汽車(chē)電動(dòng)化 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要趨勢

汽車(chē)電動(dòng)化是汽車(chē)發(fā)展的方向，但它使汽車(chē)驅動(dòng)方式發(fā)生改變，與傳統汽車(chē)依靠?jì)热紮C驅動(dòng)方式不同，在新一代汽車(chē)中，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）通過(guò)在驅動(dòng)中利用電機，從而能夠抑制CO2、NOx等氣體排放，電動(dòng)汽車(chē)（EV）更是實(shí)現了零的排放。

盡管如此，IEA（國際能源機關(guān)）預測，到2050年，燃油汽車(chē)仍將保有50%以上。因此，對于內燃機而言，也開(kāi)展了諸如搭載怠速停止機構、進(jìn)行裝有小型渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機等的研究，以推進(jìn)熱效率的提高。

未來(lái)，如果汽車(chē)電動(dòng)化使電機驅動(dòng)成為主流，則將形成比目前內燃機結構簡(jiǎn)潔的動(dòng)力傳動(dòng)系統，每輛汽車(chē)的軸承數量及其鋼材使用量將不可避免地減少。另外，從小型輕量化、傳動(dòng)效率的提高（低扭矩化）、應對電動(dòng)化（應對使用電機驅動(dòng)需要的高速旋轉）等的需求來(lái)看，未來(lái)軸承的使用環(huán)境將更加惡劣。

小型輕量化

由于提高燃油效率和搭載空間的限制，要求組件小型輕量化，同樣也要求軸承小型化。由于小型化，軸承負荷容量變小，因此需要對軸承長(cháng)壽化和靜態(tài)強度下降采取應對措施。

傳動(dòng)效率提高

為了提高動(dòng)力傳動(dòng)效率，從降低HEV·EV組件機械損失的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，要求軸承低扭矩化（降低損失），需要采取降低滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦、攪拌損失等措施。

高速旋轉

為了提高效率、提高行駛時(shí)的最高車(chē)速，推進(jìn)電機小型化和高速旋轉，需要在超過(guò)以往容許轉數的條件下進(jìn)行高速旋轉。

問(wèn)題及措施

面對動(dòng)力傳動(dòng)和驅動(dòng)傳動(dòng)用軸承長(cháng)壽化、高速旋轉、低扭矩化的發(fā)展趨勢，將會(huì )產(chǎn)生一系列的問(wèn)題，下面介紹解決這些問(wèn)題的相關(guān)技術(shù)最新研發(fā)進(jìn)展。

長(cháng)壽化

由于HEV·EV動(dòng)力傳動(dòng)裝置高速旋轉，當滾珠軸承因潤滑環(huán)境劣化導致套圈和滾珠之間油膜形成不足時(shí)，表面性狀變差，將發(fā)生表面起點(diǎn)剝離的問(wèn)題。作為表面劣化的對策，開(kāi)發(fā)了強化滾動(dòng)體的長(cháng)壽化滾珠軸承。具體而言，對在SAE52100鋼（相當于JIS標準鋼SUJ2）基礎上增加0.3mass%-0.4mass%Si的鋼材實(shí)施特殊滲碳氮化處理，使之析出高硬度的Si·Mn系氮化物強化鋼球，即使在EHL油膜參數Λ低的惡劣潤滑條件下（Λ值為0.3，Λ=hmin（最小油膜厚度）/σ（兩個(gè)接觸表面的合成粗糙度）），鋼球表面的粗糙度仍不易降低。對6206深溝滾珠軸承進(jìn)行了內置試驗，確認可以達到長(cháng)壽的效果。

用于游星齒輪部位的行星齒輪軸（作為內輪軌道面的軸），對SUJ2鋼實(shí)施特殊滲碳氮化，通過(guò)殘余奧氏體（γ）、碳氮化物、殘余壓應力提高耐久疲勞強度；對SUJ2實(shí)施特殊高頻淬火，同時(shí)減少心部的殘余奧氏體，抑制高溫環(huán)境下的熱塑性彎曲，提高耐久性疲勞強度。另外，還開(kāi)發(fā)了采用高鉻淬火鋼、進(jìn)一步提高耐久性疲勞強度的超長(cháng)壽命行星齒輪軸。

變速機用軸承，由于應用于含有齒輪咬合時(shí)的磨損粉末等硬質(zhì)異物的油潤滑環(huán)境下，必須具有耐異物性。為此，對調整了Si、Mn、Cr含量的開(kāi)發(fā)鋼實(shí)施高濃度滲碳淬火回火，開(kāi)發(fā)了使碳化物（平均0.2μm，面積比約10%）分散強化的小型圓錐滾子軸承。

應對高速旋轉

為了實(shí)現高功率、緊湊的HEV、EV驅動(dòng)組件，必然要促進(jìn)電機的高速化。對于為實(shí)現高速旋轉而降低潤滑黏度、由于潤滑的高溫化導致的發(fā)熱以及磨損等問(wèn)題，通過(guò)套圈溝曲率、滾珠直徑、節圓直徑等的優(yōu)化，降低滾珠與套圈之間的滑動(dòng)。另外，為了防止因離心力增加導致保持架變形，進(jìn)而與滾珠發(fā)生摩擦，設計了雙柱形狀的保持架。

低扭矩化

隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展，驅動(dòng)系統的選項增加，可以預見(jiàn)動(dòng)力傳動(dòng)的變速機構將發(fā)生變化。變速機用軸承起到平滑支持傳導發(fā)動(dòng)機、電機旋轉·扭矩的齒輪軸的作用，因此，存在著(zhù)降低旋轉扭矩的問(wèn)題。變速機用軸承大多采用對齒輪咬合時(shí)的徑向和軸向兩種負載具有高載荷能力、利于高剛性和節省空間的圓錐滾子軸承，但存在著(zhù)損失扭矩較大的問(wèn)題。各軸承生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)鎖定扭矩發(fā)生源并對其處理，實(shí)現了低扭矩化。例如，通過(guò)降低潤滑油攪拌阻力、抑制軸承內部流入潤滑油量等減少損失的方法。另外，由于將滾子軸承更換為滾珠軸承可實(shí)現扭矩減小，因此，開(kāi)發(fā)了可用于差速驅動(dòng)齒輪軸支撐以及在變速器中承受大軸向載荷部位的滾珠軸承等。

另外，大量用于發(fā)動(dòng)機的滑動(dòng)軸承需要油泵，使其產(chǎn)生高液壓，來(lái)向軸承部位提供潤滑油，但在低速旋轉區域無(wú)法形成高壓，因此供油不充分，存在滑動(dòng)摩擦阻力較大的問(wèn)題。因此，將滑動(dòng)軸承改為滾動(dòng)軸承，不需要高液壓，可實(shí)現油泵小型化和低扭矩啟動(dòng)，易于采用怠速停止機構，有利于降低燃耗。

總之，伴隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)高效化和高速旋轉的要求，可以預見(jiàn)，軸承使用環(huán)境將日益惡劣。因此，需要應對軸承小型輕量化（小口徑·減薄從而實(shí)現小規格化）要求，為應對有利于低扭矩化的低黏度潤滑油環(huán)境、降低摩擦而用滾珠軸承代替滾子軸承等，對軸承鋼提出了高可信度和長(cháng)壽化的要求。同時(shí)，對于因高速旋轉引起的潤滑油高溫化黏度下降，造成滾動(dòng)體和座圈之間發(fā)生金屬接觸（滑動(dòng)）的問(wèn)題，以及由于殘余奧氏體分解使部件尺寸改變等問(wèn)題，需要根據軸承使用環(huán)境采取相應的對策。

風(fēng)力發(fā)電擴大

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電作為不排放CO2、對環(huán)境影響小的清潔能源得到了發(fā)展，累計發(fā)電容量逐年增加。

初期階段，安裝在陸地上的風(fēng)車(chē)，由于安裝場(chǎng)所的減少或為了提高發(fā)電效率和設備運行率，逐漸向海上發(fā)展，且日益大型化。

由于安裝在海上的風(fēng)車(chē)不易維護，要求所使用的軸承在長(cháng)時(shí)間內具有可靠性。

風(fēng)車(chē)齒輪箱用滾動(dòng)軸承存在早期破損的問(wèn)題，其破損形態(tài)之一為內部起點(diǎn)型剝離。對這種剝離進(jìn)行了研究，研究結果是，由于潤滑油或干油的分解以及潤滑油中的水分，發(fā)生氫侵入到鋼中，產(chǎn)生氫脆，造成剝離破損?；瑒?dòng)、振動(dòng)、靜電等都參與了氫的發(fā)生。

研究人員使用改變軸承內圈的溝曲率的不同PV值（P：面壓力、V：滑動(dòng)速度）的深溝滾珠軸承，進(jìn)行了滾動(dòng)疲勞試驗。在試驗中發(fā)現，剝離并不是接觸面壓力最大的軌道面溝底，而是發(fā)生在滑動(dòng)大的軌道端部附近。PV值在閾值以上時(shí)，發(fā)生此類(lèi)剝離。盡管風(fēng)車(chē)的齒輪箱軸承采用的是滾柱軸承和圓錐滾子軸承，套圈和滾動(dòng)體之間的滑動(dòng)相對較小，但當轉動(dòng)軸急速加減速時(shí)，有可能出現較大滑動(dòng)。

另外，近年來(lái)，還觀(guān)察到另外不同的破損形態(tài)，即滾動(dòng)軸承中軸承套圈的軸向裂紋。研究人員通過(guò)在SUJ2制滾柱軸承外圈侵入氫進(jìn)行滾動(dòng)疲勞試驗，推測其起因是白色組織破損形態(tài)的一種。

為了解決剝離的問(wèn)題，對壓縮應力和殘余γ進(jìn)行了研究。研究人員確認了壓縮應力和殘余γ量對SUJ2普通淬火材料具有較大意義，可提高滲碳氮化處理材料的壽命。推測其原因是，在壓縮應力的作用下，延遲裂紋發(fā)展，以及相對于馬氏體組織，氫擴散速度較慢的奧氏體延遲了氫向剪應力區域的濃化。

此外，從防止氫侵入的角度出發(fā)，使軌道表面形成氧化膜也是一種有效的手段。當在潤滑劑中添加材料的作用下，金屬新生面上因摩擦化學(xué)反應形成氧化膜時(shí)，可保證軌道面表面實(shí)現化學(xué)性穩定。從鋼材成分出發(fā)，確認添加Cr可有效抑制白色組織的剝離，其原因是在最大剪應力區域防止了氫向微小缺陷中的擴散。

總之，風(fēng)力發(fā)電用軸承，為了防止早期剝離失效，從抑制氫侵入或以減輕侵入氫的角度研究開(kāi)發(fā)新的鋼材。

隨著(zhù)風(fēng)電裝置向大型化的方向發(fā)展，風(fēng)電裝置軸承也隨之大型化。因此，產(chǎn)生大型軸承的熱處理問(wèn)題。為此，要求開(kāi)發(fā)淬透性好、淬火變形小的軸承鋼。

此外，由于風(fēng)電裝置軸承是長(cháng)期使用的軸承，所以要控制鋼中的殘余奧氏體量。

惡劣環(huán)境應用

用于水、異物等混入環(huán)境的鋼鐵設備用軸承或在潤滑稀薄等惡劣條件下使用的軸承，要求提高其耐用性。

用于鋼鐵設備時(shí)，自動(dòng)調心滾子軸承在非常低速旋轉（約10rpm、自轉速度0.01m/s）且高負荷條件下，在水或熱環(huán)境中使用。特別是在干油使用環(huán)境下，比基礎油更容易出現潤滑膜變薄的問(wèn)題，有通過(guò)尿素系干油改善低速下油膜形成狀態(tài)的研究。

另外，鋼鐵企業(yè)軋機用軸承還存在由于水或異物造成的壓痕問(wèn)題，強烈要求提高這種環(huán)境下軸承的使用壽命。疲勞過(guò)程的報告顯示，在混入水的環(huán)境下，作為表面夾雜物的起點(diǎn)，裂紋向內部發(fā)生，這種裂紋優(yōu)先在晶界傳播。為了抑制這種裂紋及傳播，真空精煉鋼的長(cháng)壽化效果已經(jīng)得到確認，可采用高潔凈度鋼作為軸承用鋼，或為抑制裂紋傳播而增加可強化晶界的元素Ni等。

從高效化觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，對于滾動(dòng)軸承，為實(shí)現低扭矩而越來(lái)越傾向使用低黏度潤滑油進(jìn)行潤滑，隨之帶來(lái)油膜變薄、易于發(fā)生金屬接觸（滑動(dòng)）的情況。在這種情況下，與氫相關(guān)的組織變化型或金屬接觸型的軸承損傷模式可能變得更加明顯，今后需要研究相應的對策。