汽車(chē)行駛中輪轂軸承單元?jiǎng)討B(tài)摩擦力矩測(cè)量和能耗評(píng)估

范圍廣,方靜

(萬(wàn)向錢(qián)潮股份公司 技術(shù)中心,杭州 311215)

輪轂軸承單元(以下簡(jiǎn)稱輪轂軸承)是安裝于汽車(chē)車(chē)輪處承載車(chē)重并傳動(dòng)、引導(dǎo)汽車(chē)行駛的重要部件[1]。為滿足全球節(jié)能減排的要求,降低汽車(chē)在行駛過(guò)程中因輪轂軸承摩擦力矩產(chǎn)生的能耗非常重要。影響輪轂軸承摩擦力矩的因素有:1)外部因素,如軸承載荷(車(chē)重等)、轉(zhuǎn)速(車(chē)速)、環(huán)境溫度及汽車(chē)行駛道路條件等;2)內(nèi)部因素,如密封結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑脂、游隙、軸承零件精度等[2]。

受試驗(yàn)設(shè)備及汽車(chē)廠無(wú)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等限制, 目前國(guó)內(nèi)輪轂軸承摩擦力矩試驗(yàn)多按照車(chē)輛滿載、勻速、直線行駛的條件進(jìn)行測(cè)試,即按照J(rèn)B/T 13353—2017《滾動(dòng)軸承 汽車(chē)輪轂軸承單元試驗(yàn)及評(píng)定方法》只施加徑向載荷和較低恒定轉(zhuǎn)速,僅測(cè)量其穩(wěn)定狀態(tài)的摩擦力矩值,沒(méi)有計(jì)算輪轂軸承因摩擦阻力產(chǎn)生的單位能耗,該測(cè)量方法和結(jié)果不能很好表示輪轂軸承在汽車(chē)實(shí)際行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)摩擦力矩及能耗情況。因?yàn)槠?chē)在實(shí)際行駛過(guò)程中,輪轂軸承既承受地面的支撐力(徑向力),又承受汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)向力(軸向力)[3],且不同道路環(huán)境下行駛速度和環(huán)境溫度不斷變化。因此本文介紹測(cè)量輪轂軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩的設(shè)備和方法,并給出輪轂軸承摩擦能耗的計(jì)算公式;利用專用試驗(yàn)機(jī)模擬汽車(chē)實(shí)際工況,測(cè)量某汽車(chē)配套輪轂軸承的實(shí)際摩擦能耗,并對(duì)不同溫度和車(chē)速下的摩擦能耗進(jìn)行分析。

1 輪轂軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩測(cè)量和能耗評(píng)估計(jì)算方法

1.1 輪轂軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩測(cè)量

利用專用試驗(yàn)機(jī)測(cè)量輪轂軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩,試驗(yàn)機(jī)測(cè)量原理如圖1所示[4],圖中:lET為輪轂軸承安裝偏距,mm;rdyn為汽車(chē)車(chē)輪動(dòng)態(tài)滾動(dòng)半徑,mm。該試驗(yàn)機(jī)機(jī)械部分包括變頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、輪轂軸承固定夾具、2個(gè)方向的加載裝置、靜壓軸承系統(tǒng)、高低溫環(huán)境箱以及測(cè)量溫度、轉(zhuǎn)速、力和摩擦力矩的各種傳感器。

1—旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);2—去耦合組件;3—加載裝置;4,6—工裝夾具;5—輪轂軸承;7—靜壓軸承;8—扭矩傳感器;9—徑向加載;10—軸向加載;11—轉(zhuǎn)速傳感器。

試驗(yàn)機(jī)的電動(dòng)機(jī)通過(guò)軟軸連接輪轂軸承并驅(qū)動(dòng)輪轂軸承旋轉(zhuǎn),加載裝置通過(guò)支承軸承對(duì)輪轂軸承施加徑向載荷Fr和軸向載荷Fa;輪轂軸承外圈凸緣通過(guò)夾具與靜壓軸承相連,靜壓軸承起支承及傳遞扭矩的作用;扭矩傳感器安裝在靜壓軸承尾端以測(cè)量輪轂軸承實(shí)時(shí)摩擦力矩;試驗(yàn)輪轂軸承及部分夾具置于高低溫環(huán)境箱內(nèi),一個(gè)溫度傳感器安裝在輪轂軸承非旋轉(zhuǎn)面上,用于測(cè)量輪轂軸承的實(shí)際溫度,另一個(gè)溫度傳感器懸空于高低溫環(huán)境箱內(nèi),用于測(cè)量環(huán)境溫度。試驗(yàn)時(shí)輪轂軸承樣件安裝可使用輪轂軸承實(shí)車(chē)的原裝周邊件, 如原裝制動(dòng)盤(pán)、 轉(zhuǎn)向支架、 鎖緊軸和螺桿等, 也可使用替代工裝,以盡量模擬真實(shí)車(chē)輛行駛狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程中,需測(cè)量并記錄每個(gè)試驗(yàn)程序階段輪轂軸承的摩擦力矩和溫度。試驗(yàn)機(jī)需滿足信號(hào)低通濾波要求,試驗(yàn)機(jī)軟件需能自動(dòng)分析、識(shí)別并記錄穩(wěn)定狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù),穩(wěn)定狀態(tài)的要求為:在同一個(gè)試驗(yàn)程序階段內(nèi),當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量的摩擦力矩與3 min內(nèi)摩擦力矩平均值保持在±0.02 N·m的偏差范圍內(nèi)時(shí),摩擦力矩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量的輪轂軸承溫度與3 min內(nèi)軸承溫度平均值保持在±0.3 ℃的偏差范圍內(nèi)時(shí),輪轂軸承的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 輪轂軸承摩擦能耗評(píng)估計(jì)算

為評(píng)估計(jì)算輪轂軸承的平均摩擦力矩或穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦力矩τF以及在最新歐洲駕駛循環(huán)周期程序(New European Driving Cycle, NEDC)、全球通用輕型車(chē)輛測(cè)試程序(World Light Vehicle Test Procedure, WLTC)工況下輪轂軸承的總摩擦能耗、實(shí)時(shí)摩擦功率和累積行駛總距離,需進(jìn)行輪轂軸承摩擦力矩及能耗臺(tái)架性能試驗(yàn),測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)摩擦力矩及轉(zhuǎn)速,則[4]

PF(t)=2πτF(t)n(t) ,

(1)

(2)

(3)

式中:PF(t)為實(shí)時(shí)摩擦功率,W;τF(t)為實(shí)時(shí)摩擦力矩,N·m;n(t)為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,r/min;WF為輪轂軸承總摩擦能耗,W·h;s為總摩擦能耗WF對(duì)應(yīng)的汽車(chē)?yán)鄯e行駛總距離,m;t為時(shí)間,s。

為保障輪轂軸承能耗測(cè)量評(píng)估的準(zhǔn)確性和可研究性,在每個(gè)試驗(yàn)程序階段均需要控制并記錄試驗(yàn)初始時(shí)軸承溫度TB0和環(huán)境溫度TA以及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的軸承溫度TBt。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)軸承

試驗(yàn)軸承選擇國(guó)內(nèi)某合資汽車(chē)主機(jī)廠乘用車(chē)配套的第3代輪轂軸承2套,分別記為軸承A和B,2套軸承型號(hào)相同,分別來(lái)自國(guó)內(nèi)某供應(yīng)商和國(guó)外某供應(yīng)商。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

利用德國(guó)SO190133型輪轂軸承摩擦力矩專用試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn),監(jiān)控環(huán)境溫度、軸承溫度、徑向力、軸向力、轉(zhuǎn)速、摩擦力矩等參數(shù)。該試驗(yàn)機(jī)的加載方式為氣動(dòng)(氣囊)加載,扭矩傳感器采用液體靜壓軸承支承,試驗(yàn)機(jī)自身的摩擦阻力可忽略不計(jì)。試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率為300 r·min-1·s-1以上,扭矩傳感器最大量程為5 N·m,精度為滿量程的1%,環(huán)境箱溫度為-20～+100 ℃,溫度偏差為±0.5 ℃,信號(hào)采樣頻率為500 Hz。

2.3 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)靜態(tài)緩慢施加徑向載荷Fr和軸向載荷Fa,載荷貫穿整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中并保持不變,Fr=4 500 N,Fa=225 N,rdyn=350 mm(也可根據(jù)實(shí)際車(chē)輪半徑選取),試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速n可由車(chē)速n0和動(dòng)態(tài)滾動(dòng)半徑rdyn換算得出。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和溫度見(jiàn)表1,輪轂軸承順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)各進(jìn)行一次試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)程序載荷譜

WLTC和NEDC的工況路譜分別如圖2、圖3所示[5]:WLTC工況路譜分為低速、中速、高速和超高速4個(gè)階段,最大車(chē)速為131 km/h,平均速度為46.5 km/h,時(shí)間共計(jì)30 min,測(cè)試總里程為23.25 km;NEDC工況路譜包括4個(gè)市區(qū)道路駕駛循環(huán)(每個(gè)駕駛循環(huán)時(shí)間200 s且不同時(shí)間段車(chē)速不同)和1個(gè)市郊道路駕駛循環(huán),市區(qū)道路行駛車(chē)速較低,郊區(qū)道路行駛車(chē)速較高,整個(gè)循環(huán)的最大車(chē)速為120 km/h,平均速度為33.35 km/h,時(shí)間共計(jì)20 min,測(cè)試總里程為10.93 km。

師：你講得非常好，一語(yǔ)道破了這一類問(wèn)題的本質(zhì)．這也就是我們有些輔導(dǎo)書(shū)上所講的“一線三等角”“一線三直角”問(wèn)題，其實(shí)它還是證明勾股定理時(shí)的弦圖的一半的一個(gè)變式圖形(畫(huà)示意圖略)，所以有些資料上也稱之為“變式弦圖”．這一類圖形的共性就是有三個(gè)角相等，并由此產(chǎn)生一系列的全等或相似，在解題過(guò)程中我們要善于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜圖形中的基本圖形，充分利用好基本圖形的性質(zhì)，就能給解題帶來(lái)極大的方便．

圖2 WLTC工況路譜

圖3 NEDC工況路譜

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按表1程序試驗(yàn)后,摩擦能耗等參數(shù)按照(1)—(3)式計(jì)算,下面給出主要試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)并以軸承A為例繪制試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)變化曲線。

第1次磨合試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖4所示:汽車(chē)在恒速下行駛,輪轂軸承摩擦力矩從最初2.7 N·m左右緩慢降低并趨于穩(wěn)定;隨著磨合試驗(yàn)時(shí)間的增加,軸承溫度不斷升高。

表2 第1次磨合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 第1次磨合試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

EC滑行階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖5所示:汽車(chē)EC滑行階段,車(chē)速?gòu)?40 km/h勻減速至0,勻減速過(guò)程中輪轂軸承的摩擦力矩及溫度均比較穩(wěn)定。

表3 EC滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 EC滑行試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

第2次磨合試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖6所示。

表4 第2次磨合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 第2次磨合試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

因?yàn)閃LTC和NEDC路譜下的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速是不斷變化的,摩擦力矩也是不斷變化的,無(wú)法確定穩(wěn)態(tài)的摩擦力矩或平均摩擦力矩,此時(shí)可通過(guò)(2)式求得總摩擦能耗WF。

WLTC加熱環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5,軸承A的參數(shù)曲線如圖7所示:摩擦功率曲線與車(chē)速曲線的趨勢(shì)比較吻合,這與(1)式一致,實(shí)時(shí)摩擦功率與實(shí)時(shí)摩擦力矩和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的乘積成正比,實(shí)時(shí)摩擦力矩的變化范圍很小,實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速變化很大且快,所以實(shí)時(shí)摩擦功率與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速近似成正比。圖8和圖9中摩擦功率曲線與車(chē)速曲線也具有極大的相關(guān)性。

表5 WLTC加熱環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 WLTC加熱環(huán)境試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

圖8 WLTC冷卻環(huán)境試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

圖9 NEDC試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

WLTC冷卻環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖8所示。

表6 WLTC冷卻環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)

NEDC工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖9所示。

表7 NEDC工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

-10 ℃低溫環(huán)境、50 km/h恒定車(chē)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖10所示:軸承溫度逐漸升高,摩擦力矩逐漸降低。

表8 低溫環(huán)境下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 低溫環(huán)境試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

40 ℃高溫環(huán)境、50 km/h恒定車(chē)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9,軸承A的參數(shù)變化曲線如圖11所示。

表9 高溫環(huán)境下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11 高溫環(huán)境試驗(yàn)中軸承A的參數(shù)變化曲線

分析表2—表9數(shù)據(jù)可知:

1)對(duì)于摩擦力矩,同條件下軸承A的摩擦力矩大于軸承B,但二者非常接近,屬于同一水平;對(duì)于摩擦能耗, WLTC工況下綜合比較加熱和冷卻環(huán)境、順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù),軸承B的摩擦能耗比軸承A低9.9%,NEDC工況下軸承B的摩擦能耗比軸承A低17.2%,即同條件下,國(guó)外供應(yīng)商輪轂軸承的摩擦能耗略低于國(guó)內(nèi)供應(yīng)商。

2)同一套輪轂軸承順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩和能耗差異較小,可見(jiàn)駕駛條件相同的情況下,汽車(chē)前進(jìn)和后退時(shí)輪轂軸承的摩擦力矩和能耗差異也較小。

3)由表2和表4可知,環(huán)境溫度相同、汽車(chē)行駛速度較大(大于50 km/h)的情況下,車(chē)速對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響較小;由表8和表9可知,環(huán)境溫度對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響較大,低溫環(huán)境下(-10 ℃)的摩擦力矩明顯大于高溫環(huán)境下(40 ℃);由表5和表6可知,WLTC工況,低溫環(huán)境下的摩擦能耗明顯大于高溫環(huán)境下的能耗,這也是汽車(chē)冬天單位里程油耗或電耗高于夏天的原因之一。

4)WLTC工況下分析輪轂軸承的摩擦能耗,汽車(chē)行駛30 min,包括低速、中速、高速和超高速,總行駛里程23.25 km,以軸承A為例,1套輪轂軸承的平均摩擦能耗為28.34 W·h(順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、冷卻環(huán)境和加熱環(huán)境4種情況的平均值),若行駛100 km,則1套輪轂軸承的平均摩擦能耗約0.12 kW·h,一輛車(chē)4套輪轂軸承,其總能耗約0.48 kW·h;NEDC工況下分析輪轂軸承的摩擦能耗,汽車(chē)行駛以低速城區(qū)道路為主,以軸承A為例,行駛100 km,1套輪轂軸承摩擦能耗約151.5 W·h,4套輪轂軸承總能耗約0.61 kW·h;即同樣行駛100 km,WLTC工況輪轂軸承摩擦能耗比NEDC工況下的低21%,說(shuō)明汽車(chē)高速行駛時(shí)輪轂軸承的摩擦能耗比低速行駛時(shí)低,這也是汽車(chē)高速公路行駛時(shí)單位里程油耗或電耗比市區(qū)道路行駛時(shí)低的原因之一。

5)以電動(dòng)汽車(chē)特斯拉Model X為參考,其100 km耗電約19.5 kW·h,WLTC工況下100 km輪轂軸承能耗約為特斯拉汽車(chē)總耗電的2.4%,NEDC工況下100 km輪轂軸承能耗約為特斯拉汽車(chē)總耗電的3.1%,可見(jiàn)輪轂軸承因摩擦力矩造成的能耗在汽車(chē)總能耗中的占比很大。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)汽車(chē)在不同環(huán)境下實(shí)車(chē)行駛時(shí)輪轂軸承運(yùn)動(dòng)工況進(jìn)行模擬,測(cè)量輪轂軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩并評(píng)估其能耗,結(jié)果表明,環(huán)境溫度對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響較大且低溫環(huán)境下的摩擦力矩明顯大于高溫環(huán)境下,輪轂軸承因摩擦力矩造成的能耗在汽車(chē)總能耗中的占比很大,此結(jié)果可為研發(fā)低能耗軸承以及促使汽車(chē)節(jié)能降耗提供參考。