当前位置：首页>SUV>NSK 用于电动汽车SUV的低摩擦圆锥滚子轮毂单元轴承设计理念

NSK 用于电动汽车SUV的低摩擦圆锥滚子轮毂单元轴承设计理念

2026-02-28 01:13:45

作者：Masayuki Tanabe

NSK汽车技术开发中心，底盘轴承技术部

摘要

车辆电动化的最新进展要求轮毂单元轴承通过降低摩擦来提升电效率。同时，实际应用中的可靠性仍与以往同样关键。用于大型SUV等较重车辆的圆锥滚子轮毂单元轴承，因常处于恶劣环境中，需要特别高的可靠性。圆锥滚子轮毂单元轴承的摩擦降低一直受到限制，因为这往往与可靠性相冲突，但作为应对，NSK开发了低摩擦技术，可将圆锥滚子轮毂单元轴承的摩擦降低52%。

1. 引言

为响应包括减少CO₂排放在内的各国日益严格的环境法规，汽车行业正朝着电动化方向转型。一个关键挑战是延长车辆的续航里程，因此行业正致力于提高电池容量和能源效率。轮毂单元轴承在支撑车轮并使其平稳转动方面起着至关重要的作用。除了在恶劣路况下仍能防止损坏的高可靠性这一基本功能外，还需要低摩擦和轻量化来提升能源效率。

尤其是在电动化程度不断提高的乘用车领域，对低摩擦轮毂单元轴承的需求十分迫切。NSK在开发和量产低摩擦密封件及专用润滑脂方面拥有成熟的经验。由于乘用车相对较轻，其轮毂单元轴承通常采用钢球作为滚动体。

在重型车辆中，圆锥滚子取代钢球以提高承载能力（额定载荷）。如图1所示，大型SUV、皮卡车和商用车通常采用圆锥滚子，尽管其摩擦高于钢球。除重量因素外，这些车辆的运行环境比乘用车更恶劣，需要在泥泞和崎岖地形中具备密封性能，以及长距离行驶的耐用性。因此，圆锥滚子轮毂单元轴承需具备更高的可靠性，市场验证过的设计通常比新开发的低摩擦设计更受青睐。然而，随着大型SUV和皮卡车等车型电动化进程的推进，圆锥滚子轮毂单元轴承必须升级以适应这些变化。

本文探讨了一种圆锥滚子轮毂单元轴承的技术规格，该轴承在保持可靠性的同时实现了低摩擦和轻量化，既应用了滚珠轮毂单元轴承的成熟技术，也采用了圆锥滚子专用技术。

2. 圆锥滚子轮毂轴承单元的摩擦

图2展示了第2.5代圆锥滚子轮毂轴承单元的技术规格，这代表了当前主流产品。下一节将详细说明各代产品在规格上的差异。

轮毂轴承单元中影响摩擦的因素可分为两大类：

内部摩擦：由背对背双列布置的圆锥滚子与滚道表面之间的相互作用产生。

密封摩擦：由防止泥水及其他外部污染物侵入的密封圈产生。

内部摩擦约占轴承总摩擦的60–70%，而密封摩擦约占30–40%。

后续章节将讨论针对当前第2.5代轮毂轴承单元，降低内部摩擦和密封摩擦的技术方案。

3. 降低内部摩擦的技术

如图3所示，圆锥滚子轴承内部摩擦的主要来源通常可分为以下几类：

（1）内圈挡边与滚子端面之间的滑动摩擦：TS

（2）内、外圈滚道表面与滚子滚动表面之间的滚动摩擦：TR

（3）滚子与保持架之间的滑动摩擦（占比极小）

（4）润滑油的搅拌阻力

由于轮毂轴承单元在圆锥滚子轴承的低速工况下运行，降低内部摩擦最有效的方法是最小化（优化）以下两项摩擦：

（1）内圈挡边与滚子端面之间的滑动摩擦 TS

（2）内、外圈滚道表面与滚子滚动表面之间的滚动摩擦 TR

3.1 内圈挡边与滚子端面粗糙度的优化

众所周知，降低内圈挡边与滚子端面两者的粗糙度，是减小它们之间滑动摩擦的有效方法。NSK公司一直致力于降低表面粗糙度。在轮毂轴承单元领域，当前产品所采用的粗糙度标准，已经低于通用圆锥滚子轴承的粗糙度标准。

在现有产品的基础上，通过加工技术的进步，实现了粗糙度的进一步降低。如图4所示，新开发的技术规范已成功将内部摩擦降低了高达46%。这种降低粗糙度的技术最初是为油润滑的变速器用圆锥滚子轴承开发的，现已被适配到低速工况下以脂润滑为主的轮毂轴承单元中。该技术可在滑动表面维持油膜，从而保证轴承的耐久性。

3.2 通过单元化设计降低预紧力

内、外圈滚道表面与滚子滚动表面之间的滚动摩擦，是由润滑脂中的基础油在这些表面间通过时产生的剪切力引起的。输入载荷越大，滚动阻力就越大。除了车辆规格中规定的外部载荷外，该输入载荷还受到轴承内部施加的预紧力的影响。因此，降低预紧力是减小摩擦的有效措施。从刚性角度考虑，轮毂轴承单元在装配到车辆时，内部会带有预紧力。

预紧力与轴承内部的负游隙相关。在轴承装配及安装到车辆的过程中，套圈的热胀冷缩会导致内部游隙减小。各部件的加工公差之和决定了预紧力（负游隙）的范围。例如，图5展示了圆锥滚子轮毂轴承单元的游隙减小量计算公式。

除了降低预紧力的下限，单元化设计（即通过消除部分装配工序来缩小预紧力范围的方法）是另一种降低预紧力的有效途径。图6展示了圆锥滚子轮毂轴承单元的单元化过程。图中蓝色高亮区域代表NSK的设计和制造范围。可以看出，从第1代到第3代，零件集成度不断提高，部分轴承装配工序可以省略。NSK拥有覆盖至第3代产品的大规模量产经验，能够通过降低预紧力提供低摩擦圆锥滚子轮毂轴承单元。

尽管第3代（单元化程度最高的型号）已开始在大型SUV和皮卡上应用，但第2代和第2.5代产品仍被广泛使用。然而，如图5所示，从第2.5代升级到第3代时，单元化设计可使内部摩擦有效降低约15%。单元化设计还能带来轻量化效益，升级至第3代预计可实现约100g的减重。

4. 降低密封摩擦的技术

如图2所示，轮毂轴承单元在车身内侧和外侧均配备了密封圈，以防止泥水及其他污染物侵入。每个密封圈通常至少包含三道接触唇，部分设计还会增加第四道非接触唇。

虽然减少接触唇数量或降低接触力可以降低摩擦，但仅靠这些措施会削弱密封功能，降低可靠性（尤其是在耐泥水性能方面）。

NSK开发了一种在不牺牲可靠性的前提下降低摩擦的密封件形状，可应用于圆锥滚子轮毂轴承单元。后续章节将分别对内密封和外密封的设计细节进行阐述。此外，我们还将探索一种不依赖密封件形状即可实现低摩擦的密封润滑脂。

4.1 低摩擦内密封件形状

当前的内密封甩油环采用L形设计，而新开发的甩油环则采用了唇数更少的U形设计（图7）。U形甩油环在旋转时，会在密封内部产生向外的泥水流动，有效阻止泥水进一步侵入。因此，尽管唇数减少，该设计仍能保持其耐泥水性能。

图8展示了现有产品与新开发产品的流体分析结果。研究建立了三维流体分析模型，将密封件浸没至轴中心高度的水中，并采用VOF（体积分数）法可视化水-气分布：棕色代表100%水，蓝色代表水-气各50%的混合物，白色代表空气主导区域（含水量< 50%）。在静止状态下，水中密封件的横截面显示，从侧唇到轴承外部的空间被100%的水填充。在旋转状态下，对比了现有产品与新开发产品中，从侧唇到轴承外部空间内的水的行为。

在现有产品中，大量水进入从侧唇到轴承外部的空间，尽管混入了部分空气，但水仍容易到达侧唇尖端。相比之下，新开发产品使进入该空间的水更少，水更难到达侧唇尖端。这被认为是新开发产品相比现有产品耐泥水性能提升的关键因素。

图9展示了两种产品的耐泥水性能和扭矩测试结果。新开发产品表现出与现有产品相当或更优的耐泥水性能，同时实现了30%的扭矩降低。

4.2 低摩擦外密封件形状

图10展示了现有产品与新开发产品的密封件形状。第2.5代轮毂轴承单元所使用的外密封件，其设计与内密封件基本相同，唇口沿甩油环表面滑动。对于第3代型号，现有产品采用的是一种直接在轮毂轴表面滑动的类型。相比之下，新开发产品的唇口沿甩油环表面滑动，并采用了U形甩油环，减少了唇数，遵循了与低摩擦内密封件相同的设计理念。

图11展示了第3代型号现有产品与新开发产品的耐泥水性能和扭矩测试结果。新开发产品表现出与现有产品相当的耐泥水性能，同时实现了40%的扭矩降低。

4.3 低摩擦润滑脂

无论密封件形状如何，密封润滑脂都存在于接触唇与其滑动表面之间。本文介绍的新开发低摩擦密封润滑脂，可在不牺牲耐泥水性能的前提下降低摩擦。

这种新型润滑脂的基础油运动粘度更低，并采用了比现有润滑脂具有更强基础油保持能力的稠化剂。通过采用高基础油保持能力的稠化剂，稠化剂的用量得以减少，进而降低了稠化剂的剪切阻力。但当基础油运动粘度较低时，基础油分子间的相互作用变弱，导致油液流动性增强。这会增加油膜破裂的可能性，使泥水更容易穿透密封。为保持耐泥水性能，新型润滑脂在其基础油中加入了极性聚合物。特殊设计的分子结构即使在油膜很薄的情况下也能减少水的侵入。图12展示了极性聚合物的作用原理。极性聚合物具有长链分子结构，这些聚合物链以复杂的方式相互缠绕，将基础油分子固定在唇尖与滑动表面之间。这可以防止油膜在接触泥水时破裂。这些聚合物的加入还增强了唇口橡胶材料与滑动表面之间的亲和力，改善了滑动区域的油膜形成和润滑脂保持能力。

为确认其有效性，对密封件单独进行了泥水测试和扭矩测试，结果如图13所示。与现有产品相比，密封性能提升了50%，扭矩降低了25%。

5. 低摩擦圆锥滚子轮毂轴承单元的效果

第3节和第4节分别介绍了各单项低摩擦元件。由于这些元件组合使用时不存在功能冲突，因此可根据需要选择并应用多项技术。将所有这些技术应用于当前的第2.5代轮毂轴承单元，可实现高达52%的摩擦降低，如图14所示。此外，在纯电动SUV的四个车轮上使用这些低摩擦圆锥滚子轮毂轴承单元，预计可在WLTC工况下将续航里程延长约12 km（NSK估算值）。