汽車(chē)軸承技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向

1、 1000 - 3762 41 - 1148 /軸承2009年Bearing 2009 , 758 - 63汽車(chē)軸承技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向李尚勇1,2 ,宋麗3 ,鄧四二1( 河南科技大學(xué) ,河南 洛陽(yáng)471003; 洛陽(yáng)軸研科技股份 ,河南 洛陽(yáng)471039;上海市軸承技術(shù)研究所,上海200031)摘要 :針對(duì)汽車(chē)關(guān)鍵部位及其所用軸承的發(fā)展現(xiàn)狀 ,介紹了為適應(yīng)汽車(chē)主機(jī)的發(fā)展,配套軸承所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu) 化改進(jìn),以及新技術(shù),概述了汽車(chē)軸承高速重載,小型化,輕量化,單元化,高可靠性及長(zhǎng) 壽命等方向發(fā)展的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:汽車(chē)軸承;技術(shù)水平;現(xiàn)狀;發(fā)展方向中圖分類(lèi)號(hào) : 33; U463文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :B文章編號(hào)

2、 : 1000 - 3762 ( 2009) 07 - 0058 - 061 汽車(chē)關(guān)鍵零部件的發(fā)展動(dòng)向1 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)提高效率 件。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是:油電混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、 高可靠性 術(shù)發(fā)展方向是:汽油機(jī)改柴油機(jī)凸輪軸頂置 (DOHC) (VTEC) 機(jī)V形排列及電動(dòng)車(chē)力車(chē)。2 傳動(dòng)系。 離合器是汽車(chē)中動(dòng)力傳遞的第一個(gè)部件,具 有中斷動(dòng)力傳遞,要求其接觸柔 和。離合器根據(jù)傳動(dòng)介質(zhì) 的不同可以分為摩擦式離合器 磁離合器。汽車(chē)上常用的是摩擦式離合器,液力 式和電磁式雖然無(wú)離合器踏板,但液力 式傳動(dòng)效率低,且加速,電磁式結(jié)構(gòu) 復(fù)雜,故這兩種在逐漸改進(jìn)。汽車(chē)的發(fā) 展又對(duì)離合器提出了小型化可

3、靠性的要求。變速器在汽車(chē)中起到改變轉(zhuǎn)速和扭矩及實(shí)現(xiàn)倒駛的作用,對(duì)變速器的一般要求是換擋平順 靠,現(xiàn)又有小型化 動(dòng)變速器大多都是采用液力變矩器,又稱(chēng)為無(wú)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(diǎn),其應(yīng)用也日益廣泛。 傳動(dòng)軸是將動(dòng)力傳遞到車(chē)軸的傳動(dòng)件,其兩端的萬(wàn)向節(jié)是研究的重點(diǎn),要求具有高的等速性、 可靠性及高的機(jī)械效率。3 行駛系, 擔(dān)負(fù)著汽車(chē)行駛及安全的重任,對(duì)此有高效、 。4 轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向系是汽車(chē)中確保行駛方向和軌跡的部分, (轉(zhuǎn)彎半徑小) 等。5 制動(dòng)系制動(dòng)系安全可靠和低噪聲是其發(fā)展趨勢(shì) 動(dòng)器從結(jié)構(gòu)上可以

4、分為鼓式制動(dòng)器和盤(pán)式制動(dòng)器 兩種,傳統(tǒng)車(chē)輛上使用的是鼓式制動(dòng)器。盤(pán)式制 動(dòng)器制動(dòng)效能穩(wěn)定 小,使用日益廣泛,但價(jià)格較高。 ,也有前 后均使用盤(pán)式制動(dòng)器的。防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (Anti - B rake , ABS)是發(fā)展的主流。由于現(xiàn)代汽車(chē)的速度越來(lái)越 高,車(chē)輪抱死所帶來(lái)的嚴(yán)重后果引起了人們的普遍關(guān)注。如果前輪或四輪抱死,則會(huì)轉(zhuǎn)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(chē)速傳感器、 計(jì)算機(jī)控制單元。綜上所述,汽車(chē)技術(shù)是朝著高速、 舒適低價(jià)格的方向發(fā)展。李尚勇等:汽車(chē)軸承技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向592汽車(chē)軸承的現(xiàn)狀和發(fā)展1 發(fā)動(dòng)機(jī)軸承1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承和凸輪軸軸承 由于其溫度高

5、境特點(diǎn)及滾動(dòng)軸承安裝不方便等原因,以往以滑 動(dòng)軸承占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位,僅有一些小功率發(fā) 動(dòng)機(jī)和摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)采用密封球軸承。目前的汽 車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承,多數(shù)在改進(jìn)軸承性能的前提下,采 用密封球軸承,并開(kāi)發(fā)了新型密封圈和潤(rùn)滑材料, 以及采用陶瓷套圈或陶瓷滾動(dòng)體。2 張緊輪軸承 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和使用溫度的提高(轉(zhuǎn)速達(dá)18 r/m ,成為張緊輪軸承單元。該產(chǎn)品已從普通的 將搖動(dòng)支點(diǎn)和安裝螺母都放置在滑輪內(nèi)圓孔內(nèi),將 小型油壓式張緊器放置在滑輪內(nèi)部,形成內(nèi)置式自 ,對(duì)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn) 水泵的小型化量化,為此開(kāi)發(fā)了水泵軸聯(lián)軸 承,其結(jié)構(gòu)主要有:兩列球式和一列球一列滾子)式。由于軸承的內(nèi)圈與水泵軸一體化, 使水泵軸承小型化成為可能 -球式結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)的高性能化,發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量 增加,對(duì)水泵的要求也更加嚴(yán)格。所采用的對(duì)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(jié)構(gòu)4 交流發(fā)電機(jī)軸承 由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能化

7、,對(duì)交流發(fā)電機(jī)要求607小型,要求軸承具有高溫 性能,出于環(huán)?？紤],內(nèi)置怠速停止機(jī)構(gòu), 兼作交流發(fā)電機(jī)與啟動(dòng)器的裝置正在開(kāi)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(jī)是用V形帶驅(qū)動(dòng),交流發(fā)電 機(jī)軸承的裝配結(jié)構(gòu)大致分為承受傳動(dòng)皮帶載荷的前側(cè)軸承和電刷附近的后側(cè)軸承 5)。軸承主 要承受徑向力,軸承結(jié)構(gòu)是具有高密封性能的長(zhǎng)壽命密封深溝球軸承。要求軸承在轉(zhuǎn)速超過(guò) 20 000 r /m 180 的極限條件下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)、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(rùn)滑脂應(yīng)具有耐溫在 - 40180,并應(yīng)在高速條件下可靠潤(rùn)滑。此外,伴隨著空調(diào)的小型化,對(duì)

8、軸承小型化的 要求隨之提高,為此,開(kāi)發(fā)了各種型號(hào)的軸承,表2 所示為電磁離合器軸承的原始結(jié)構(gòu)及變型結(jié)構(gòu)。這些軸承是從 35BD5222 (雙列角接觸球軸承)發(fā) 展而來(lái),根據(jù)不同主機(jī)對(duì)軸承的不同承載要求,對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,通過(guò)減小軸向尺寸形成了35BD5212和 BY35 (四點(diǎn)接觸球軸承)兩種結(jié)構(gòu);通過(guò)減小軸承的徑向尺寸形成了35BD4822和35BD4522兩種結(jié)構(gòu)。在轎車(chē),特別是經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)領(lǐng)域 ,這四種變型結(jié)構(gòu)正逐步取代35BD5222。圖 5 汽車(chē)交流發(fā)電機(jī)軸承安裝示意圖公司已經(jīng)研制出了耐高溫 。 5 空調(diào)壓縮機(jī)電磁離合器軸承(1)使用環(huán)境。汽車(chē)空調(diào)是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)輔機(jī) 皮帶帶動(dòng)皮帶輪

9、旋轉(zhuǎn),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作的。 在皮帶輪內(nèi)部使用能夠中斷和傳遞動(dòng)力的電磁式離合器,發(fā)動(dòng)機(jī)是連續(xù)工作的,僅在使用空調(diào)時(shí)才帶動(dòng)壓縮機(jī)工作。電磁離合器裝用雙列角接觸球軸承,外圈旋轉(zhuǎn)。(2)主要特點(diǎn)?？照{(diào)皮帶輪最高轉(zhuǎn)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(rùn)滑脂,NSK除采用高可靠性的潤(rùn)滑脂之 外,還采用提高潤(rùn)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(zhuǎn)時(shí)也 能經(jīng)常向滾動(dòng)體供給潤(rùn)滑劑,NSK采用外 圈旋轉(zhuǎn)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(nèi)置超越離合器的皮帶輪單元結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,可以在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速降低時(shí),瞬間使被驅(qū) 動(dòng)的輔助裝置與傳動(dòng)系統(tǒng)脫開(kāi),從而有效解決曲 軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的皮帶振動(dòng)噪聲大,磨損嚴(yán)重和 皮帶壽命降低的問(wèn)題。如圖 7所示,在皮帶輪內(nèi)安裝一套斜撐式滾子 離合器,皮帶輪內(nèi)套與輔助裝置主軸通過(guò)平鍵或 花鍵進(jìn)行聯(lián)結(jié),向輔助裝置輸出扭矩。當(dāng)皮帶輪 轉(zhuǎn)速大于皮帶輪內(nèi)套與主軸轉(zhuǎn)速時(shí),斜撐式滾子 離合器處于楔緊狀態(tài),此時(shí)皮帶通過(guò)皮帶輪 器,驅(qū)動(dòng)輔助裝 置轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)皮帶輪轉(zhuǎn)速低于內(nèi)套與主軸轉(zhuǎn)速時(shí),斜李尚勇等:汽車(chē)軸承技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向61撐式滾子離合器處于超越狀態(tài),皮帶輪將以低于 內(nèi)套與

11、主軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),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(diào)壓縮機(jī)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(nèi)套;6滾動(dòng)承; 7,8擋圈圖7 皮帶輪單元的結(jié)構(gòu)示意圖單元可以泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的被驅(qū)動(dòng) 輔助置,其適用于柴油機(jī)帶有歇缸功能的發(fā) 動(dòng)機(jī)低怠轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)帶有很高換擋沖擊的變 速箱發(fā)動(dòng)機(jī)等。. 2 離合軸承. . 1 離器分離軸承 合器分離承根據(jù)分離系統(tǒng)的推式和拉式的不同,結(jié)上有一些別圖8和圖9)對(duì)傳統(tǒng) 的離器分離操系統(tǒng)與分離軸承的動(dòng)力學(xué)分析 表明:在離器分離時(shí),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(dòng),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(chǎn)生傾斜力 矩,使軸承發(fā)生傾斜,增大磨損,造成旋轉(zhuǎn)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(diǎn)隨套筒一同移動(dòng),使 結(jié)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(zhuǎn)速 ,且存在著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與 ,因此其壽命不僅與額定載荷和極限轉(zhuǎn)速有關(guān),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(diào)心性,不能 滿足使用要求,目前的發(fā)展主流是自動(dòng)調(diào)心軸承。 自動(dòng)調(diào)心軸承可以消除由于旋轉(zhuǎn)軸偏心而引起的 ,也能提高分離軸承的 62711

13、)。同時(shí)分離軸承與套筒的一體化也有 。使用樹(shù)脂套筒可以減輕 12為部分自動(dòng)調(diào)心 , 命,在離合器分離撥叉與套筒之間安裝一滾針軸 承,實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)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(dòng)變速器中的重要組件,可以根據(jù)輸入件的傳動(dòng)方向自動(dòng)調(diào)節(jié)離合器 方向。由于在內(nèi)圈保持架和外圈保持架中帶有左右對(duì)稱(chēng)形狀的異形滾柱,離合器單元可以根據(jù)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(dòng)接觸。為了減少滑動(dòng)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(diǎn):(1)只用一種形式的異形滾柱便可以實(shí)現(xiàn)正 向制動(dòng)和反向制動(dòng)。(2)根據(jù)輸入扭矩的方向,離合器的正向制動(dòng) 和反向制動(dòng)是機(jī)械式自動(dòng)控制的。3 變速箱軸承變速箱是汽車(chē)中應(yīng)用軸承最多的部位,有滾 針軸承。 這些軸承的工作轉(zhuǎn)速較高,且潤(rùn)滑油中常含有雜質(zhì)) ,使這些軸承的使用壽命大大縮短。李尚勇等:汽車(chē)軸承技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向631 滾針軸承 滾針軸承應(yīng)用在二軸與空套在其上的雙聯(lián)齒輪之間,其特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不受力,受力時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)接合套與雙聯(lián)齒輪不接合時(shí),齒輪與二軸之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),中間軸上的動(dòng)力不通過(guò)該擋向二軸傳遞,滾針軸承不受力或受很小的力。當(dāng)接合套與雙聯(lián)齒輪接合時(shí),齒輪與二軸有相同的轉(zhuǎn)速,二者之

15、間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),滾針軸承隨著它們一起旋轉(zhuǎn),中間軸上的動(dòng)力通過(guò)接合套共同作用,將動(dòng)力傳遞到二軸,此時(shí),滾針受到交變應(yīng)力作用,由于雙聯(lián)齒輪并無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),故三者均會(huì)在同一部位受到交變應(yīng)力作用,久而久之會(huì)形成壓痕,造成微震磨損。 為此,開(kāi)發(fā)了一種滾針間距不等的滾針軸承,實(shí)用效果非常好,有效延長(zhǎng)了軸及軸承的使用壽命。2 密封球軸承 現(xiàn)代汽車(chē)的功率在不斷的增大,轉(zhuǎn)速也在不斷提高,而各種結(jié)構(gòu)又力圖小型化,這就 使變速箱原有的深溝球軸承的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求,主要是由于潤(rùn)滑油中的碎屑等異物的入侵, 在溝道表面產(chǎn)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(kāi)發(fā)的密封凈 化球軸承 15)使用壽命是相同條件下標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單 定位元件) ,使用樹(shù)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(jié)構(gòu)上,圓錐滾 子軸承滾子端面和內(nèi)圈大擋邊在承受接觸載荷的同時(shí),相互間伴有滑動(dòng) 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(diǎn),開(kāi)發(fā)了低摩擦力矩圓錐滾子軸 承,在中低速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)摩擦力矩約為原來(lái)