乘用車輪轂軸承阻力矩要因分析及降阻研究

曾 維 ， 李雪航 ， 鄭 為

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.湖北新火炬科技有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 前言

近年來，世界各國對(duì)碳排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題越來越重視，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。在此環(huán)境下，低油耗、新能源就成了汽車行業(yè)的發(fā)展方向，隨著國家乘用車“雙積分”政策的實(shí)施，適應(yīng)低油耗、新能源、高行駛里程的技術(shù)發(fā)展將駛?cè)肟燔嚨繹1-2]?！半p積分”政策包含油耗積分和新能源汽車積分兩個(gè)方面，二者共同決定車企的最終得分。自實(shí)施“雙積分”政策以來，減小摩擦損耗和輕量化已成為燃油車和新能源車共同的發(fā)展趨勢(shì)。

在減小摩擦損耗方面，國內(nèi)眾多學(xué)者開展了大量的有益探索。莫易敏等[3]研究了不同潤(rùn)滑脂對(duì)輪轂軸承摩擦力矩和整車滑行油耗的影響，證實(shí)潤(rùn)滑脂黏度越低，摩擦力矩越小，油耗越少。肖勇[4]基于臺(tái)架試驗(yàn)研究了密封和非密封兩種工況下潤(rùn)滑脂對(duì)輪轂軸承的影響，研究表明，在密封條件下潤(rùn)滑脂相似黏度越低潤(rùn)滑效果越好，而在非密封條件下潤(rùn)滑脂的相似黏度與輪轂軸承的摩擦力矩?zé)o明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。王國輝等[5]采用ANSYS軟件對(duì)輪轂軸承密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，采用試驗(yàn)證實(shí)新型結(jié)構(gòu)密封件可顯著降低扭矩。徐偉等[6]通過理論分析和試驗(yàn)證實(shí)了密封圈型式、油脂類型、負(fù)游隙是影響輪轂軸承的主要因素，并證實(shí)了采用三唇結(jié)構(gòu)的密封圈、低黏度的油脂均能顯著降低摩擦力矩，而負(fù)游隙對(duì)摩擦力矩的影響相對(duì)較小。莫易敏等[7]采用臺(tái)架試驗(yàn)研究了密封圈、負(fù)游隙和潤(rùn)滑脂三個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響，并進(jìn)行了NEDC整車綜合油耗試驗(yàn)，研究表明優(yōu)化后的輪轂軸承整車油耗值降低0.13 L/100 km。此外，莫易敏等[8]針對(duì)某前置前驅(qū)車型輪轂軸承阻力較大的問題，采用試驗(yàn)對(duì)比分析了該輪轂軸承單元在三種不同密封狀態(tài)下的摩擦力矩變化趨勢(shì)，然后基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)密封圈進(jìn)行優(yōu)化，證實(shí)優(yōu)化后的輪轂?zāi)Σ亮赜兴档?。張守麗等[9]基于ABAQUS建立了輪轂軸承密封圈的二維軸對(duì)稱模型，分析了密封唇傾斜角、唇厚、過盈量、唇邊夾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封圈密封性能和摩擦力矩的影響，并完成了相關(guān)驗(yàn)證工作。王建華等[10]分析了輪轂軸承摩擦力矩及其影響因素，開展了摩擦力矩特性試驗(yàn)研究，探索了滾道預(yù)載荷、密封過盈量、密封潤(rùn)滑脂、密封圈接觸表面粗糙度等對(duì)摩擦力矩的影響，并指出了低摩擦輪轂軸承的開發(fā)方向。

本研究基于臺(tái)架試驗(yàn)開展輪轂軸承摩擦力矩影響因素分析，在明確摩擦力矩顯著性影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，研究結(jié)果對(duì)輪轂軸承低摩擦力矩設(shè)計(jì)具有理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。

1 輪轂軸承臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)是本研究采用的重要手段，其目的在于測(cè)得與實(shí)際工況相仿的輪轂軸承的摩擦力矩，臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。其主要由主軸箱、縱向加載機(jī)構(gòu)、軸向加載機(jī)構(gòu)、控制柜和底座等構(gòu)成，其中，各加載機(jī)構(gòu)用于模擬輪轂軸承的實(shí)際使用工況，加載機(jī)構(gòu)和動(dòng)作如圖2所示。

圖1 輪轂軸承單元摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)

圖2 試驗(yàn)測(cè)試加載示意圖

臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試過程如下：首先將輪轂軸承與主軸箱的轉(zhuǎn)盤固聯(lián)，然后驅(qū)動(dòng)主軸以500±30 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)磨合10 min，最后再以500±30 r/min的轉(zhuǎn)速測(cè)量輪轂軸承在穩(wěn)定狀態(tài)下的平均摩擦力矩值。臺(tái)架主要性能指標(biāo)：主軸轉(zhuǎn)速0～2 000 r/min，扭矩傳感器測(cè)量范圍0～10 N·m，精度0.005 N·m；軸向加載機(jī)構(gòu)和徑向加載機(jī)構(gòu)的載荷范圍分別為0～5 kN、0～10 kN，采取氣動(dòng)加載，載荷穩(wěn)定性好。

2 摩擦力矩要因分析

2.1 滾道精度對(duì)摩擦力矩的影響

輪轂軸承摩擦力矩的影響因素眾多，與其結(jié)構(gòu)、密封圈、潤(rùn)滑脂、制造精度及裝配精度密切相關(guān)。下面結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)各因素的顯著性程度進(jìn)行分析。

軸承滾道表面是承受外界載荷以及與滾動(dòng)體相對(duì)摩擦的主要表面，滾道的精度和表面質(zhì)量的好壞關(guān)系到輪轂軸承的質(zhì)量和使用壽命，提高滾道的精度和表面質(zhì)量對(duì)提高其整體使用性能和壽命具有重要意義。下面以國產(chǎn)某型輪轂軸承為例，與外資輪轂軸承開展?jié)L道精度及摩擦力矩對(duì)標(biāo)分析，具體數(shù)據(jù)如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)，該型國產(chǎn)軸承在滾道輪廓度、滾道粗糙度、滾道圓度、滾道跳動(dòng)、滾道平行差等精度指標(biāo)方面均與外資軸承水平相當(dāng)，且輪轂軸承的摩擦力矩水平也相當(dāng)。由此表明，無論是外資軸承還是國產(chǎn)軸承，目前滾道精度的提升空間較小，對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響也不會(huì)太大。

表1 滾道精度測(cè)試項(xiàng)目

2.2 裝配游隙對(duì)摩擦力矩的影響

預(yù)壓/游隙與輪轂軸承性能指標(biāo)之間的映射關(guān)系，如圖3所示?？梢钥闯?，該型產(chǎn)品游隙對(duì)壽命、摩擦力矩和剛度的影響程度是不同的，因此在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮游隙對(duì)輪轂產(chǎn)品主要性能參數(shù)的綜合影響。結(jié)合游隙-摩擦力矩變化曲線可知，摩擦力矩與負(fù)游隙的絕對(duì)值成正相關(guān)，也即游隙越小摩擦力矩越大，由此說明游隙是影響摩擦力矩的顯著性因素。

圖3 預(yù)壓/游隙與輪轂軸承性能指標(biāo)之間的映射關(guān)系

2.3 軸承油脂對(duì)摩擦力矩的影響

輪轂軸承油脂可以降低軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)阻滯力（攪拌阻抗、滾動(dòng)阻抗、滾動(dòng)粘性阻抗），從而降低軸承摩擦力矩。使用不同油脂時(shí)的輪轂軸承試樣力矩，如表2所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油膜厚度大時(shí)，鋼球的滾動(dòng)粘性阻抗大，其阻滯力也越大，從而導(dǎo)致摩擦力矩增大；當(dāng)油膜厚度小時(shí)，鋼球的滾動(dòng)阻抗小，摩擦力矩也相應(yīng)較小。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，輪轂軸承油脂對(duì)摩擦力矩的影響較大，屬于顯著性影響因素。

表2 不同油脂時(shí)的輪轂軸承試樣力矩 單位：N·m

2.4 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦力矩的影響

輪轂軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，如圖4所示。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響，如表3所示。由表3可知，軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小可以適當(dāng)降低摩擦力矩，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承壽命和接觸應(yīng)力等性能指標(biāo)大幅降低，總體來說，犧牲軸承壽命性能來微量改善力矩是不值得的。因此，不考慮將軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)作為摩擦力矩的重要影響因素。

表3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的輪轂軸承摩擦力矩

圖4 輪轂軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2.5 密封圈材料對(duì)摩擦力矩的影響

針對(duì)某型輪轂軸承的現(xiàn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，開展密封圈材料對(duì)摩擦力矩的影響研究。通過選用三種不同材料，開展臺(tái)架試驗(yàn)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖5可知，密封圈橡膠材料特性直接影響密封圈摩擦力矩，因此橡膠材料屬于摩擦力矩的重要影響因素。同時(shí)，由于橡膠材料特性會(huì)影響密封壽命，因此在選擇橡膠材料時(shí)必須同時(shí)考慮摩擦力矩和密封壽命。

圖5 三種不同密封圈材料下的摩擦力矩

2.6 密封圈油脂對(duì)摩擦力矩的影響

結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)分析不同密封圈油脂對(duì)摩擦力矩的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，密封圈油脂對(duì)摩擦力矩影響顯著，屬于顯著性影響因素。但是，在選用潤(rùn)滑脂時(shí)除了考慮對(duì)摩擦力矩的影響外，還要考慮對(duì)密封性能的影響，后面將結(jié)合相關(guān)性能的臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行說明。

表4 不同密封圈油脂時(shí)的摩擦力矩 單位：N·m

2.7 接觸表面處理對(duì)摩擦力矩的影響

密封圈接觸表面的處理方式直接決定著接觸對(duì)之間的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)，常見的處理方式有唇口表面涂層、唇口表面梨花處理和防塵蓋骨架LF低摩擦處理，如圖6所示。不同接觸表面處理時(shí)的摩擦力矩曲線如圖7所示，由圖7可知，通過密封圈表面進(jìn)行制構(gòu)處理（微處理）可以降低摩擦系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)密封圈摩擦力矩的降低。因此，密封圈表面處理是影響摩擦力矩的重要因素，但與此同時(shí)密封圈接觸表面處理也會(huì)影響密封壽命，在設(shè)計(jì)校核過程中也需要考量對(duì)密封壽命的影響。

圖6 密封圈接觸表面的處理方式

圖7 不同接觸表面處理方式下的摩擦力矩

3 摩擦力矩降阻研究

3.1 產(chǎn)品現(xiàn)行設(shè)計(jì)的摩擦力矩構(gòu)成分析

下面以某型輪轂軸承的現(xiàn)行產(chǎn)品為例，開展摩擦力矩構(gòu)成分析。制備6件試樣在臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上開展不同裝配條件下的摩擦力矩測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)密封圈、外側(cè)密封圈、油脂所產(chǎn)生的摩擦力矩?cái)?shù)值分別為0.37 N·m、0.37 N·m和0.33 N·m，占比分別為27.4%、27.4%、24.4%，均大于單純由輪轂軸承產(chǎn)生的摩擦力矩?cái)?shù)值0.28 N·m。由表5可知，該產(chǎn)品現(xiàn)行設(shè)計(jì)的摩擦力矩大于1 N·m。下面基于上述顯著性因素分析開展降阻研究，目標(biāo)摩擦力矩低于1 N·m。

表5 不同裝配條件下的試件摩擦力矩 單位：N·m

3.2 改進(jìn)措施及試驗(yàn)

擬從密封圈結(jié)構(gòu)更改、游隙調(diào)整和軸承內(nèi)油脂選用三個(gè)角度開展摩擦力矩降阻研究。首先，在密封圈結(jié)構(gòu)方面，將現(xiàn)行產(chǎn)品的三唇結(jié)構(gòu)更改為二唇結(jié)構(gòu)，材料由常規(guī)橡膠替換為低扭矩橡膠，并且在唇口接觸面處進(jìn)行梨花處理，更改前后的密封圈結(jié)構(gòu)如圖8所示。其次，在游隙控制方面，對(duì)現(xiàn)行產(chǎn)品的最大/最小游隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最大/最小游隙由-0.004 mm/-0.038 mm更改為0 mm/-0.03 mm。最后，更換軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油脂，采用較低黏度的潤(rùn)滑油脂進(jìn)行代替。上述改進(jìn)措施如圖9所示。為敘述方便，將改進(jìn)后的產(chǎn)品稱作改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖8 密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后示意圖

圖9 降低輪轂軸承摩擦力矩的改進(jìn)措施

由上述研究可知，摩擦力矩與游隙的絕對(duì)值成正相關(guān)，因此分別在極限游隙附近制備試樣。其中，現(xiàn)行設(shè)計(jì)試樣的極限小游隙和極限大游隙分別為-0.004 mm和-0.038 mm，改進(jìn)設(shè)計(jì)試樣的極限小游隙和極限大游隙分別為0 mm和-0.03 mm，裝配后在最大、最小游隙處分別制備4只試樣，將共計(jì)16只試樣分別按照操作規(guī)范進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。其中，不同裝配條件時(shí)的摩擦力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6至表9所示。由表6至表9可知，本次優(yōu)化措施是有成效的，所有試驗(yàn)的摩擦力矩均小于1 N·m。

下面以極限小游隙處的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先，由表9計(jì)算可知，現(xiàn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的摩擦力矩平均值分別為138.75 N·cm和89.75 N·cm，摩擦力矩總體降幅為49 N·cm，總體降低率為35.3%。其次，由表6至表9計(jì)算可知，不同裝配條件下的摩擦力矩平均改變量分別為5.75 N·cm、18.75 N·cm、34.25 N·cm和49 N·cm；其中，由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)導(dǎo)致的49 N·cm的摩擦力矩降幅中，由內(nèi)密封圈導(dǎo)致的摩擦力矩降幅為49-34.25=14.75 N·cm，由外密封圈導(dǎo)致的摩擦力矩降幅為34.25-18.75=15.5 N·cm，由軸承油脂導(dǎo)致的摩擦力矩降幅為18.75-5.75=13 N·cm，由裝配游隙導(dǎo)致的摩擦力矩降幅為5.75 N·cm，說明由裝配游隙改變產(chǎn)生的摩擦力矩降阻效果最小，而其余三項(xiàng)的降阻效果都較大。

表6 不帶密封圈不涂軸承油脂裝配條件下的摩擦力矩

表7 不帶密封圈裝配條件下的摩擦力矩

表8 只有外密封圈裝配條件下的摩擦力矩

表9 試樣總成的摩擦力矩

4 結(jié)束語

1）基于臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)影響輪轂軸承摩擦力矩的因素進(jìn)行顯著性分析，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：裝配游隙、軸承油脂、密封圈材料、密封圈油脂、接觸表面處理屬于摩擦力矩的顯著性影響因素，滾道精度和軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦力矩的影響不顯著。

2）以某產(chǎn)品為例，確定了裝配游隙、軸承油脂、內(nèi)側(cè)密封圈和外側(cè)密封圈在輪轂軸承摩擦力矩中的占比。通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，結(jié)果證實(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)試樣的摩擦力矩低于設(shè)計(jì)目標(biāo)力矩，同時(shí)分析了裝配游隙、軸承油脂、內(nèi)側(cè)密封圈和外側(cè)密封圈改進(jìn)對(duì)摩擦力矩降阻的影響，證實(shí)軸承油脂、內(nèi)側(cè)密封圈和外側(cè)密封圈改進(jìn)的降阻效果相當(dāng)且較大，而裝配游隙的降阻效果相對(duì)較小。

3）本研究為乘用車輪轂軸承低摩擦力矩實(shí)用化研究提供了參考。