汽車軸承技術及其發(fā)展動向

1、 1000 - 3762 41 - 1148 /軸承2009年Bearing 2009 , 758 - 63汽車軸承技術及其發(fā)展動向李尚勇1,2 ,宋麗3 ,鄧四二1( 河南科技大學 ,河南 洛陽471003; 洛陽軸研科技股份 ,河南 洛陽471039;上海市軸承技術研究所,上海200031)摘要 :針對汽車關鍵部位及其所用軸承的發(fā)展現(xiàn)狀 ,介紹了為適應汽車主機的發(fā)展,配套軸承所進行的結構優(yōu) 化改進,以及新技術,概述了汽車軸承高速重載,小型化,輕量化,單元化,高可靠性及長 壽命等方向發(fā)展的趨勢。關鍵詞:汽車軸承;技術水平;現(xiàn)狀;發(fā)展方向中圖分類號 : 33; U463文獻標志碼 :B文章編號

2、 : 1000 - 3762 ( 2009) 07 - 0058 - 061 汽車關鍵零部件的發(fā)展動向1 發(fā)動機發(fā)動機是汽車提高效率 件?，F(xiàn)代發(fā)動機的發(fā)展趨勢是:油電混合動力系統(tǒng)驅動、 高可靠性 術發(fā)展方向是:汽油機改柴油機凸輪軸頂置 (DOHC) (VTEC) 機V形排列及電動車力車。2 傳動系。 離合器是汽車中動力傳遞的第一個部件,具 有中斷動力傳遞,要求其接觸柔 和。離合器根據傳動介質 的不同可以分為摩擦式離合器 磁離合器。汽車上常用的是摩擦式離合器,液力 式和電磁式雖然無離合器踏板,但液力 式傳動效率低,且加速,電磁式結構 復雜,故這兩種在逐漸改進。汽車的發(fā) 展又對離合器提出了小型化可

3、靠性的要求。變速器在汽車中起到改變轉速和扭矩及實現(xiàn)倒駛的作用,對變速器的一般要求是換擋平順 靠,現(xiàn)又有小型化 動變速器大多都是采用液力變矩器,又稱為無離 合器變速器,因其具有操作方便收稿日期 : 2008 - 11 - 13;修回日期 : 2008 - 12 - 28沖擊小等優(yōu)點,其應用也日益廣泛。 傳動軸是將動力傳遞到車軸的傳動件,其兩端的萬向節(jié)是研究的重點,要求具有高的等速性、 可靠性及高的機械效率。3 行駛系, 擔負著汽車行駛及安全的重任,對此有高效、 。4 轉向系轉向系是汽車中確保行駛方向和軌跡的部分, (轉彎半徑小) 等。5 制動系制動系安全可靠和低噪聲是其發(fā)展趨勢 動器從結構上可以

4、分為鼓式制動器和盤式制動器 兩種,傳統(tǒng)車輛上使用的是鼓式制動器。盤式制 動器制動效能穩(wěn)定 小,使用日益廣泛,但價格較高。 ,也有前 后均使用盤式制動器的。防抱死制動系統(tǒng) (Anti - B rake , ABS)是發(fā)展的主流。由于現(xiàn)代汽車的速度越來越 高,車輪抱死所帶來的嚴重后果引起了人們的普遍關注。如果前輪或四輪抱死,則會轉向失靈,沿原方向行駛,如果只是后輪抱死,則可能出現(xiàn)擺尾。ABS系統(tǒng)包括車速傳感器、 計算機控制單元。綜上所述,汽車技術是朝著高速、 舒適低價格的方向發(fā)展。李尚勇等:汽車軸承技術及其發(fā)展動向592汽車軸承的現(xiàn)狀和發(fā)展1 發(fā)動機軸承1 發(fā)動機曲軸軸承和凸輪軸軸承 由于其溫度高

5、境特點及滾動軸承安裝不方便等原因,以往以滑 動軸承占據絕對的主導地位,僅有一些小功率發(fā) 動機和摩托車發(fā)動機采用密封球軸承。目前的汽 車發(fā)動機軸承,多數(shù)在改進軸承性能的前提下,采 用密封球軸承,并開發(fā)了新型密封圈和潤滑材料, 以及采用陶瓷套圈或陶瓷滾動體。2 張緊輪軸承 隨著發(fā)動機轉速和使用溫度的提高(轉速達18 r/m ,成為張緊輪軸承單元。該產品已從普通的 將搖動支點和安裝螺母都放置在滑輪內圓孔內,將 小型油壓式張緊器放置在滑輪內部,形成內置式自 ,對皮帶張力變化有著卓越跟隨功能,降低皮 、 鋁制外殼和高性能密封球軸承,大大降低了張緊輪 ,并可采用樹脂的可成型性做出合適的幾何形 狀本圖1,圖

6、2所示1 。圖 1 張緊輪軸承的結構原理3 水泵軸聯(lián)軸承 水泵軸承是在水滴飛濺的環(huán)境中工作期,大部分選用兩套單列密封球軸承,不利于實現(xiàn) 水泵的小型化量化,為此開發(fā)了水泵軸聯(lián)軸 承,其結構主要有:兩列球式和一列球一列滾子)式。由于軸承的內圈與水泵軸一體化, 使水泵軸承小型化成為可能 -球式結構中球 , 以提高軸承的承載能力和具有較小的軸向游隙3)。伴隨著發(fā)動機的高性能化,發(fā)動機的發(fā)熱量 增加,對水泵的要求也更加嚴格。所采用的對策 是:提高可靠性,改良軸承密封,輕量化。為了增 加水泵軸承的密封性,使用了甩水環(huán)和多唇密封 4) 2 。圖 4 水泵軸承的密封結構4 交流發(fā)電機軸承 由于發(fā)動機的高性能化

7、,對交流發(fā)電機要求607小型,要求軸承具有高溫 性能,出于環(huán)?？紤],內置怠速停止機構, 兼作交流發(fā)電機與啟動器的裝置正在開發(fā) 此,軸承的使用條件也在發(fā)生變化。通常,交流發(fā)電機是用V形帶驅動,交流發(fā)電 機軸承的裝配結構大致分為承受傳動皮帶載荷的前側軸承和電刷附近的后側軸承 5)。軸承主 要承受徑向力,軸承結構是具有高密封性能的長壽命密封深溝球軸承。要求軸承在轉速超過 20 000 r /m 180 的極限條件下可靠運轉、外圈和鋼球材料多采用高純潔度鋼,密封圈和保持架采用耐高溫高速的丙烯酸酯橡膠和尼龍 46,潤滑脂應具有耐溫在 - 40180,并應在高速條件下可靠潤滑。此外,伴隨著空調的小型化,對

8、軸承小型化的 要求隨之提高,為此,開發(fā)了各種型號的軸承,表2 所示為電磁離合器軸承的原始結構及變型結構。這些軸承是從 35BD5222 (雙列角接觸球軸承)發(fā) 展而來,根據不同主機對軸承的不同承載要求,對軸承的結構進行了優(yōu)化,通過減小軸向尺寸形成了35BD5212和 BY35 (四點接觸球軸承)兩種結構;通過減小軸承的徑向尺寸形成了35BD4822和35BD4522兩種結構。在轎車,特別是經濟型轎車領域 ,這四種變型結構正逐步取代35BD5222。圖 5 汽車交流發(fā)電機軸承安裝示意圖公司已經研制出了耐高溫 。 5 空調壓縮機電磁離合器軸承(1)使用環(huán)境。汽車空調是通過發(fā)動機輔機 皮帶帶動皮帶輪

9、旋轉,進而驅動壓縮機工作的。 在皮帶輪內部使用能夠中斷和傳遞動力的電磁式離合器,發(fā)動機是連續(xù)工作的,僅在使用空調時才帶動壓縮機工作。電磁離合器裝用雙列角接觸球軸承,外圈旋轉。(2)主要特點。空調皮帶輪最高轉速7 00013 000 r /m in,最大徑向載荷 1 500 N,最大偏心量25 mm,軸承最高溫度 160 ,要求可靠性 更高的潤滑脂,NSK除采用高可靠性的潤滑脂之 外,還采用提高潤滑性能的軸向圓柱兜孔保持架 6)。該保持架將普通的單一球面塑料保持架兜孔的一部分變成圓柱面形狀,即使在旋轉時也 能經常向滾動體供給潤滑劑,NSK采用外 圈旋轉用的高性能接觸密封圈 ,表1為代表性的密 封

10、圈形式與性能3 。6 輔助裝置用皮帶輪單元 內置超越離合器的皮帶輪單元結構緊湊,重量輕,可以在發(fā)動機主軸轉速降低時,瞬間使被驅 動的輔助裝置與傳動系統(tǒng)脫開,從而有效解決曲 軸扭轉振動引起的皮帶振動噪聲大,磨損嚴重和 皮帶壽命降低的問題。如圖 7所示,在皮帶輪內安裝一套斜撐式滾子 離合器,皮帶輪內套與輔助裝置主軸通過平鍵或 花鍵進行聯(lián)結,向輔助裝置輸出扭矩。當皮帶輪 轉速大于皮帶輪內套與主軸轉速時,斜撐式滾子 離合器處于楔緊狀態(tài),此時皮帶通過皮帶輪 器,驅動輔助裝 置轉動;當皮帶輪轉速低于內套與主軸轉速時,斜李尚勇等:汽車軸承技術及其發(fā)展動向61撐式滾子離合器處于超越狀態(tài),皮帶輪將以低于 內套與

11、主軸的轉速轉動,但互不影響,避免了扭矩從輔助裝置主軸向皮帶的反向傳遞。表 2 空調壓縮機電磁離合器軸承11皮帶輪;2離器外圈;3滾子; 4持架; 5皮帶輪內套;6滾動承; 7,8擋圈圖7 皮帶輪單元的結構示意圖單元可以泛應用于汽車發(fā)動機的被驅動 輔助置,其適用于柴油機帶有歇缸功能的發(fā) 動機低怠轉速發(fā)動機帶有很高換擋沖擊的變 速箱發(fā)動機等。. 2 離合軸承. . 1 離器分離軸承 合器分離承根據分離系統(tǒng)的推式和拉式的不同,結上有一些別圖8和圖9)對傳統(tǒng) 的離器分離操系統(tǒng)與分離軸承的動力學分析 表明:在離器分離時,分離撥叉或分離控制杠桿 的冠接觸區(qū)域沿著與軸承的接觸面滑動,力的 作用面偏離軸承中心

12、線圖 10a和圖 10c,其中 圖 c, d分別為圖 a, b的局部放大圖) ,產生傾斜力 矩,使軸承發(fā)生傾斜,增大磨損,造成旋轉不穩(wěn)定 和操力矩增加等不良后果如果將冠狀接觸面改放在分離套筒上,則接觸點隨套筒一同移動,使 結合力比較直接地傳送到軸承的幾何中心 10b, 10d) ,基本上消除所有的傾斜力矩。離合器分離軸承系在高轉速 ,且存在著發(fā)動機輸出軸與 ,因此其壽命不僅與額定載荷和極限轉速有關,而且密封性。常用的推力球軸承 心球軸承和角接觸球軸承一般不具有調心性,不能 滿足使用要求,目前的發(fā)展主流是自動調心軸承。 自動調心軸承可以消除由于旋轉軸偏心而引起的 ,也能提高分離軸承的 62711

13、)。同時分離軸承與套筒的一體化也有 。使用樹脂套筒可以減輕 12為部分自動調心 , 命,在離合器分離撥叉與套筒之間安裝一滾針軸 承,實現(xiàn)滑動摩擦滾動化13)。圖 13 離合器分離撥叉滾針軸承3 雙向離合器單元 雙向離合器單元是自動變速器中的重要組件,可以根據輸入件的傳動方向自動調節(jié)離合器 方向。由于在內圈保持架和外圈保持架中帶有左右對稱形狀的異形滾柱,離合器單元可以根據輸 入扭矩的方向很好地發(fā)揮其功能14)。2 離合器分離撥叉軸承 目前離合器分離撥叉與分離套筒之間普遍采用滑動接觸。為了減少滑動部分的摩擦和磨損,提高離合器踏板的操作靈活性和套筒的使用壽圖 14 CVT用雙向離合器單元雙向離合器單

14、元的特點:(1)只用一種形式的異形滾柱便可以實現(xiàn)正 向制動和反向制動。(2)根據輸入扭矩的方向,離合器的正向制動 和反向制動是機械式自動控制的。3 變速箱軸承變速箱是汽車中應用軸承最多的部位,有滾 針軸承。 這些軸承的工作轉速較高,且潤滑油中常含有雜質) ,使這些軸承的使用壽命大大縮短。李尚勇等:汽車軸承技術及其發(fā)展動向631 滾針軸承 滾針軸承應用在二軸與空套在其上的雙聯(lián)齒輪之間,其特點是:轉動時不受力,受力時不轉動。 當接合套與雙聯(lián)齒輪不接合時,齒輪與二軸之間有相對轉動,中間軸上的動力不通過該擋向二軸傳遞,滾針軸承不受力或受很小的力。當接合套與雙聯(lián)齒輪接合時,齒輪與二軸有相同的轉速,二者之

15、間無相對運動,滾針軸承隨著它們一起旋轉,中間軸上的動力通過接合套共同作用,將動力傳遞到二軸,此時,滾針受到交變應力作用,由于雙聯(lián)齒輪并無相對運動,故三者均會在同一部位受到交變應力作用,久而久之會形成壓痕,造成微震磨損。 為此,開發(fā)了一種滾針間距不等的滾針軸承,實用效果非常好,有效延長了軸及軸承的使用壽命。2 密封球軸承 現(xiàn)代汽車的功率在不斷的增大,轉速也在不斷提高,而各種結構又力圖小型化,這就 使變速箱原有的深溝球軸承的壽命遠遠不能滿足需求,主要是由于潤滑油中的碎屑等異物的入侵, 在溝道表面產生壓痕造成的。為了提高軸承的壽命,多采用密封球軸承。NSK公司開發(fā)的密封凈 化球軸承 15)使用壽命是相同條件下標準軸 承的6倍以上,且其外部尺寸改變不大,因此具有 較好的發(fā)展前景。,軸向固定簡單 定位元件) ,使用樹脂保持架,重量輕,成本低 4 圓錐滾子軸承 作為能承受高載荷和大的齒輪軸向分力的軸承,一般多采用圓錐滾子軸承。在結構上,圓錐滾 子軸承滾子端面和內圈大擋邊在承受接觸載荷的同時,相互間伴有滑動 18) ,所以比球軸承摩 擦力矩大,在傳遞效率或換擋操作性能方 面有缺點,開發(fā)了低摩擦力矩圓錐滾子軸 承,在中低速范圍內旋轉摩擦力矩約為原來