動力傳動裝置滾動軸承的技術發展動向

【日】　石橋豊

動力傳動裝置滾動軸承的技術發展動向

【日】石橋豊

摘要：近年來，對于汽車的動力傳動裝置，迫切要求開展改善燃油經濟性及減少廢氣排放等方面的研究。分別就動力傳動裝置的齒輪及轉軸用軸承、行星齒輪機構軸承、電動機支承軸承等，闡述其不同的工作環境及要求性能，介紹為滿足不同的性能要求所開展的軸承優化設計及相關的技術動向，以及為實現滾動軸承的小型輕量化、低摩擦化、長壽命化等采用的新技術和新工藝。

關鍵詞：動力傳動裝置滾動軸承性能工作環境燃油經濟性

0前言

近年來，作為應對相關能源政策及防止地球氣溫上升的途徑，改善汽車燃油經濟性、減少CO2排放的重要性正在日益增強。雖然為了減少汽車的CO2排放，電動車已逐漸投入運行，但至少在2020年以前，配裝內燃機的汽車(包括混合動力車)仍將是主流車型。因此，對于汽車的動力傳動裝置，也要求開展改善其燃油經濟性的研究。

汽車動力傳動裝置中包括了變速器和差速器。其中，變速器的種類呈現多樣化的趨勢，包括手動變速器(MT)、自動機械式變速器(AMT)、雙離合變速器(DCT)、有級式自動變速器(Step AT)、無級變速器(CVT)，以及混合動力專用變速器。因此，變速器及差速器中所使用的滾動軸承所處的工作環境及性能要求也是多樣化的。因此，為進一步改善汽車的燃油經濟性，要求針對不同的應用場合，對不同部位的滾動軸承實施優化設計。

本文以最近發表的技術文獻為基礎，針對動力傳動裝置中的滾動軸承，從改善燃油經濟性的觀點出發，對應用于不同部位滾動軸承的性能要求，以及為滿足這些性能要求所開發的軸承技術作簡單說明。

1不同部位軸承的性能要求

在動力傳動裝置中，大致在以下3種部位會使用滾動軸承：(1)支承齒輪及轉軸的軸承；(2)行星齒輪機構所用的軸承；(3)支承電動機的軸承。下文將從改善汽車燃油經濟性的觀點出發，對各部位滾動軸承的性能要求進行解說。

1.1支承齒輪及轉軸的滾動軸承

對于支承齒輪及轉軸的滾動軸承，一般要求其具備小型化、輕量化及低摩擦等性能。

為了改善汽車的燃油經濟性，配裝在汽車上的動力傳動裝置必須具備小型輕量化的特點，為此，可用于安置齒輪及轉軸支承軸承的空間也越來越小(圖1，圖2)。為了在尺寸能容納的有限空間內確保軸承的可靠性，要求進一步提高軸承的屈服強度，并且優化軸承內部的各項技術參數。

圖1　變速器的代表實例

圖2　差速器的代表實例

研究人員已知，變速器及差速器中滾動軸承的損傷形態一般是以壓痕為起點的表面剝離，而壓痕則是由滾動軸承的滾動體與套圈之間的潤滑油中混入異物所引起的。因此，為提高軸承的可靠性，強化其抗壓痕的性能是極為有效的措施。

此外，降低滾動軸承的摩擦將直接關系到動力傳動裝置的效率提升，也就是說，直接關系到燃油經濟性的改善。具體方法除了優化軸承內部技術參數外，還有將圓錐形滾子軸承改為球軸承，以及將滑動軸承改為滾動軸承等方法(圖3)。

圖3　變速器所使用的滑動軸承

1.2行星齒輪機構用軸承

在自動變速器、皮帶式無級變速器及混合動力專用變速器中，一般會采用行星齒輪機構(圖4)。為了充分利用發動機燃燒效率更高的運行區域，變速器的發展已開始趨向于多極化和廣域化。因此，小齒輪的自轉及公轉最高轉速也在不斷升高(圖5)。

圖4　行星齒輪機構的代表實例

圖5　小齒輪的自轉和公轉

此外，為了降低潤滑油的流動阻力，潤滑油的黏度呈現逐漸降低的趨勢。然而，潤滑油的黏度降低后，滾動體與軸承套圈之間形成油膜會變得更為困難。而且，為了降低能量損失，機油泵正在向小型化的方向發展，潤滑油量也呈現不斷減少的趨勢。因此，對于支承小齒輪旋轉的滾針軸承，必須要求其具備適應貧油潤滑條件下的高速性能。

1.3支承電動機的軸承

在混合動力專用變速器中，會裝備電動機(圖6)。為實現電動機的小型輕量化、高效率化和高功率化，電動機的轉速正在不斷升高。因此，對于支承電動機的滾動軸承，要求其具備在高轉速條件下放熱量低及耐熱膠粘的性能。此外，在高轉速條件下，由于離心力的作用，軸承保持架會發生較大的變形。這種變形會導致滾動體與外圈接觸時，因滑動摩擦放熱而產生熱膠粘的現象，或是因應力過大而導致破損現象發生。因此，要求保持架必須具備在離心力作用下不易變形的可靠性。

圖6　混合動力專用電動機的概念

2滾動軸承的最新技術

如前文所述，滾動軸承的應用部位不同，所要求的性能也各不相同。所以，對于動力傳動裝置中的滾動軸承，必須針對其不同的應用環境，實施相應的優化設計。

2.1支承齒輪及轉軸的軸承

2.1.1球軸承的小型輕量化和低摩擦化

在變速器及差速器中所使用的滾動軸承上，容易發生以壓痕為起點的表面剝離現象，而滾動軸承滾道表面發生的切向力會對此產生極大的影響。降低切向力的有效對策是強化滾動體表面層和降低表面粗糙度。據報道，有研究人員在滾動體的表面層析出高硬度的氮化物，可提高軸承表面的屈服強度。通過強化滾動體表面，相比普通的SUJ2淬火回火材料，軸承的使用壽命可提高至原來的2倍(圖7)。研究結果也顯示，在與傳統軸承產品具有相同耐久性的前提下，經強化的軸承質量可減輕50%，旋轉扭矩可降低12%(圖8)。

圖7　氮化物析出材料用于滾動體后的耐久試驗結果

圖8　提高屈服強度后軸承尺寸縮小的實例

2.1.2圓錐形滾子軸承的小型輕量化及低摩擦化

作為降低圓錐形滾子軸承摩擦的技術，下文將列舉滾道表面形狀的改進實例。圓錐形滾子軸承的滾道表面一般呈現“隆起面”的鼓形。如將這一隆起面設計成特殊形狀，就能夠緩和端面載荷(接觸面的端部表面壓力升高)(表1)。據報道，在采用特殊的隆起面形狀及軸承內部參數優化措施后，相比傳統軸承，新開發產品的旋轉扭矩可降低30%。圖9為在新產品耐久性與傳統軸承相同的前提下，軸承尺寸被縮小的實例。此外，以降低圓錐形滾子軸承的摩擦為目的，也有報告提出過其他方法。例如，通過控制流入軸承的潤滑油流動，可以降低軸承內的潤滑油流動阻力。

表1傳統軸承與新開發產品的滾道面形狀比較

圖9　傳統圓錐形滾子軸承與新開發產品的尺寸對比

2.1.3將圓錐形滾子軸承改為球軸承

作為由圓錐形滾子軸承改為球軸承的實例，介紹串列式角接觸球軸承的技術要點(圖10)。這種球軸承是在相同的接觸角方向布置2列滾珠，不僅能降低摩擦，還能確保負荷容量及軸承剛性達到要求的性能水平。雖然相比圓錐形滾子軸承而言，串列式角接觸球軸承在混入異物的潤滑油條件下確保耐久性及裝配預緊管理方面均有一定難度，但能夠降低旋轉扭矩約40%，并降低約20 ℃的升溫。

圖10　串列式角接觸球軸承的截面圖

2.1.4將滑動軸承改為滾動軸承

圖11為具有與滑動軸承相同截面厚度(1.5mm)的沖壓外圈滾針軸承的外觀。據報道，由于設置了能夠控制經由軸承的潤滑油量的密封圈，以作為沖壓外圈滾針軸承的結構零件之一(圖12)，在未大幅改變變速器內潤滑油流動及油量的前提下，實現了將滑動軸承改為滾動軸承的設計目標。

圖11　薄型沖壓外圈滾針軸承的外觀

圖12　薄型沖壓外圈滾針軸承的結構零件

2.2行星齒輪機構的軸承

2.2.1提高行星齒輪機構滾針軸承的轉速

圖13　小齒輪結構零件的代表實例

在行星齒輪機構結構零件小齒輪的內徑面中內置有滾針軸承(圖13)。由于小齒輪的公轉運動，滾針軸承的保持架會被施加離心力，并因此被壓向小齒輪的內徑面。隨著小齒輪公轉轉速的升高，保持架與小齒輪內徑面的接觸表面壓力也會升高。此外，由于小齒輪自轉及公轉轉速的升高，保持架與小齒輪內徑面之間的滑動速度也會升高。結果滑動面的放熱量增大，有可能會導致發生熱膠粘的風險。為此，相應的對策是在保持架上實施特殊的涂覆工藝，降低滑動部位的摩擦熱，提高耐磨損性。據報道，相比傳統的滾針軸承(保持架：對鉻鉬鋼實施滲碳氮化處理)，新開發的滾針軸承小齒輪轉速可提高到原來的2倍。

2.2.2延長行星軸的使用壽命

由于小齒輪的高轉速，以及處于貧油潤滑狀態下的工作環境，行星齒輪機構滾針軸承內圈的行星軸也會處于高溫的狀態，而一旦達到高溫，軸心部殘留的奧氏體組織會發生熱分解。這樣，轉軸會產生熱塑性彎曲，并與滾動體的端部發生強力接觸。其結果會導致接觸表面壓力上升，進而發展至軸承表面的初期剝離。此外，軸心部殘留的奧氏體組織具有提高耐久性和疲勞強度的作用。因此，為了使軸心部的殘留奧氏體更少，同時使軸表面層的殘留奧氏體更多，研究人員通過優化材料及熱處理工藝，開發了能抑制熱塑性彎曲、提高耐久性和疲勞強度的技術。據報道，相比普通的SUJ2淬火回火材料，開發產品具有約4.5倍的超長使用壽命(圖14)。

圖14　傳統產品與開發產品的使用壽命比較

2.3支承電動機的軸承

關于支承電動機的軸承，下文將介紹2種能適應高轉速的新開發球軸承產品。

開發產品A通過優化溝曲率等參數，降低了高轉速條件下的摩擦。并且，使滾珠的位置偏置于軸承中心，通過確保保持架圓環部的壁厚，提高了保持架的剛性(圖15)。此外，隨著電動機的高速旋轉，流入的潤滑油因離心力的作用，更易偏向流入外圈側。因此，設置控制板，以促使潤滑油流入內圈側，從而確保了高速旋轉時的潤滑性(圖16)。據報道，新開發產品A在轉速達30000r/min的高速旋轉試驗中，并未發生熱膠粘或保持架損壞的情況(圖17)。

圖15　新開發產品A的優點

圖16　傳統產品與新開發產品A的潤滑油路徑

圖17　新開發產品A的試驗結果

另一方面，開發產品B通過優化軸承的內部技術參數來抑制軸承的放熱，同時，還疊合2片相同形狀的樹脂保持架，以耐受作用于保持架的離心力，提高了剛性。此外，還在保持架上設置凸緣，在軸承套圈上設置凸緣槽，以限制潤滑油的流入量，力求降低潤滑油的流動阻力，并抑制高轉速下的升溫(圖18)。據報道，新開發產品B在轉速達30000r/min的高速旋轉試驗中，也未出現熱膠粘或保持架破損等故障(圖19)。

圖18　新開發產品B的優點

3結語

本文介紹了近年來動力傳動裝置中滾動軸承的技術發展動向。今后，預計對汽車動力傳動裝置中軸承的小型輕量化及低摩擦需求仍會不斷增加。因此，要求針對不同的使用部位，實施優化的軸承研發和設計。今后，滾動軸承的技術將會對改善發動機燃油經濟性做出積極貢獻。

彭惠民譯自トライボロジスト，2014，59(11)

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

(收稿日期：2015-06-23)