摩擦學(xué)與節(jié)能環(huán)保

1、摩擦學(xué)與節(jié)能環(huán)保2008年的北京奧運(yùn)、2010年的上海世博會(huì)，這一切都給中國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了光明、廣闊的前景。然而，經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展伴隨著龐大的能源消耗之同時(shí)，中國(guó)的能源使用效率及國(guó)民的節(jié)能、環(huán)保意識(shí)還較低。因此，2010年以后，中國(guó)最大的危機(jī)之一是能源和環(huán)境污染，這絕不是危言聳聽(tīng)。1966年，摩擦學(xué)(Tribology)一詞在英國(guó)誕生，它是摩擦、磨損與潤(rùn)滑科學(xué)的總稱。摩擦學(xué)是研究摩擦與磨損過(guò)程中兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的相互作用、變化與其有關(guān)的理論與實(shí)踐的一門科學(xué)。摩擦引起能量的轉(zhuǎn)換，磨損則導(dǎo)致表面損壞和材料損耗，而潤(rùn)滑是降低摩擦和減少磨損的最有效措施。摩擦學(xué)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中對(duì)能源節(jié)約的作用舉足輕

2、重。如圖所示，機(jī)械（機(jī)器）是由許多相對(duì)運(yùn)動(dòng)的要素（單元）構(gòu)成的，這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的要素（單元）構(gòu)成多個(gè)摩擦副，而每個(gè)摩擦副都是由相互接觸的物體A、物體B、介于A、B之間的介質(zhì)C以及環(huán)繞A、B、C的氣氛D構(gòu)成的。所有產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都可歸結(jié)為物體A、物體B和介質(zhì)C的開(kāi)發(fā)，以及對(duì)氣氛D的控制。1970年，英國(guó)Jost教授等人發(fā)表了著名的Jost報(bào)告。他的主要內(nèi)容是，摩擦學(xué)技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中對(duì)節(jié)約能源所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果。1977年，美國(guó)海軍研究所、能源部、美國(guó)機(jī)械學(xué)會(huì)（ASME）等聯(lián)合按照J(rèn)ost的方法，就摩擦學(xué)技術(shù)的開(kāi)發(fā)對(duì)全美能源消耗的經(jīng)濟(jì)節(jié)約效果進(jìn)行了推算，認(rèn)為可節(jié)約全美能源消耗總量的11%，約160億美元，

3、占GNP的。1981年根據(jù)石油價(jià)格的變動(dòng)，他們又進(jìn)行了修正，認(rèn)為可節(jié)約能源費(fèi)約210億美元，占GNP的 。近幾年，日本按照J(rèn)ost的方法，進(jìn)行了同樣的推算，認(rèn)為可節(jié)約能源費(fèi)約13兆日元。據(jù)此可知，摩擦學(xué)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中對(duì)節(jié)約能源所處的舉足輕重的地位。推進(jìn)節(jié)能，實(shí)現(xiàn)環(huán)保，需要從以下三個(gè)方面著手：(1) 政府的政策、法律法規(guī)的健全化和正確引導(dǎo)。(2) 企業(yè)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，企業(yè)自身產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)的開(kāi)發(fā)是主要的。(3) 全民節(jié)能、環(huán)保意識(shí)的提高。NSK（日本精工）的產(chǎn)品，無(wú)論是傳統(tǒng)的軸承、還是領(lǐng)先世界的汽車零部件，都傾注了NSK對(duì)環(huán)保的滿腔熱情。下面以半環(huán)形無(wú)級(jí)變速器（Half Toroidal CVT

4、）及無(wú)憂運(yùn)轉(zhuǎn)向顧客提供整套解決方案為例，介紹NSK在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中使用的摩擦學(xué)技術(shù)及貫徹的節(jié)能、環(huán)保理念。NSK節(jié)能 環(huán)保新產(chǎn)品半環(huán)形無(wú)級(jí)變速器的開(kāi)發(fā)如圖所示，半環(huán)形無(wú)級(jí)變速器（Half Toroidal CVT）是一種典型的摩擦傳動(dòng)，它是通過(guò)改變夾在輸出圓盤和輸入圓盤之間的動(dòng)力滾子中心軸的傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、順暢、連續(xù)無(wú)級(jí)差變速的新型變速器。人類開(kāi)發(fā)CVT的歷史可追溯到1877年，100年后的1978年，NSK開(kāi)始正式立項(xiàng)研發(fā)。整整用了21年的時(shí)間，終于率先研制成功并批量生產(chǎn)，現(xiàn)已成功地使用在日本尼桑公司(Nissan)生產(chǎn)的天際線（Skyline）、公爵（Cedric）、榮耀（Gloria）等高檔

5、轎車中。它使用的是一種由NSK等共同開(kāi)發(fā)的特殊潤(rùn)滑油,這種潤(rùn)滑油能夠在高壓下固化形成厚度約為1/1000mm左右的玻璃狀薄膜，借助這種油膜的剪切應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)力傳遞。與傳統(tǒng)的變速器相比,CVT實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)級(jí)差變速，使換擋過(guò)程不僅平穩(wěn)、順暢、安靜,而且效率高，油耗低，并大大降低了有害氣體的排放,有利于節(jié)能和環(huán)保，是一種劃時(shí)代的新型變速器。由于輸入（輸出）圓盤與動(dòng)力滾子接觸區(qū)內(nèi)的接觸應(yīng)力很高，高應(yīng)力條件下材料表面的疲勞剝落是造成零件或部件損壞的主要原因。為了解決這個(gè)問(wèn)題，NSK開(kāi)發(fā)了超高純凈度鋼CVT鋼，同時(shí)采用特殊熱處理技術(shù),使材料在高負(fù)荷、高溫、高速等惡劣環(huán)境下依然具有長(zhǎng)壽命和高可靠性。在

6、CVT的設(shè)計(jì)過(guò)程中,NSK采用其獨(dú)特的解析技術(shù),對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、摩擦、發(fā)熱等進(jìn)行模擬數(shù)值解析,來(lái)確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)利用先進(jìn)的摩擦學(xué)試驗(yàn)技術(shù),對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)并投入批量生產(chǎn)。正是依靠在材料、潤(rùn)滑、解析、試驗(yàn)等摩擦學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的突破,結(jié)合精湛的軸承制造技術(shù),才使得NSK能夠不斷開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)壽命、高精度、高可靠性，同時(shí)又具有節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)的新產(chǎn)品（圖）。 無(wú)憂運(yùn)轉(zhuǎn)為客戶提供整套解決方案解決方案軸承作為支承機(jī)械和使機(jī)器圖 NSK產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要零件，其使用性能對(duì)整機(jī)的性能和運(yùn)行成本產(chǎn)生重要影響。除了軸承自身的品質(zhì)之外，正確安裝、合理潤(rùn)滑和

7、良好密封是提高軸承使用性能并降低主機(jī)壽命周期成本的重要條件。 如圖所示，主機(jī)的壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost) 由軸承的初期采購(gòu)成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本三部分構(gòu)成。NSK不僅是軸承產(chǎn)品供應(yīng)商（ProductProvider），更是整套解決方案的提供商(Solution Provider)。NSK不僅及時(shí)向顧客提供高品質(zhì)的軸承，而且向顧客提供包括軸承安裝、拆卸專用工具、專用潤(rùn)滑脂、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)(振動(dòng)、噪音、溫升）監(jiān)測(cè)儀器等在內(nèi)的整套解決方案，降低了軸承運(yùn)行成本，延長(zhǎng)了軸承壽命周期時(shí)間，從而將主機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本及停機(jī)維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間降為最低，使客戶的設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)憂運(yùn)轉(zhuǎn)（圖）

8、。因此，圖中方案(2)雖然軸承的初期采購(gòu)成本較高，但降低了主機(jī)的壽命周期成本，能為顧客獲得利潤(rùn)，直接或間接的節(jié)省了資源和能源。  NSK作為軸承及汽車零部件制造業(yè)的領(lǐng)先者之一，憑借其90年來(lái)積累的摩擦學(xué)技術(shù)，不斷開(kāi)發(fā)出既滿足市場(chǎng)需求，又節(jié)能、環(huán)保的新產(chǎn)品。汽車科技（35）-CVT 手/自一體變速器    CVT變速器在任何車速下都能發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)理想的最佳效率，重量輕體積小、燃油經(jīng)濟(jì)性好，CVT還具有手/自一體排檔功能，既實(shí)惠又浪漫    CVT（Continuously Variable Transmission）

9、變速器在面世36年后還在努力證明自己是傳統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)變速器之外的一種選擇，但重點(diǎn)已經(jīng)改變了，CVT的爭(zhēng)辯已經(jīng)很少涉及技術(shù)性能可靠性和高扭矩，更多的關(guān)注焦點(diǎn)是工業(yè)化論點(diǎn)，如物理特性、消費(fèi)者接受能力、制造復(fù)雜性、與其他技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)能力等等。CVT最早是在上世紀(jì)60代末期由荷蘭人Van Doorne首先將其安裝在DAF車上。自此Van Doorne也成為了CVT的主角。    奧迪Multitronic CVT變速器示意    廣州本田飛度匹配CVT變速器的動(dòng)力總成    CVT的核心結(jié)構(gòu)  

10、  CVT與傳統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)完全不同，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)不是齒輪，而是以兩個(gè)可改變直徑的傳動(dòng)輪中間套上傳動(dòng)帶來(lái)傳遞扭矩。CVT的核心就是那條皮帶，正是它傳輸著扭矩并無(wú)級(jí)地改變著速比。今天CVT皮帶主要分為兩種鋼帶和鏈條。Van Doorne的鋼帶是由數(shù)百片扁平的小鋼片組成的。LuK的皮帶則更像傳統(tǒng)的鏈條，通過(guò)銷子穿在一起，與Van Doorne的鋼帶相比能夠傳遞更多的扭矩。Van Doorne制造的鋼帶占有世界91%的市場(chǎng)，福特、戴-克、菲亞特、多數(shù)日本制造商、變速器專家ZF全都使用Van Doorne提供的鋼帶。它的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手就是德國(guó)的LuK，LuK將鏈條提供給奧迪。LuK

11、鏈條雖只占有市場(chǎng)的8%，但是它卻占有大型CVT轎車一半以上的市場(chǎng)那些能產(chǎn)生250Nm以上扭矩的CVT變速器。    除了以上鋼帶、鏈條式CVT，還有一種套筒式CVT，在壓力的作用下，通過(guò)滾筒接觸點(diǎn)的改變來(lái)改變速比，如日本精工(NSK)的半環(huán)形無(wú)級(jí)變速器（Half Toroidal CVT）。    Multitronic變速比皮帶輪及鏈條      CVT怎樣工作    CVT不像手動(dòng)變速器有幾套固定傳動(dòng)比的齒輪，而是使用兩套可調(diào)半徑的皮帶輪，用一根柔性皮帶相連接。

12、通過(guò)皮帶輪半徑的改變來(lái)調(diào)節(jié)傳動(dòng)比。在起動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)皮帶輪的半徑要小，在高速時(shí)則相反。    CVT基本原理是將傳動(dòng)帶兩頭各繞在一個(gè)錐形輪盤上，輪盤的外徑大小無(wú)級(jí)地變化，便使兩個(gè)輪盤之間產(chǎn)生從“大比小”到“小比大”的傳動(dòng)比變化，由此實(shí)現(xiàn)變速。早期的CVT對(duì)變速的控制是機(jī)械式的，以傳動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力驅(qū)動(dòng)皮帶輪左右兩半接近或分離來(lái)改變速比。今天主要是電子控制皮帶輪直徑，速比的改變完全由電腦控制。過(guò)去傳動(dòng)帶是以皮帶制作，皮帶不但本身能承受的拉力有限，而且它和錐輪容易發(fā)生打滑。所以早期的CVT變速箱能承受的扭矩較小。自從鋼帶和鏈條出現(xiàn)后才有所改變，如奧迪的Multitro

13、nic無(wú)級(jí)變速器采用Luk公司的鏈條，它可以承受350Nm以上的扭矩，從2000年開(kāi)始它已裝配在奧迪上。     奧迪Multitronic變速器剖視圖    多數(shù)CVT都設(shè)有手動(dòng)模式，提供手/自動(dòng)一體化的功能。由于CVT理論上有無(wú)數(shù)種速比，車廠在CVT上設(shè)置的手動(dòng)換檔模式是用電腦程序?qū)⒄麄€(gè)傳動(dòng)范圍劃分成幾段，然后按預(yù)設(shè)的段落一段一段地去變換傳動(dòng)比，如南京菲亞特派里奧Speedgear設(shè)置了6個(gè)檔位，奧迪A6也設(shè)定了6個(gè)檔位。手排檔主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和超車。    CVT變速器的特點(diǎn)CVT變速器

14、與其它手/自一體變速器不同，要想快速駕駛就要選用自動(dòng)模式。以CVT變速箱的自動(dòng)模式加速，可以全程保持在發(fā)動(dòng)機(jī)扭力輸出最高的轉(zhuǎn)速，不會(huì)有動(dòng)力波動(dòng)和換檔真空期，因此是加速最快的。手動(dòng)模式不能完全利用發(fā)動(dòng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速，加上換檔耗費(fèi)時(shí)間，所以加速慢。使用CVT需要注意斜坡溜車。不少CVT變速箱在動(dòng)力接合的初段會(huì)發(fā)生打滑，所以CVT在較陡的斜坡起步時(shí)要以手剎輔助。起步時(shí)鏈條打滑會(huì)導(dǎo)致起步提速慢。    奔馳A級(jí)車CVT變速器剖視圖    CVT的優(yōu)點(diǎn): 節(jié)省燃油、在任何車速均可獲取理想發(fā)動(dòng)機(jī)效率、重量輕體積小。CVT最大的優(yōu)勢(shì)是速比的改變過(guò)程是無(wú)

15、級(jí)地進(jìn)行，乘客不會(huì)感覺(jué)到換檔沖擊，動(dòng)力銜接平順，這令CVT行車更舒服，加速也會(huì)比逐級(jí)換檔快。由于行車中減少了轉(zhuǎn)速的不必要波動(dòng)，對(duì)省油也大有幫助。    新技術(shù)已經(jīng)解決了CVT的一些短處。自從堅(jiān)硬的鋼連式皮帶代替了橡膠皮帶后，CVT的耐久性和可靠性有了質(zhì)的飛躍，同時(shí)提高了最大傳輸扭矩; VDT（ Van Doorne Transmissie）新式鋼帶能夠傳輸超過(guò)250Nm的扭矩，LuK鏈條能傳輸350Nm。但CVT還是存在缺點(diǎn)，如低生產(chǎn)量增加了制造成本、與眾不同的外形增加了整車設(shè)計(jì)難度、駕駛者缺少運(yùn)動(dòng)感覺(jué)。    日產(chǎn)公司選擇的半環(huán)形CVT無(wú)級(jí)變速器    日本精工(NSK)半環(huán)形CVT無(wú)級(jí)變速器    CVT前景看好由非主流到主流排檔技術(shù)    CVT前景看好。Van Doorne看到了CVT巨大的前景: 2002年生產(chǎn)了100萬(wàn)條鋼帶，計(jì)劃到2010年能生產(chǎn)200萬(wàn)臺(tái)CVT變速器鋼帶。但其他人并沒(méi)有分享這份熱情: 通用已經(jīng)決定停產(chǎn)CVT，以減少變速器制造的復(fù)雜性; 寶馬也宣稱下一代Mini將放棄CVT，而采用傳統(tǒng)自動(dòng)變速器; 在德國(guó)銷售的Mini Cooper中CVT只占8.4%。而另一些制造商將C