摩擦学与节能环保

1、摩擦学与节能环保2008年的北京奥运、2010年的上海世博会，这一切都给中国未来经济的发展提供了光明、广阔的前景。然而，经济的迅猛发展伴随着庞大的能源消耗之同时，中国的能源使用效率及国民的节能、环保意识还较低。因此，2010年以后，中国最大的危机之一是能源和环境污染，这绝不是危言耸听。1966年，摩擦学(Tribology)一词在英国诞生，它是摩擦、磨损与润滑科学的总称。摩擦学是研究摩擦与磨损过程中两个相对运动表面之间的相互作用、变化与其有关的理论与实践的一门科学。摩擦引起能量的转换，磨损则导致表面损坏和材料损耗，而润滑是降低摩擦和减少磨损的最有效措施。摩擦学在国民经济中对能源节约的作用举足轻

2、重。如图所示，机械（机器）是由许多相对运动的要素（单元）构成的，这些相对运动的要素（单元）构成多个摩擦副，而每个摩擦副都是由相互接触的物体A、物体B、介于A、B之间的介质C以及环绕A、B、C的气氛D构成的。所有产品的开发都可归结为物体A、物体B和介质C的开发，以及对气氛D的控制。1970年，英国Jost教授等人发表了著名的Jost报告。他的主要内容是，摩擦学技术在国民经济中对节约能源所产生的经济效果。1977年，美国海军研究所、能源部、美国机械学会（ASME）等联合按照Jost的方法，就摩擦学技术的开发对全美能源消耗的经济节约效果进行了推算，认为可节约全美能源消耗总量的11%，约160亿美元，

3、占GNP的。1981年根据石油价格的变动，他们又进行了修正，认为可节约能源费约210亿美元，占GNP的 。近几年，日本按照Jost的方法，进行了同样的推算，认为可节约能源费约13兆日元。据此可知，摩擦学在国民经济中对节约能源所处的举足轻重的地位。推进节能，实现环保，需要从以下三个方面着手：(1) 政府的政策、法律法规的健全化和正确引导。(2) 企业的技术开发，企业自身产品的节能、环保技术的开发是主要的。(3) 全民节能、环保意识的提高。NSK（日本精工）的产品，无论是传统的轴承、还是领先世界的汽车零部件，都倾注了NSK对环保的满腔热情。下面以半环形无级变速器（Half Toroidal CVT

4、）及无忧运转向顾客提供整套解决方案为例，介绍NSK在产品开发中使用的摩擦学技术及贯彻的节能、环保理念。NSK节能 环保新产品半环形无级变速器的开发如图所示，半环形无级变速器（Half Toroidal CVT）是一种典型的摩擦传动，它是通过改变夹在输出圆盘和输入圆盘之间的动力滚子中心轴的倾角来实现平稳、顺畅、连续无级差变速的新型变速器。人类开发CVT的历史可追溯到1877年，100年后的1978年，NSK开始正式立项研发。整整用了21年的时间，终于率先研制成功并批量生产，现已成功地使用在日本尼桑公司(Nissan)生产的天际线（Skyline）、公爵（Cedric）、荣耀（Gloria）等高档

5、轿车中。它使用的是一种由NSK等共同开发的特殊润滑油,这种润滑油能够在高压下固化形成厚度约为1/1000mm左右的玻璃状薄膜，借助这种油膜的剪切应力进行动力传递。与传统的变速器相比,CVT实现了真正意义上的无级差变速，使换挡过程不仅平稳、顺畅、安静,而且效率高，油耗低，并大大降低了有害气体的排放,有利于节能和环保，是一种划时代的新型变速器。由于输入（输出）圆盘与动力滚子接触区内的接触应力很高，高应力条件下材料表面的疲劳剥落是造成零件或部件损坏的主要原因。为了解决这个问题，NSK开发了超高纯净度钢CVT钢，同时采用特殊热处理技术,使材料在高负荷、高温、高速等恶劣环境下依然具有长寿命和高可靠性。在

6、CVT的设计过程中,NSK采用其独特的解析技术,对系统的运动、摩擦、发热等进行模拟数值解析,来确定各项设计参数。同时利用先进的摩擦学试验技术,对产品的各项性能进行试验评价,根据试验结果确定最优化的设计参数并投入批量生产。正是依靠在材料、润滑、解析、试验等摩擦学技术领域的突破,结合精湛的轴承制造技术,才使得NSK能够不断开发出长寿命、高精度、高可靠性，同时又具有节能、环保特点的新产品（图）。 无忧运转为客户提供整套解决方案解决方案轴承作为支承机械和使机器图 NSK产品开发的核心技术运转的重要零件，其使用性能对整机的性能和运行成本产生重要影响。除了轴承自身的品质之外，正确安装、合理润滑和

7、良好密封是提高轴承使用性能并降低主机寿命周期成本的重要条件。 如图所示，主机的寿命周期成本LCC(Life Cycle Cost) 由轴承的初期采购成本、运行成本和维护成本三部分构成。NSK不仅是轴承产品供应商（ProductProvider），更是整套解决方案的提供商(Solution Provider)。NSK不仅及时向顾客提供高品质的轴承，而且向顾客提供包括轴承安装、拆卸专用工具、专用润滑脂、设备运行状态(振动、噪音、温升）监测仪器等在内的整套解决方案，降低了轴承运行成本，延长了轴承寿命周期时间，从而将主机的运行维护成本及停机维护保养时间降为最低，使客户的设备实现无忧运转（图）

8、。因此，图中方案(2)虽然轴承的初期采购成本较高，但降低了主机的寿命周期成本，能为顾客获得利润，直接或间接的节省了资源和能源。  NSK作为轴承及汽车零部件制造业的领先者之一，凭借其90年来积累的摩擦学技术，不断开发出既满足市场需求，又节能、环保的新产品。汽車科技（35）-CVT 手/自一体变速器    CVT变速器在任何车速下都能发挥出发动机理想的最佳效率，重量轻体积小、燃油经济性好，CVT还具有手/自一体排档功能，既实惠又浪漫    CVT（Continuously Variable Transmission）

9、变速器在面世36年后还在努力证明自己是传统手动、自动变速器之外的一种选择，但重点已经改变了，CVT的争辩已经很少涉及技术性能可靠性和高扭矩，更多的关注焦点是工业化论点，如物理特性、消费者接受能力、制造复杂性、与其他技术的竞争能力等等。CVT最早是在上世纪60代末期由荷兰人Van Doorne首先将其安装在DAF车上。自此Van Doorne也成为了CVT的主角。    奥迪Multitronic CVT变速器示意    广州本田飞度匹配CVT变速器的动力总成    CVT的核心结构  

10、  CVT与传统手动、自动变速箱结构完全不同，它的内部核心结构不是齿轮，而是以两个可改变直径的传动轮中间套上传动带来传递扭矩。CVT的核心就是那条皮带，正是它传输着扭矩并无级地改变着速比。今天CVT皮带主要分为两种钢带和链条。Van Doorne的钢带是由数百片扁平的小钢片组成的。LuK的皮带则更像传统的链条，通过销子穿在一起，与Van Doorne的钢带相比能够传递更多的扭矩。Van Doorne制造的钢带占有世界91%的市场，福特、戴-克、菲亚特、多数日本制造商、变速器专家ZF全都使用Van Doorne提供的钢带。它的主要竞争对手就是德国的LuK，LuK将链条提供给奥迪。LuK

11、链条虽只占有市场的8%，但是它却占有大型CVT轿车一半以上的市场那些能产生250Nm以上扭矩的CVT变速器。    除了以上钢带、链条式CVT，还有一种套筒式CVT，在压力的作用下，通过滚筒接触点的改变来改变速比，如日本精工(NSK)的半环形无级变速器（Half Toroidal CVT）。    Multitronic变速比皮带轮及链条      CVT怎样工作    CVT不像手动变速器有几套固定传动比的齿轮，而是使用两套可调半径的皮带轮，用一根柔性皮带相连接。

12、通过皮带轮半径的改变来调节传动比。在起动时驱动皮带轮的半径要小，在高速时则相反。    CVT基本原理是将传动带两头各绕在一个锥形轮盘上，轮盘的外径大小无级地变化，便使两个轮盘之间产生从“大比小”到“小比大”的传动比变化，由此实现变速。早期的CVT对变速的控制是机械式的，以传动皮带转动产生的离心力驱动皮带轮左右两半接近或分离来改变速比。今天主要是电子控制皮带轮直径，速比的改变完全由电脑控制。过去传动带是以皮带制作，皮带不但本身能承受的拉力有限，而且它和锥轮容易发生打滑。所以早期的CVT变速箱能承受的扭矩较小。自从钢带和链条出现后才有所改变，如奥迪的Multitro

13、nic无级变速器采用Luk公司的链条，它可以承受350Nm以上的扭矩，从2000年开始它已装配在奥迪上。     奥迪Multitronic变速器剖视图    多数CVT都设有手动模式，提供手/自动一体化的功能。由于CVT理论上有无数种速比，车厂在CVT上设置的手动换档模式是用电脑程序将整个传动范围划分成几段，然后按预设的段落一段一段地去变换传动比，如南京菲亚特派里奥Speedgear设置了6个档位，奥迪A6也设定了6个档位。手排档主要用于发动机制动和超车。    CVT变速器的特点CVT变速器

14、与其它手/自一体变速器不同，要想快速驾驶就要选用自动模式。以CVT变速箱的自动模式加速，可以全程保持在发动机扭力输出最高的转速，不会有动力波动和换档真空期，因此是加速最快的。手动模式不能完全利用发动机最佳转速，加上换档耗费时间，所以加速慢。使用CVT需要注意斜坡溜车。不少CVT变速箱在动力接合的初段会发生打滑，所以CVT在较陡的斜坡起步时要以手刹辅助。起步时链条打滑会导致起步提速慢。    奔驰A级车CVT变速器剖视图    CVT的优点: 节省燃油、在任何车速均可获取理想发动机效率、重量轻体积小。CVT最大的优势是速比的改变过程是无

15、级地进行，乘客不会感觉到换档冲击，动力衔接平顺，这令CVT行车更舒服，加速也会比逐级换档快。由于行车中减少了转速的不必要波动，对省油也大有帮助。    新技术已经解决了CVT的一些短处。自从坚硬的钢连式皮带代替了橡胶皮带后，CVT的耐久性和可靠性有了质的飞跃，同时提高了最大传输扭矩; VDT（ Van Doorne Transmissie）新式钢带能够传输超过250Nm的扭矩，LuK链条能传输350Nm。但CVT还是存在缺点，如低生产量增加了制造成本、与众不同的外形增加了整车设计难度、驾驶者缺少运动感觉。    日产公司选择的半环形CVT无级变速器    日本精工(NSK)半环形CVT无级变速器    CVT前景看好由非主流到主流排档技术    CVT前景看好。Van Doorne看到了CVT巨大的前景: 2002年生产了100万条钢带，计划到2010年能生产200万台CVT变速器钢带。但其他人并没有分享这份热情: 通用已经决定停产CVT，以减少变速器制造的复杂性; 宝马也宣称下一代Mini将放弃CVT，而采用传统自动变速器; 在德国销售的Mini Cooper中CVT只占8.4%。而另一些制造商将C