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NTN第3代低摩擦輪轂軸承Ⅲ的開發

NTN開發輪轂軸承超過40年,汽車輪轂軸承的市場份額占比也比較大,之前我們介紹過該公司輪轂軸承的發展曆程,其中第3代低摩擦輪轂軸承Ⅲ是近幾年開發應用的新品,為了應對低摩擦力矩的要求,通過潤滑和密封技術的改進,使低摩擦輪轂軸承Ⅲ與常規產品相比,轉矩減小了62%。下麵詳細介紹低摩擦輪轂軸承Ⅲ在潤滑和密封上做了哪些優化。


1、低轉矩輪轂軸承介紹

1.1 輪轂軸承的結構和影響轉矩的因素

第3代輪轂軸承的結構示例如圖1所示。

圖1 第3代輪轂軸承的結構示例

輪轂軸承的轉矩由軸承的滾動阻力和密封(外部密封和內部密封)的滑動阻力組成,各占約50%。影響輪轂軸承轉矩的各種因素如圖2所示,各種減摩技術包括:優化軸承結構參數、改進軸承內部潤滑脂來減少滾動阻力;改進密封橡膠材料、優化密封結構和密封過盈量來減少滑動阻力。

圖2 軸承轉矩的影響因素

1.2 低摩擦輪轂軸承的演變

為減小轉矩,NTN的輪轂軸承已演變為低摩擦輪轂軸承Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ。演變概況見表1,相對於常規產品的轉矩減小比如圖3所示。

表1 低摩擦輪轂軸承的演變

圖3 力矩減小的發展演變

與常規產品相比,新開發的低摩擦輪轂軸承Ⅲ的轉矩減小了62%。通過應用之前開發的技術參數和新開發的潤滑脂(改進了低摩擦輪轂軸承Ⅱ的內部潤滑脂)來實現轉矩的減小。


2、潤滑脂的開發

2.1 新潤滑脂的功能要求和技術參數

對輪轂軸承的內部潤滑脂除了要求低摩擦外,還要求具有以下功能:

1)在輪轂軸承的載荷、溫度和轉速條件下通過提供充足油膜和防止卡咬,從而保持長使用壽命;

2)低溫下優異的抗微動磨損性能;

3)良好的防鏽性和防滲漏性。

基於上述要求,新潤滑脂的技術參數按表2的思路確定。

表2 新潤滑脂的開發思路

2.1.1 在保持軸承使用壽命的同時減小摩擦

球與溝道之間的滾動接觸點也包括滑動的因素。因此,采用低運動黏度小拖動係數基礎油的潤滑脂來減小由滑動引起的摩擦。


當潤滑脂基礎油運動黏度降低時,油膜不足的風險增加,這種權衡條件,可能會導致溝道損傷。當軸承溫度升高和潤滑脂基礎油黏度進一步降低時,在重載條件下尤需注意。采用具有小拖動係數的基礎油控製局部升溫,以保持足夠的油膜厚度和高黏度指數提高抗蒸發性和抗氧化性,確保在重載區域的長期潤滑性,使其使用壽命等同或優於常規產品。


2.1.2 低溫下的抗微動磨損性能

新製造的車輛在鐵路貨車上進行長途運輸時,輪轂軸承的溝道與球之間會產生微小振動。如圖4中的箭頭所示,振動會擠壓出溝道與球之間的潤滑脂,產生金屬與金屬接觸,導致微動磨損。在潤滑脂趨於變硬和流動性降低的低溫條件下,微動磨損更明顯。在這種情況下駕駛車輛可能會產生異常聲。

圖4 產生微動磨損的機理

為了確保潤滑脂在低溫下的流動性,采用了低傾點基礎油,並對增稠劑添加劑進行了優化,從而提高了低溫下的抗微動磨損性能。


2.2 評價試驗

填充新潤滑脂且去掉帶有橡膠唇的密封件,對輪轂軸承進行了轉矩試驗。


結果如圖5所示。與常規產品(最初的第3代輪轂軸承)相比,轉矩減小比達到56%,驗證了改進軸承內部潤滑脂後減少滾動阻力的效果。

圖5 轉矩試驗(室溫)

還進行了可靠性評價試驗,以驗證所需的功能,見表3。填充新潤滑脂的軸承滿足了試驗項目的所有開發目標,實現了軸承內部潤滑脂所要求的所有功能。

表3 軸承內部潤滑脂可靠性評價試驗

注:1、轉彎載荷:0.6 G;2、轉速條件:車速200 km/ h;3、-20 ℃環境下的微動磨損試驗。


3、密封的開發

第3代輪轂軸承常規密封和低摩擦密封采用的外部密封和內部密封的結構對比如圖6所示。

圖6 常規密封和低摩擦密封的結構

一般用3個接觸唇確保必要的保護,以防止泥水滲入。而低摩擦密封使用較少的接觸唇來進一步減摩。通過引入迷宮結構和精心設計唇形來避免由於減少密封唇而導致的耐泥水性降低。


減小摩擦不僅是由於結構,還由於具有低摩擦因數的橡膠材料唇接觸表麵的優化設計唇部用脂。與常規產品相比,這些產品的密封轉矩減小了70%,如圖7所示。

圖7 密封轉矩試驗(室溫)


4、低摩擦輪轂軸承Ⅲ

將新開發的軸承潤滑脂與低摩擦密封相結合,該軸承的轉矩比如圖8所示。通過減少滾動阻力以及內部密封和外部密封的滑動阻力,輪轂軸承的轉矩減小了62%。

圖8 輪轂軸承的轉矩比示例

輪轂軸承主要功能要求的性能評價如圖9所示。

圖9 性能評價圖

結果表明,開發產品在所有功能要求上都等同或優於常規產品。由於該開發產品在低溫下的抗微動磨損性能有了顯著提高,因此在更惡劣環境下也會有更多應用。此外,低摩擦輪轂軸承Ⅲ通過縮小預載荷範圍來減小和穩定轉矩,從而降低預載荷上限

(參考文獻略)

Low Friction Hub Bearing Ⅲ

來源:《NTN TECHNICAL REVIEW》,2019 (87):63-67.

作者:Makoto SEKI

翻譯:李博璐  校對:頓亞坤

整理、排版:軸承雜誌社



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