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汽車用滾動軸承的低轉矩化技術
2025-08-07
一輛普通燃油乘用車使用近百套滾動軸承，通過降低每套軸承的摩擦損失，對汽車的能耗降低將作出明顯的貢獻。降低滾動軸承損失的方法主要考慮有3項。1）尺寸。在不改變原有尺寸的情況下，改變軸承內部設計，降低轉矩；2）軸承的小型化，通過輕量化降低能耗；3）降低變速箱等的摩擦損失，考慮通過降低潤滑油的黏度和用量，并保持滾動軸承的運行性能。下面介紹低轉矩化技術。
乘用車的摩擦損失主要發生在傳動系統軸承和車輪軸承，因此，低轉矩化研究主要針對：差動裝置(差速器)用圓錐滾子軸承、自動變速箱用推力滾針軸承和車輪用輪轂軸承組件。
1、圓錐滾子軸承的低轉矩化
圓錐滾子軸承內、外圈滾道與滾子滾動面的接觸狀態為線接觸，所以載荷容量比球軸承大。另外，由于滾子對應于輪軸是傾斜結構，所以能承受徑向、軸向2個方向的力，因此，廣泛應用于變速箱和差動裝置齒輪軸的支承。
自動變速箱類的變速驅動橋中，差動裝置多用自動變速箱油( ATF )進行潤滑；在前置后驅車(FR車)和四輪驅動力(4WD)上搭載的后差動裝置則采用黏度較高的齒輪油潤滑。后差動裝置的小齒輪軸用圓錐滾子軸承產生轉矩的原因分析如圖1所示，其滾動粘滯阻力是源于滾道和滾子接觸部位的潤滑油膜的阻力。
圖1 影響后差動裝置小齒輪軸用圓錐滾子軸承轉矩的因素
低轉矩設計方案：通過減少滾子，減短滾子長度和滾道的凸度半徑，減小滾道和滾子的接觸面積；通過減小保持架和內圈小擋邊之間的間隙，抑制潤滑油的流入；通過增大滾子傾角，促進了潤滑油的排出；通過改變保持架形狀，減小軸承內部空間，抑制軸承的泵吸作用；采用樹脂保持架。實現了通過減小攪拌阻力，降低軸承的轉矩（圖2）。
圖2 圓錐滾子軸承的改進設計
2、推力滾針軸承的低轉矩化
普通乘用車自動變速箱中，每輛車約使用10套推力滾針軸承。
影響推力滾針軸承轉矩的主要因素如圖3所示。影響推力滾針軸承轉矩的主要因素是，軸承旋轉時，由于離心力的作用，保持架兜孔端面與靠近滾子外徑面接觸，所以產生大的滑動摩擦。
圖3 影響滾針軸承力矩的因素
低轉矩設計方案：將滾子端面和保持架兜孔端的接觸處靠近周向速度小的滾子的軸心；通過將保持架兜孔端面設置突起，減小接觸面積；通過將滾子復數排列(對一個保持架兜孔配置2個短滾子)減小滾子和滾道的周向速度差。從而抑制滑動摩擦，降低軸承轉矩（圖4）。
圖4 推力滾針軸承結構的改進
3、輪轂單元的低轉矩化
輪轂單元往往接近路面位置，處于外部暴露的狀況下使用。因此，對車體側的內密封和輪轂側的外密封應具有既要防止潤滑脂漏出，同時要防止砂粒、雨水等侵入的高密封性。通常輪轂單元密封的滑動摩擦要占據全部轉矩的一半以上（圖5）。
圖5 影響輪轂軸承單元轉矩的因素
低轉矩設計方案：通過去除徑向唇，并使軸向唇雙重化，實現了軸承的高密封性和低轉矩化的目標。
來源：軸承雜志社
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