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汽车变速器的性能与轴承类型

汽车变速器必须满足各种各样的要求，包括换挡顺畅，高输出功率，结构紧凑，轻量，高效率和低噪声等，而且对这些要求越来越高。因此，变速器轴承的性能也必须满足更高的要求。本文着重阐述变速器性能与轴承类型之问的
关系，这是开发汽车变速器轴承的基础。
1 变速器的特征一般来说，汽车变速器允许驾驶者通过自动挡或手动挡来选择行驶速度。驾驶者可以选择变速器的传动比来改变发动机的输出扭矩从而改变车辆的行驶速度。
汽车变速器根据驱动方式可以分为各种不同类型。通常，两轮驱动车辆分为前置后驱变速器(下文称T／N)和前置前驱变速器(下文称T／A)。根据变速方式可以分为手动变速器、自动变速器和无级变速器三种。表l列出了两轮驱动汽车常用变速器的动力传递零件以及润滑油类型。对大多数变速器而言，动力传递是依靠安装在铝制变速器壳体内并采用油润滑的齿轮来实现的。
2 高输出、轻量紧凑变速器与轴承类型现在迫切需要开发能够使变速器输出功率更
高，结构更紧凑并且重量更轻的滚动轴承。同时，还要求滚动轴承寿命更长，外形尺寸更小等。主轴支承最常见的轴承组合方式包括
(1)l套球轴承+l套球轴承
(2)1套圆柱滚子轴承+1套圆柱滚子轴承
(适用于轴向载荷相对较小的场合)
(3)1套球轴承+l套圆柱滚子轴承
(4)l套圆锥滚子轴承+l套圆锥滚子轴承
在以上轴承类型中，圆锥滚子轴承具有最大的轴向承载能力。针对变速器重量更轻，输出功率更高，结构更紧凑的发展目标，第(4)种组合方式更有利。对于圆锥滚子轴承或其他类型轴承的寿命不足的应用场合，基本对策就是增大滚动体(球或滚子)直径来提高额定动载荷。然而仅仅采用这种手段还不够。变速器轴承实际寿命往往低于额定疲劳寿命，因此，NSK分析了从实际车辆变速器回收的润滑油(见图l和图2)，同时还使用NSK独有的疲劳解析技术分析了变速器轴承的疲劳破坏类型。发现变速器轴承的疲劳并非起源于影响额定疲劳寿命的材料内部，而是起源于润滑油中悬浮异物引起的表面缺陷。随后NSK开发了油中异物存在条件下确保轴承具有长寿命的技术，成功地将密封清洁轴承和 TF系列轴承推向市场。同时，优化轴承各个参数也有利于使变速器重量更轻，输出功率更高以及结构更紧凑。
3 变速器效率改善与轴承类型影响变速器扭矩损耗的主要因素包括： (1)润滑油阻力；(2)齿轮副啮合损耗；(3)滑动与滚动部位的摩擦损耗。一般运转条件下，滚动轴承的动摩擦力矩大约为滑动轴承的1／4。这是由于圆锥滚子轴承内圈挡边与滚子端面之问存在滑动摩擦。因此，与其他滚动轴承相比，更加迫切要求降低圆锥滚子轴承的摩擦力矩。 NSK第一代低摩擦圆锥滚子轴承的开发重点是降低单套轴承的摩擦力矩。它的摩擦力矩比普通圆锥滚子轴承的降低了约20％。第二代低摩擦圆锥滚子轴承的开发重点则在于充分考虑其成对使用时的寿命、刚度和摩擦力矩对轴承内部设计参数，如滚子直径、数量、长度以及接触角等进行优化设计。改进后的第二代轴承摩擦力矩比第一代又进一步地降低了2O％.
4 变速器振动噪声与轴承类型汽车变速器的振动噪声可以分为运转中的颤振声，齿轮啮合噪声以及滚动轴承的振动噪声，见图4。滚动轴承固有的振动噪声特性将影响变速器的振动噪声特性。而且轴承也会产生具有特定频率的多种噪声。因此常常采用频率分析来诊断轴承噪声产生的原因。变速器润滑油中悬浮的异物也会引起轴承噪声。第2节中阐述的异物悬浮润滑工况下NSK长寿命技术对防止轴承噪声升高同样有效。图5给出了在实际变速器(图6)上试验的密封清洁球轴承和开式球轴承噪声随时问变化的一个例子。圆锥滚子轴承是降低啮合齿轮副噪声的最佳选择，但是如果安装于铝制变速器壳体内，因铝材具有较高的线性热膨胀系数，变速器温度升高时，变速器壳体热膨胀量较大，轴承预紧可能消失，从而产生齿轮噪声。图7和图8示出了用于测试实际变速器油温及壳体振动的试验设备和试验条件，其中变速器的输入轴分别采用不同类型的轴承支承。图9分别给出了其测试结果。成对使用的圆锥滚子轴承达到一定温度时，轴承预紧载荷消失并且振动急剧增大。
而球轴承和圆柱滚子轴承的组合则克服了高温下变速器壳体热膨胀的影响，这种组合时，球轴承作为固定端，而圆柱滚子轴承则作为自由端。圆锥滚子轴承的支承跨度较小时，变速器壳体的热膨胀已不是严重的问题，但同样存在轴承噪声问题。这是由于汽车装配线上对轴承预紧时跑合时间不足从而导致市场上的变速器轴承出现预紧载荷早期消失。为适应汽车装配工艺而开发的轴承称之为快速装配圆锥滚子轴承(QAT)。 QAT圆锥滚子轴承的装配高达到设计尺寸所需的跑合时间仅为普通圆锥滚子轴承所需时间的1／4，且能够保证稳定的预紧载荷。 5 手动变速器换挡操纵}生与轴承类型第4节论述了变速器采用铝制壳体时高温下存在的问题。但另一方面，当变速器温度降低，变速器壳体收缩，将导致面对面组合的圆锥滚子轴承预紧载荷增大，结果使轴承的旋转力矩变大，致使汽车从空挡换到一挡时所需的换挡力增大。图1O和图l1给出了实际铝制壳体变速器中轴承的预紧载荷随温度变化的测试设备和测试结果。图l2给出了换挡力随温度变化的测试结果。温度降低引起圆锥滚子轴承预紧载荷增加，致使换挡力也相应增加。而球轴承和圆柱滚子轴承的组合对克服较低温度下变速器壳体收缩的影响有明显的优势，对换挡力影响较小