩擦為目的，也有報(bào)告提出過其他方法。例如，通過控制流入軸承的潤(rùn)滑油流動(dòng)，可以降低軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油流動(dòng)阻力。

表1傳統(tǒng)軸承與新開發(fā)產(chǎn)品的滾道面形狀比較

圖9　傳統(tǒng)圓錐形滾子軸承與新開發(fā)產(chǎn)品的尺寸對(duì)比

2.1.3將圓錐形滾子軸承改為球軸承

作為由圓錐形滾子軸承改為球軸承的實(shí)例，介紹串列式角接觸球軸承的技術(shù)要點(diǎn)(圖10)。這種球軸承是在相同的接觸角方向布置2列滾珠，不僅能降低摩擦，還能確保負(fù)荷容量及軸承剛性達(dá)到要求的性能水平。雖然相比圓錐形滾子軸承而言，串列式角接觸球軸承在混入異物的潤(rùn)滑油條件下確保耐久性及裝配預(yù)緊管理方面均有一定難度，但能夠降低旋轉(zhuǎn)扭矩約40%，并降低約20 ℃的升溫。

圖10　串列式角接觸球軸承的截面圖

2.1.4將滑動(dòng)軸承改為滾動(dòng)軸承

圖11為具有與滑動(dòng)軸承相同截面厚度(1.5mm)的沖壓外圈滾針軸承的外觀。據(jù)報(bào)道，由于設(shè)置了能夠控制經(jīng)由軸承的潤(rùn)滑油量的密封圈，以作為沖壓外圈滾針軸承的結(jié)構(gòu)零件之一(圖12)，在未大幅改變變速器內(nèi)潤(rùn)滑油流動(dòng)及油量的前提下，實(shí)現(xiàn)了將滑動(dòng)軸承改為滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11　薄型沖壓外圈滾針軸承的外觀

圖12　薄型沖壓外圈滾針軸承的結(jié)構(gòu)零件

2.2行星齒輪機(jī)構(gòu)的軸承

2.2.1提高行星齒輪機(jī)構(gòu)滾針軸承的轉(zhuǎn)速

圖13　小齒輪結(jié)構(gòu)零件的代表實(shí)例

在行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)零件小齒輪的內(nèi)徑面中內(nèi)置有滾針軸承(圖13)。由于小齒輪的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾針軸承的保持架會(huì)被施加離心力，并因此被壓向小齒輪的內(nèi)徑面。隨著小齒輪公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的升高，保持架與小齒輪內(nèi)徑面的接觸表面壓力也會(huì)升高。此外，由于小齒輪自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的升高，保持架與小齒輪內(nèi)徑面之間的滑動(dòng)速度也會(huì)升高。結(jié)果滑動(dòng)面的放熱量增大，有可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生熱膠粘的風(fēng)險(xiǎn)。為此，相應(yīng)的對(duì)策是在保持架上實(shí)施特殊的涂覆工藝，降低滑動(dòng)部位的摩擦熱，提高耐磨損性。據(jù)報(bào)道，相比傳統(tǒng)的滾針軸承(保持架：對(duì)鉻鉬鋼實(shí)施滲碳氮化處理)，新開發(fā)的滾針軸承小齒輪轉(zhuǎn)速可提高到原來的2倍。

2.2.2延長(zhǎng)行星軸的使用壽命

由于小齒輪的高轉(zhuǎn)速，以及處于貧油潤(rùn)滑狀態(tài)下的工作環(huán)境，行星齒輪機(jī)構(gòu)滾針軸承內(nèi)圈的行星軸也會(huì)處于高溫的狀態(tài)，而一旦達(dá)到高溫，軸心部殘留的奧氏體組織會(huì)發(fā)生熱分解。這樣，轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生熱塑性彎曲，并與滾動(dòng)體的端部發(fā)生強(qiáng)力接觸。其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致接觸表面壓力上升，進(jìn)而發(fā)展至軸承表面的初期剝離。此外，軸心部殘留的奧氏體組織具有提高耐久性和疲勞強(qiáng)度的作用。因此，為了使軸心部的殘留奧氏體更少，同時(shí)使軸表面層的殘留奧氏體更多，研究人員通過優(yōu)化材料及熱處理工藝，開發(fā)了能抑制熱塑性彎曲、提高耐久性和疲勞強(qiáng)度的技術(shù)。據(jù)報(bào)道，相比普通的SUJ2淬火回火材料，開發(fā)產(chǎn)品具有約4.5倍的超長(zhǎng)使用壽命(圖14)。

圖14　傳統(tǒng)產(chǎn)品與開發(fā)產(chǎn)品的使用壽命比較

2.3支承電動(dòng)機(jī)的軸承

關(guān)于支承電動(dòng)機(jī)的軸承，下文將介紹2種能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的新開發(fā)球軸承產(chǎn)品。

開發(fā)產(chǎn)品A通過優(yōu)化溝曲率等參數(shù)，降低了高轉(zhuǎn)速條件下的摩擦。并且，使?jié)L珠的位置偏置于軸承中心，通過確保保持架圓環(huán)部的壁厚，提高了保持架的剛性(圖15)。此外，隨著電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，流入的潤(rùn)滑油因離心力的作用，更易偏向流入外圈側(cè)。因此，設(shè)置控制板，以促使?jié)櫥土魅雰?nèi)圈側(cè)，從而確保了高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的潤(rùn)滑性(圖16)。據(jù)報(bào)道，新開發(fā)產(chǎn)品A在轉(zhuǎn)速達(dá)30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，并未發(fā)生熱膠粘或保持架損壞的情況(圖17)。

圖15　新開發(fā)產(chǎn)品A的優(yōu)點(diǎn)

圖16　傳統(tǒng)產(chǎn)品與新開發(fā)產(chǎn)品A的潤(rùn)滑油路徑

圖17　新開發(fā)產(chǎn)品A的試驗(yàn)結(jié)果

另一方面，開發(fā)產(chǎn)品B通過優(yōu)化軸承的內(nèi)部技術(shù)參數(shù)來抑制軸承的放熱，同時(shí)，還疊合2片相同形狀的樹脂保持架，以耐受作用于保持架的離心力，提高了剛性。此外，還在保持架上設(shè)置凸緣，在軸承套圈上設(shè)置凸緣槽，以限制潤(rùn)滑油的流入量，力求降低潤(rùn)滑油的流動(dòng)阻力，并抑制高轉(zhuǎn)速下的升溫(圖18)。據(jù)報(bào)道，新開發(fā)產(chǎn)品B在轉(zhuǎn)速達(dá)30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，也未出現(xiàn)熱膠粘或保持架破損等故障(圖19)。

圖18　新開發(fā)產(chǎn)品B的優(yōu)點(diǎn)

3結(jié)語

本文介紹了近年來動(dòng)力傳動(dòng)裝置中滾動(dòng)軸承的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向。今后，預(yù)計(jì)對(duì)汽車動(dòng)力傳動(dòng)裝置中軸承的小型輕量化及低摩擦需求仍會(huì)不斷增加。因此，要求針對(duì)不同的使用部位，實(shí)施優(yōu)化的軸承研發(fā)和設(shè)計(jì)。今后，滾動(dòng)軸承的技術(shù)將會(huì)對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性做出積極貢獻(xiàn)。

彭惠民譯自トライボロジスト，2014，59(11)

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

(收稿日期：2015-06-23)