戎榕:滚珠丝杠在线控底盘领域的发展和应用

  11月10日-12日,由中国汽车工业协会和武汉市人民政府共同主办的“2023中国汽车供应链大会暨第二届中国新能源智能网联汽车生态大会”在武汉经开区举办。本届供应链大会以“踔厉奋发,攻坚克难——打造安全、韧性、绿色汽车供应链”为主题,设置了“1场战略峰会、1场大会论坛、9场主题论坛”共11场会议,围绕供应链安全与布局、新型汽车供应链打造、传统供应链升级、全球化发展等热点话题进行深入交流与探讨,寻找构建世界一流汽车供应链的对策、方法和路径。其中,在11月12日上午举办的“主题论坛六:智能底盘——智能电动开创汽车底盘新时代”上,慈兴集团有限公司研发中心副总经理戎榕发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录:

  各位领导、各位嘉宾,大家好。今天非常荣幸,我们是作为滚珠丝杠零部件在这边发言。我今天主要讲滚珠丝杠在线控底盘领域的发展与应用。今天主办方和中汽创智以及几位发言嘉宾都是我们的客户,也欢迎后续可以做进一步交流。
  我今天主要从六个部分介绍,第一,滚珠丝杠的简介。第二,集团介绍。第三,集团获得荣誉,第四,集团产品。第五,滚珠丝杠工艺和制造。第六,测试能力。
  行业背景。滚珠丝杠主要作用是转向和直线运动的转换,在早期基本上是使用在机床,传动丝杠比较多,现在随着汽车产业的发展,滚珠丝杠的应用也越来越普遍。比如说目前用在一些汽车电子刹车、电子驻车、电子离合器和转向系统。与传统滚珠丝杠相比,车用滚珠丝杠的特点是载荷比较大,工况相对传统机床丝杠会复杂很多,而且精度相对比较高。相比传统机床用滚珠丝杠,它的量级也比较大。滚珠丝杠一般会有两类,一类是滑动丝杠,还有一类是滚珠丝杠,滚珠丝杠的特点有三点,一是效率,滚珠丝杠效率可以达到85%以上。二是运行性能。滚珠丝杠的运行性能,在高速和承载能力相对比较突出。三是寿命耐久方面,滚珠丝杠可以全周期,可以不用维护,这个特点也是我们车用滚珠丝杠比较符合的。
  滚珠丝杠的发展历史。2011年开始开发REPS转向滚珠丝杠,2012年的样件开发,2013年、2014年开始完善滚珠丝杠的滚压工艺,随着批量的增加,早期的工艺产量已经无法满足实际需求,所以开发完善了滚珠丝杠的滚压工艺。从2015年到2018年这段时间主要是开发微型滚珠丝杠,比如说一些制动用滚珠丝杠,还有DCT的传动丝杠,以及滚珠丝杠产线的布局,2018年开始开发IBS用的滚珠丝杠,到了2019年基本上DCT齿轮传动用滚珠丝杠实现大规模量产,包括E—离合器用滚珠丝杠实现大规模量产,同时也进行产学研,跟高校开始开展滚珠丝杠的理论研究。2020年以后基本上电车用离合器用滚珠丝杠样件开发和量产,2022年到现在制动系统用的滚珠丝杠以及转向系统用的滚珠丝杠也实现了大规模量产。
  产品开发主要使用这几大系统中,一个是变速箱系统,如DCT的齿轮传动,离合器,电动减速器执行机构,还有一些用在制动系统,比如说EPB驻车系统,IBS集成式驻车系统中。第三大部分是使用在转向系统,REPS电动助力转向系统,SBW线控系统转向系统。
  慈兴集团成立于1984年,生产中高端轴承和车用滚珠丝杠的民营跨国企业,全球业务有三大块,美洲板块、欧洲板块和亚洲板块。我们的产品主要应用于奔驰、宝马、大众、福特、通用、比亚迪、蔚来、长城等汽车品牌,滚珠丝杠产品批量供货到汽车制动系统、驻车系统、转向系统、变速箱换挡器等重要部位,目前滚珠丝杠年产品力大概是500万套,是中国轴承的前10强,我们也是国内车用滚珠丝杠的领军企业。
  目前我们的销售布局有三大板块,美洲板块,我们在美国的密歇根州、加利福尼亚,有自己的销售公司和周转仓库,在底特律有一家生产公司,在墨西哥有自己的销售公司和周转仓库,在墨西哥也有一家生产公司,在欧洲板块主要是在德国的汉堡、斯图加特、意大利的米兰等,我们拥有自己的销售公司和周转仓库。在亚洲板块,主要是在首尔、爱知县拥有自己的销售线和周转仓库,在国内的上海和台湾拥有自己的销售公司和周转仓库,同时在国内有3个生产基地,一个是在安徽广德,第二个是在江苏启东,第三个是在宁波慈溪,我们的研发中心目前也是在宁波慈溪,其实也不是很远,各位专家如果可以来,我们欢迎大家来总部进行交流参观指导。
  市场份额。目前集团2022年主营业务为20亿,在三大板块来说,基本上是1/3均等。产品应用分布,主要包括汽车领域,占70%,在工业领域占14%,在电动工具和园林工具、白色家电领域也有分布。这个是我们的研发创新平台,主要有三大平台,国家企业技术中心,国家博士后工作站,CNAS实验室,这个对我们的产品研发创新带来了一定的促进作用。这个是我们在2022年获得的某整车厂的特别贡献奖。目前我们的知识产权涉及到滚珠丝杠的发明专利8项,实用新型专利53项。
  产品介绍,主要是四大系统,制动系统、转向系统、动力系统和驻车系统。这是I—booster的应用介绍,滚珠丝杠替代传统的涡轮蜗杆、齿轮齿条,优点是低噪音、传动效率高、寿命长,结构性更加紧凑。滚珠丝杠的设计,我们可以根据客户需求进行一些定制化设计,比如说导程、有效行程、中心径、钢球直径等等,我们也会做一些动力学分析,比如滚压过程仿真分析,主要是分析在滚压过程中的滚压轮和产品受到的应力分析,从而优化滚压工艺。
  第二个是钢球承载能力仿真分析,可以对高球动态性能和承载能力寿命进行仿真分析。这个是回球管分析,包括一些内循环的反向器,我们也会对回球结构进行优化设计。右边是我们优化后的NVH变化水平。同时我们也会进一步分析滚珠丝杠内部的旋转运动分析,主要是受到三大因素,比如说设计因素、安装因素和运行条件等等,比如说设计因素,会对回球路径、滚道和内部钢球运行进行设计,加工安装会对安装高度、位置度进行优化,第三个是运行条件,主要是客户实际使用的载荷在正中间,有些是偏载,我们根据不同情况进行分析。这个是回球运动分析,我们会对进出回球管钢球姿态做一些匹配性分析。我们目前这个表格里面是已经形成的系列化标准化产品,基本上都是量产的,像EHB制动系统,EMB的制动系统处于开发阶段。
  我们的滚珠丝杠工艺制造,滚压的节拍时间短,成本较低,但是缺点是运动精度和尺寸精度相对较低,研磨工艺是尺寸精度高,运行效率高,但是在加工节拍时间长,成本高。目前的循环方式有端盖式、内循环式、外循环式结构,例如,内循环结构,在NVH上表现较好,但是在结构紧凑性和成本上相对比较不友好,我们会根据客户具体需求进行特殊设计。目前我们的量产能力,滚珠丝杠螺母轴承单元可以达到45万套,微型滚珠丝杠是30万套,齿条滚珠丝杠3万套。目前丝杠加工范围,外径在8到70mm之间,螺母外径在15到18mm之间,螺母长度在15到140mm。测试能力,第一部分是材料检测,目前有40余台设备可以对所有材料成分进行分析,包括对高分子的材料进行分析,第二部分是尺寸检测类的,三坐标、轮廓仪、扫描仪、螺纹测量仪等等。第三部分性能试验,一个是微型滚珠丝杠,一个是齿条滚珠丝杠,因为在结构上的差异非常大,所以不能用相同设备,微型滚珠丝杠,我们自主开发了传动效率试验机、NVH试验机、机械摩擦力矩阵试验机。齿条滚珠丝杠的试验机,我们开发了效率+NVH、机械摩擦力、高低温耐久试验等等试验机。
  目前我们已经批量的产品一些试验表现,这个是微型滚珠丝杠的高低温耐久试验,工况可以满足零下40度到120度之间,目前我们的试验表现可以运行260万次循环以后寿命可靠性大于等于5.0,实验后产品没有任何异常,并且通过客户测试进行批量生产。第二个是EHB制动系统用微型滚珠丝杠NVH试验,在去程和回程NVH值变现良好,也满足客户需求。这个是EPB的驻车系统卡钳效率试验,目前已经批量了八年,在总成上的表现也非常不错。这个是RBNA转向系统用齿条滚珠丝杠效率试验,在试验工况下,试验表现可以满足效率在85%以上。
  这个是我们RBNA转向系统用齿条滚珠丝杠耐久试验,可以满足16KN,齿条移动速度70mm/s,行程正负84mm,目前已经通过客户测试,已经批量生产。这个是我们齿条滚珠丝杠高低温机械摩擦力试验,齿条移动速度可以达到45,最大行程在正负84mm,在机械摩擦力方面能通过客户测试,并在总成系统里面表现是比较好的。我们对于NVH控制过程的介绍,基本上根据客户应用工况的输入,我们会确认一些设计因素,比如工艺设计、试验工装因素等等,我们会考量这些因素,然后进行产品设计,产品生产之后,会对NVH进行测试,这里面可能会出现NG,我们会回到确认影响NVH因素里面,并反复迭代,最后满足客户的需求,并固化设计和测试规范,从而达到NVH的质量确保。
  最后,滚珠丝杠虽然只是智能底盘里面的一种机械零部件,但是我们也是希望给智能底盘的发展贡献自己的一份力量。谢谢大家。
  (注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)
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