汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承

闽晋1 2020-04-27

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ULTAGE是NTN新一代轴承的总称，含义为“ultimate' (精益求精)和“stage' (系列轴承用途多样化)的组合。为进一步提高轴承的滚动接触疲劳寿命和可靠性，NTN通过开发特殊凸形(滚子直径以微米为单位向末端逐渐减小)的滚子，使轴承的表面接触应力最小化。2014年，NTN推出了采用该设计技术的“工业机械用大型ULTAGE圆锥滚子轴承”，并开始批量生产外径≥280mm的一系列标准轴承。近几年，NTN又开发了汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承(轴承外径≤150 mm)，下面我们就来了解一下该轴承结构、特点和性能。

1、结构

汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承的结构如图1所示。通过优化滚子与内圈和保持架之间的滑动接触区域形状，抑制轴承运转时的温升，增加许用转速。材料采用具有更高洁净度且易于热处理的轴承钢。另外，除标准型（内部优化设计并进行标准淬火的产品）外，还开发了高功能型产品，其结合了NTN自主研发的FA热处理技术，可用于严苛润滑条件(如硬质异物污染)下。

图1 汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承结构

2、特点

与常规圆锥滚子轴承相比，汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承的特点为：

1）承载能力高，1.3倍的基本额定动载荷；

2）长寿命(与基本额定寿命相比)，标准型为2.5倍以上，高功能型为3.8倍以上；

3）高速旋转性能，许用转速增加约10%；

4）最大4倍的允许倾斜角(偏斜量)。

滚道轴向横截面处接触应力分布如图2所示。通过使用特殊凸形，抑制了接触区域边缘的过大应力(边缘载荷)，最大限度地减少了剪切应力和接触应力，因此提高了轴承寿命。

图2 滚道上的接触应力分布

特殊凸形的分析方法

为使接触应力最小化，通过优化算法对特殊凸形引入新设计方法。该优化算法应用于具有3个新引入设计参数的对数函数公式，3个新参数可从实际使用条件计算出从“偏斜”到“外载”。这一工作在过去相当复杂，采用新方法可在短时间内自动且轻易地获得特殊凸形。以最大接触应力最小化为目标函数的特殊凸形的优化实例如图3所示。通过各种设计参数的组合得到最大接触应力最小化的最优点，以探索优化解决方案，同时鉴于接触应力影响最小化的范围，可进行公差设定。

3、性能

3.1高偏斜情况下的清洁润滑寿命试验

在汽车使用环境中假设最高偏斜(0.002 rad)条件下进行了清洁润滑寿命试验。

<试验条件>

轴承材料热处理:SUJ2标准热处理
载荷:基本额定动载荷的26%
偏斜:0.002 rad
转速:4 000 r/min.
润滑:相当于ISO VG100齿轮油
JIS计算工作寿命:73 h(未计人特殊轴承性能的寿命修正系数a2)

试验结果如图4所示。

图4 高偏斜情况下的清洁润滑寿命试验

3.2 污染润滑条件下的寿命试验

在混有硬质异物的润滑条件下，对常规长寿命ECO- Top圆锥滚子轴承(对渗碳钢进行碳氮共渗得到的长寿命轴承)和汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承进行了寿命试验。

<试验条件>

轴承材料热处理:1）ULTAGE——对轴承钢进行FA热处理；2）ECO – Top——对渗碳钢进行碳氮共渗处理
载荷:基本额定动载荷的40%
偏斜:无
转速:3 000 r/min
润滑:ISO VG56涡轮机油
异物状况: 硬质雾化粉末0.2 g/L
计算寿命:113.8 h(未计入系数a2)

试验结果如图5所示。

图5 污染润滑条件下的寿命试验

3.3 转速确认试验

在许用转速下进行温升试验(图6)（试验条件：载荷为基本额定动载荷的9%；润滑采用ISO VG32涡轮机油）。常规圆锥滚子轴承在许用转速为10100r/min条件下温度稳定区域的平均轴承温度为95.29C。汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承在转速为11 110 r/ min条件下(许用转速的1.1倍)温度稳定区域的平均轴承温度为94.39C，比常规圆锥滚子轴承的温升更低。因此，与常规产品相比，汽车用ULTAGE圆锥滚子轴承的许用转速可增加10%。