摩擦學與節(jié)能環(huán)保

1、摩擦學與節(jié)能環(huán)保2008年的北京奧運、2010年的上海世博會，這一切都給中國未來經(jīng)濟的發(fā)展提供了光明、廣闊的前景。然而，經(jīng)濟的迅猛發(fā)展伴隨著龐大的能源消耗之同時，中國的能源使用效率及國民的節(jié)能、環(huán)保意識還較低。因此，2010年以后，中國最大的危機之一是能源和環(huán)境污染，這絕不是危言聳聽。1966年，摩擦學(Tribology)一詞在英國誕生，它是摩擦、磨損與潤滑科學的總稱。摩擦學是研究摩擦與磨損過程中兩個相對運動表面之間的相互作用、變化與其有關的理論與實踐的一門科學。摩擦引起能量的轉(zhuǎn)換，磨損則導致表面損壞和材料損耗，而潤滑是降低摩擦和減少磨損的最有效措施。摩擦學在國民經(jīng)濟中對能源節(jié)約的作用舉足輕

2、重。如圖所示，機械（機器）是由許多相對運動的要素（單元）構(gòu)成的，這些相對運動的要素（單元）構(gòu)成多個摩擦副，而每個摩擦副都是由相互接觸的物體A、物體B、介于A、B之間的介質(zhì)C以及環(huán)繞A、B、C的氣氛D構(gòu)成的。所有產(chǎn)品的開發(fā)都可歸結(jié)為物體A、物體B和介質(zhì)C的開發(fā)，以及對氣氛D的控制。1970年，英國Jost教授等人發(fā)表了著名的Jost報告。他的主要內(nèi)容是，摩擦學技術在國民經(jīng)濟中對節(jié)約能源所產(chǎn)生的經(jīng)濟效果。1977年，美國海軍研究所、能源部、美國機械學會（ASME）等聯(lián)合按照Jost的方法，就摩擦學技術的開發(fā)對全美能源消耗的經(jīng)濟節(jié)約效果進行了推算，認為可節(jié)約全美能源消耗總量的11%，約160億美元，

3、占GNP的。1981年根據(jù)石油價格的變動，他們又進行了修正，認為可節(jié)約能源費約210億美元，占GNP的 。近幾年，日本按照Jost的方法，進行了同樣的推算，認為可節(jié)約能源費約13兆日元。據(jù)此可知，摩擦學在國民經(jīng)濟中對節(jié)約能源所處的舉足輕重的地位。推進節(jié)能，實現(xiàn)環(huán)保，需要從以下三個方面著手：(1) 政府的政策、法律法規(guī)的健全化和正確引導。(2) 企業(yè)的技術開發(fā)，企業(yè)自身產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保技術的開發(fā)是主要的。(3) 全民節(jié)能、環(huán)保意識的提高。NSK（日本精工）的產(chǎn)品，無論是傳統(tǒng)的軸承、還是領先世界的汽車零部件，都傾注了NSK對環(huán)保的滿腔熱情。下面以半環(huán)形無級變速器（Half Toroidal CVT

4、）及無憂運轉(zhuǎn)向顧客提供整套解決方案為例，介紹NSK在產(chǎn)品開發(fā)中使用的摩擦學技術及貫徹的節(jié)能、環(huán)保理念。NSK節(jié)能 環(huán)保新產(chǎn)品半環(huán)形無級變速器的開發(fā)如圖所示，半環(huán)形無級變速器（Half Toroidal CVT）是一種典型的摩擦傳動，它是通過改變夾在輸出圓盤和輸入圓盤之間的動力滾子中心軸的傾角來實現(xiàn)平穩(wěn)、順暢、連續(xù)無級差變速的新型變速器。人類開發(fā)CVT的歷史可追溯到1877年，100年后的1978年，NSK開始正式立項研發(fā)。整整用了21年的時間，終于率先研制成功并批量生產(chǎn)，現(xiàn)已成功地使用在日本尼桑公司(Nissan)生產(chǎn)的天際線（Skyline）、公爵（Cedric）、榮耀（Gloria）等高檔

5、轎車中。它使用的是一種由NSK等共同開發(fā)的特殊潤滑油,這種潤滑油能夠在高壓下固化形成厚度約為1/1000mm左右的玻璃狀薄膜，借助這種油膜的剪切應力進行動力傳遞。與傳統(tǒng)的變速器相比,CVT實現(xiàn)了真正意義上的無級差變速，使換擋過程不僅平穩(wěn)、順暢、安靜,而且效率高，油耗低，并大大降低了有害氣體的排放,有利于節(jié)能和環(huán)保，是一種劃時代的新型變速器。由于輸入（輸出）圓盤與動力滾子接觸區(qū)內(nèi)的接觸應力很高，高應力條件下材料表面的疲勞剝落是造成零件或部件損壞的主要原因。為了解決這個問題，NSK開發(fā)了超高純凈度鋼CVT鋼，同時采用特殊熱處理技術,使材料在高負荷、高溫、高速等惡劣環(huán)境下依然具有長壽命和高可靠性。在

6、CVT的設計過程中,NSK采用其獨特的解析技術,對系統(tǒng)的運動、摩擦、發(fā)熱等進行模擬數(shù)值解析,來確定各項設計參數(shù)。同時利用先進的摩擦學試驗技術,對產(chǎn)品的各項性能進行試驗評價,根據(jù)試驗結(jié)果確定最優(yōu)化的設計參數(shù)并投入批量生產(chǎn)。正是依靠在材料、潤滑、解析、試驗等摩擦學技術領域的突破,結(jié)合精湛的軸承制造技術,才使得NSK能夠不斷開發(fā)出長壽命、高精度、高可靠性，同時又具有節(jié)能、環(huán)保特點的新產(chǎn)品（圖）。 無憂運轉(zhuǎn)為客戶提供整套解決方案解決方案軸承作為支承機械和使機器圖 NSK產(chǎn)品開發(fā)的核心技術運轉(zhuǎn)的重要零件，其使用性能對整機的性能和運行成本產(chǎn)生重要影響。除了軸承自身的品質(zhì)之外，正確安裝、合理潤滑和

7、良好密封是提高軸承使用性能并降低主機壽命周期成本的重要條件。 如圖所示，主機的壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost) 由軸承的初期采購成本、運行成本和維護成本三部分構(gòu)成。NSK不僅是軸承產(chǎn)品供應商（ProductProvider），更是整套解決方案的提供商(Solution Provider)。NSK不僅及時向顧客提供高品質(zhì)的軸承，而且向顧客提供包括軸承安裝、拆卸專用工具、專用潤滑脂、設備運行狀態(tài)(振動、噪音、溫升）監(jiān)測儀器等在內(nèi)的整套解決方案，降低了軸承運行成本，延長了軸承壽命周期時間，從而將主機的運行維護成本及停機維護保養(yǎng)時間降為最低，使客戶的設備實現(xiàn)無憂運轉(zhuǎn)（圖）

8、。因此，圖中方案(2)雖然軸承的初期采購成本較高，但降低了主機的壽命周期成本，能為顧客獲得利潤，直接或間接的節(jié)省了資源和能源。  NSK作為軸承及汽車零部件制造業(yè)的領先者之一，憑借其90年來積累的摩擦學技術，不斷開發(fā)出既滿足市場需求，又節(jié)能、環(huán)保的新產(chǎn)品。汽車科技（35）-CVT 手/自一體變速器    CVT變速器在任何車速下都能發(fā)揮出發(fā)動機理想的最佳效率，重量輕體積小、燃油經(jīng)濟性好，CVT還具有手/自一體排檔功能，既實惠又浪漫    CVT（Continuously Variable Transmission）

9、變速器在面世36年后還在努力證明自己是傳統(tǒng)手動、自動變速器之外的一種選擇，但重點已經(jīng)改變了，CVT的爭辯已經(jīng)很少涉及技術性能可靠性和高扭矩，更多的關注焦點是工業(yè)化論點，如物理特性、消費者接受能力、制造復雜性、與其他技術的競爭能力等等。CVT最早是在上世紀60代末期由荷蘭人Van Doorne首先將其安裝在DAF車上。自此Van Doorne也成為了CVT的主角。    奧迪Multitronic CVT變速器示意    廣州本田飛度匹配CVT變速器的動力總成    CVT的核心結(jié)構(gòu)  

10、  CVT與傳統(tǒng)手動、自動變速箱結(jié)構(gòu)完全不同，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)不是齒輪，而是以兩個可改變直徑的傳動輪中間套上傳動帶來傳遞扭矩。CVT的核心就是那條皮帶，正是它傳輸著扭矩并無級地改變著速比。今天CVT皮帶主要分為兩種鋼帶和鏈條。Van Doorne的鋼帶是由數(shù)百片扁平的小鋼片組成的。LuK的皮帶則更像傳統(tǒng)的鏈條，通過銷子穿在一起，與Van Doorne的鋼帶相比能夠傳遞更多的扭矩。Van Doorne制造的鋼帶占有世界91%的市場，福特、戴-克、菲亞特、多數(shù)日本制造商、變速器專家ZF全都使用Van Doorne提供的鋼帶。它的主要競爭對手就是德國的LuK，LuK將鏈條提供給奧迪。LuK

11、鏈條雖只占有市場的8%，但是它卻占有大型CVT轎車一半以上的市場那些能產(chǎn)生250Nm以上扭矩的CVT變速器。    除了以上鋼帶、鏈條式CVT，還有一種套筒式CVT，在壓力的作用下，通過滾筒接觸點的改變來改變速比，如日本精工(NSK)的半環(huán)形無級變速器（Half Toroidal CVT）。    Multitronic變速比皮帶輪及鏈條      CVT怎樣工作    CVT不像手動變速器有幾套固定傳動比的齒輪，而是使用兩套可調(diào)半徑的皮帶輪，用一根柔性皮帶相連接。

12、通過皮帶輪半徑的改變來調(diào)節(jié)傳動比。在起動時驅(qū)動皮帶輪的半徑要小，在高速時則相反。    CVT基本原理是將傳動帶兩頭各繞在一個錐形輪盤上，輪盤的外徑大小無級地變化，便使兩個輪盤之間產(chǎn)生從“大比小”到“小比大”的傳動比變化，由此實現(xiàn)變速。早期的CVT對變速的控制是機械式的，以傳動皮帶轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力驅(qū)動皮帶輪左右兩半接近或分離來改變速比。今天主要是電子控制皮帶輪直徑，速比的改變完全由電腦控制。過去傳動帶是以皮帶制作，皮帶不但本身能承受的拉力有限，而且它和錐輪容易發(fā)生打滑。所以早期的CVT變速箱能承受的扭矩較小。自從鋼帶和鏈條出現(xiàn)后才有所改變，如奧迪的Multitro

13、nic無級變速器采用Luk公司的鏈條，它可以承受350Nm以上的扭矩，從2000年開始它已裝配在奧迪上。     奧迪Multitronic變速器剖視圖    多數(shù)CVT都設有手動模式，提供手/自動一體化的功能。由于CVT理論上有無數(shù)種速比，車廠在CVT上設置的手動換檔模式是用電腦程序?qū)⒄麄€傳動范圍劃分成幾段，然后按預設的段落一段一段地去變換傳動比，如南京菲亞特派里奧Speedgear設置了6個檔位，奧迪A6也設定了6個檔位。手排檔主要用于發(fā)動機制動和超車。    CVT變速器的特點CVT變速器

14、與其它手/自一體變速器不同，要想快速駕駛就要選用自動模式。以CVT變速箱的自動模式加速，可以全程保持在發(fā)動機扭力輸出最高的轉(zhuǎn)速，不會有動力波動和換檔真空期，因此是加速最快的。手動模式不能完全利用發(fā)動機最佳轉(zhuǎn)速，加上換檔耗費時間，所以加速慢。使用CVT需要注意斜坡溜車。不少CVT變速箱在動力接合的初段會發(fā)生打滑，所以CVT在較陡的斜坡起步時要以手剎輔助。起步時鏈條打滑會導致起步提速慢。    奔馳A級車CVT變速器剖視圖    CVT的優(yōu)點: 節(jié)省燃油、在任何車速均可獲取理想發(fā)動機效率、重量輕體積小。CVT最大的優(yōu)勢是速比的改變過程是無

15、級地進行，乘客不會感覺到換檔沖擊，動力銜接平順，這令CVT行車更舒服，加速也會比逐級換檔快。由于行車中減少了轉(zhuǎn)速的不必要波動，對省油也大有幫助。    新技術已經(jīng)解決了CVT的一些短處。自從堅硬的鋼連式皮帶代替了橡膠皮帶后，CVT的耐久性和可靠性有了質(zhì)的飛躍，同時提高了最大傳輸扭矩; VDT（ Van Doorne Transmissie）新式鋼帶能夠傳輸超過250Nm的扭矩，LuK鏈條能傳輸350Nm。但CVT還是存在缺點，如低生產(chǎn)量增加了制造成本、與眾不同的外形增加了整車設計難度、駕駛者缺少運動感覺。    日產(chǎn)公司選擇的半環(huán)形CVT無級變速器    日本精工(NSK)半環(huán)形CVT無級變速器    CVT前景看好由非主流到主流排檔技術    CVT前景看好。Van Doorne看到了CVT巨大的前景: 2002年生產(chǎn)了100萬條鋼帶，計劃到2010年能生產(chǎn)200萬臺CVT變速器鋼帶。但其他人并沒有分享這份熱情: 通用已經(jīng)決定停產(chǎn)CVT，以減少變速器制造的復雜性; 寶馬也宣稱下一代Mini將放棄CVT，而采用傳統(tǒng)自動變速器; 在德國銷售的Mini Cooper中CVT只占8.4%。而另一些制造商將C