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NTN第3代低摩擦轮毂轴承Ⅲ的开发

NTN开发轮毂轴承超过40年,汽车轮毂轴承的市场份额占比也比较大,之前我们介绍过该公司轮毂轴承的发展历程,其中第3代低摩擦轮毂轴承Ⅲ是近几年开发应用的新品,为了应对低摩擦力矩的要求,通过润滑和密封技术的改进,使低摩擦轮毂轴承Ⅲ与常规产品相比,转矩减小了62%。下面详细介绍低摩擦轮毂轴承Ⅲ在润滑和密封上做了哪些优化。


1、低转矩轮毂轴承介绍

1.1 轮毂轴承的结构和影响转矩的因素

第3代轮毂轴承的结构示例如图1所示。

图1 第3代轮毂轴承的结构示例

轮毂轴承的转矩由轴承的滚动阻力和密封(外部密封和内部密封)的滑动阻力组成,各占约50%。影响轮毂轴承转矩的各种因素如图2所示,各种减摩技术包括:优化轴承结构参数、改进轴承内部润滑脂来减少滚动阻力;改进密封橡胶材料、优化密封结构和密封过盈量来减少滑动阻力。

图2 轴承转矩的影响因素

1.2 低摩擦轮毂轴承的演变

为减小转矩,NTN的轮毂轴承已演变为低摩擦轮毂轴承Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ。演变概况见表1,相对于常规产品的转矩减小比如图3所示。

表1 低摩擦轮毂轴承的演变

图3 力矩减小的发展演变

与常规产品相比,新开发的低摩擦轮毂轴承Ⅲ的转矩减小了62%。通过应用之前开发的技术参数和新开发的润滑脂(改进了低摩擦轮毂轴承Ⅱ的内部润滑脂)来实现转矩的减小。


2、润滑脂的开发

2.1 新润滑脂的功能要求和技术参数

对轮毂轴承的内部润滑脂除了要求低摩擦外,还要求具有以下功能:

1)在轮毂轴承的载荷、温度和转速条件下通过提供充足油膜和防止卡咬,从而保持长使用寿命;

2)低温下优异的抗微动磨损性能;

3)良好的防锈性和防渗漏性。

基于上述要求,新润滑脂的技术参数按表2的思路确定。

表2 新润滑脂的开发思路

2.1.1 在保持轴承使用寿命的同时减小摩擦

球与沟道之间的滚动接触点也包括滑动的因素。因此,采用低运动黏度小拖动系数基础油的润滑脂来减小由滑动引起的摩擦。


当润滑脂基础油运动黏度降低时,油膜不足的风险增加,这种权衡条件,可能会导致沟道损伤。当轴承温度升高和润滑脂基础油黏度进一步降低时,在重载条件下尤需注意。采用具有小拖动系数的基础油控制局部升温,以保持足够的油膜厚度和高黏度指数提高抗蒸发性和抗氧化性,确保在重载区域的长期润滑性,使其使用寿命等同或优于常规产品。


2.1.2 低温下的抗微动磨损性能

新制造的车辆在铁路货车上进行长途运输时,轮毂轴承的沟道与球之间会产生微小振动。如图4中的箭头所示,振动会挤压出沟道与球之间的润滑脂,产生金属与金属接触,导致微动磨损。在润滑脂趋于变硬和流动性降低的低温条件下,微动磨损更明显。在这种情况下驾驶车辆可能会产生异常声。

图4 产生微动磨损的机理

为了确保润滑脂在低温下的流动性,采用了低倾点基础油,并对增稠剂添加剂进行了优化,从而提高了低温下的抗微动磨损性能。


2.2 评价试验

填充新润滑脂且去掉带有橡胶唇的密封件,对轮毂轴承进行了转矩试验。


结果如图5所示。与常规产品(最初的第3代轮毂轴承)相比,转矩减小比达到56%,验证了改进轴承内部润滑脂后减少滚动阻力的效果。

图5 转矩试验(室温)

还进行了可靠性评价试验,以验证所需的功能,见表3。填充新润滑脂的轴承满足了试验项目的所有开发目标,实现了轴承内部润滑脂所要求的所有功能。

表3 轴承内部润滑脂可靠性评价试验

注:1、转弯载荷:0.6 G;2、转速条件:车速200 km/ h;3、-20 ℃环境下的微动磨损试验。


3、密封的开发

第3代轮毂轴承常规密封和低摩擦密封采用的外部密封和内部密封的结构对比如图6所示。

图6 常规密封和低摩擦密封的结构

一般用3个接触唇确保必要的保护,以防止泥水渗入。而低摩擦密封使用较少的接触唇来进一步减摩。通过引入迷宫结构和精心设计唇形来避免由于减少密封唇而导致的耐泥水性降低。


减小摩擦不仅是由于结构,还由于具有低摩擦因数的橡胶材料唇接触表面的优化设计唇部用脂。与常规产品相比,这些产品的密封转矩减小了70%,如图7所示。

图7 密封转矩试验(室温)


4、低摩擦轮毂轴承Ⅲ

将新开发的轴承润滑脂与低摩擦密封相结合,该轴承的转矩比如图8所示。通过减少滚动阻力以及内部密封和外部密封的滑动阻力,轮毂轴承的转矩减小了62%。

图8 轮毂轴承的转矩比示例

轮毂轴承主要功能要求的性能评价如图9所示。

图9 性能评价图

结果表明,开发产品在所有功能要求上都等同或优于常规产品。由于该开发产品在低温下的抗微动磨损性能有了显著提高,因此在更恶劣环境下也会有更多应用。此外,低摩擦轮毂轴承Ⅲ通过缩小预载荷范围来减小和稳定转矩,从而降低预载荷上限

(参考文献略)

Low Friction Hub Bearing Ⅲ

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

作者:Makoto SEKI

翻译:李博璐  校对:顿亚坤

整理、排版:轴承杂志社



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