輪轂軸承潤滑脂選用分析及油耗試驗

謝澤兵

中國石化潤滑油有限公司合成油脂分公司

本文根據(jù)潤滑脂基礎(chǔ)油潤滑膜厚計算公式，對某汽車車型使用的第3代輪轂軸承，在確定載荷、軸承參數(shù)以及速度范圍后，確定了彈流潤滑狀態(tài)下的潤滑脂基礎(chǔ)油黏度；通過對比輪轂軸承摩擦力矩計算公式，發(fā)現(xiàn)膜厚能在一定程度上反映摩擦力矩。為進(jìn)一步探究膜厚與摩擦力矩的關(guān)系，通過輪轂軸承臺架試驗測定了不同轉(zhuǎn)速、不同載荷下潤滑脂的輪轂軸承摩擦力矩，發(fā)現(xiàn)通過膜厚公式能很好地解釋各種現(xiàn)象。最后通過整車油耗試驗，考察了低黏度潤滑脂與原廠潤滑脂的燃料經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明，低黏度潤滑脂的燃料經(jīng)濟(jì)性較原廠脂略有提高。

軸承是機器中的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的機械產(chǎn)品中，被譽為機器的“關(guān)節(jié)”。凡使用軸承的產(chǎn)品，其性能、精度、壽命、可靠性等都與軸承密切相關(guān)，在一些高科技產(chǎn)品中，軸承已被視為核心元件。輪轂軸承的主要作用是承重和為輪轂的轉(zhuǎn)動提供精確引導(dǎo)，需要承受軸向載荷與承受徑向載荷，是汽車中的一個非常重要的零部件。傳統(tǒng)的汽車輪轂軸承是由兩套圓錐滾子軸承或球軸承組合而成的，軸承的安裝、涂油、密封、游隙調(diào)整等后續(xù)處理都是在汽車生產(chǎn)線上進(jìn)行的；這種結(jié)構(gòu)使得其在汽車生產(chǎn)廠裝配困難、成本高、可靠性差，而且汽車在維修點維護(hù)時，還需要對軸承進(jìn)行清洗、涂油和調(diào)整。輪轂軸承單元是在標(biāo)準(zhǔn)角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它將兩套軸承設(shè)計合并為一體，具有組裝性能好、可省略游隙調(diào)整、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、載荷容量大、為密封軸承可事先裝入潤滑脂、省略外部輪轂密封及免于維修等優(yōu)點，已廣泛用于轎車中[1]。

潤滑脂主要是由稠化劑、基礎(chǔ)油、添加劑3部分組成。一般潤滑脂中稠化劑含量約為10%～20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），基礎(chǔ)油含量約為75%～90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），添加劑及填料的含量在5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下。稠化劑主要用于承載，擠出的基礎(chǔ)油主要用于潤滑，潤滑性質(zhì)與潤滑油一致。軸承潤滑脂的主要作用是減少摩擦及磨損、延長疲勞壽命、排出摩擦熱、冷卻、防止異物侵入軸承內(nèi)部[2]。

本文根據(jù)潤滑脂基礎(chǔ)油潤滑膜厚方程，求出某汽車車型輪轂軸承在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)處于彈流潤滑狀態(tài)所需的潤滑脂基礎(chǔ)油黏度；結(jié)合摩擦力矩的計算公式，對輪轂軸承的摩擦力矩影響的臺架試驗研究，得出了潤滑脂輪轂軸承的摩擦力，在軸承確定的情況下，主要與載荷、潤滑脂黏度、運轉(zhuǎn)速度有關(guān)，結(jié)合整車油耗試驗，建議選用初始黏度較高的潤滑脂，且基礎(chǔ)油黏度隨溫度變化快的基礎(chǔ)油類別。

輪轂軸承潤滑脂的選用分析

輪轂軸承脂潤滑膜厚度分析

試驗對象是某車型使用的第3代輪轂軸承，其特點是內(nèi)外圈集成凸緣，內(nèi)圈用于支撐車輪和制動盤，外圈用于連接懸掛裝置。相較于前兩代輪轂軸承，其在結(jié)構(gòu)上對安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，同時運用可調(diào)的軸承游隙，使軸承的可靠性和使用壽命得到大幅度提升[1]。輪轂軸承主體部分尺寸與材料參數(shù)見表1。

由于滾動體為球體，軸承正常工作時，工作方式為點接觸彈性流體動壓潤滑[3]；而膜厚直接會影響軸承的工作狀態(tài)，所以對Hamrock和Dowson對等溫點接觸彈流潤滑進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值分析，得出油膜厚度計算公式[4]：

公式（1）、（2）中：

G＊——軸承的材料參數(shù)；

U＊——軸承的速度參數(shù)；

W＊——軸承的載荷參數(shù)；

Rx——軸承的x方向當(dāng)量曲率半徑，mm；

k——Hertz橢圓接觸區(qū)的橢圓率。

以上參數(shù)，除Rx外，均為無量綱。G＊、Rx這兩個參數(shù)與軸承本身有關(guān)，通過表1可以計算得出；W＊與橢圓率k與軸承載荷以及軸承本身參數(shù)有關(guān)。計算如下：

公式(3)中，E’為當(dāng)量彈性模量，相互接觸的兩個物體（軸承內(nèi)圈與滾珠）的E’計算公式為：

公式(7)中，E1與E2分別為潤滑處接觸物體材料的彈性模量，μ1與μ2為兩種材料的泊松比，詳情可見表1。

表1 輪轂軸承參數(shù)

公式（5）、（6）中，Rx1、Rx 2輪轂軸承內(nèi)滾道半徑與滾珠半徑，2個參數(shù)用于計算主方向X方向的當(dāng)量半徑，Rx 1=（58.5-13.494）/2=22.503 mm，Rx 2=13.494/2=6.747mm；η0為基礎(chǔ)油的動力黏度。

對于某車型，取輪轂軸承滾珠承受最大載荷為801.5 N，汽車運行的最大車速為120 km/h，加上安全系數(shù)1.1后的最大轉(zhuǎn)速不超過1 000 r/min，則接觸區(qū)的中心膜厚hc隨U＊中黏度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系就可以確立，如圖1所示。圖1中有10條膜厚曲線，其中2條水平黑線代表膜厚，根據(jù)膜厚鑒別潤滑狀態(tài)是可靠的，0.1～1 μm是彈性流體動壓潤滑的膜厚范圍。

由圖1可以看出：

◇當(dāng)軸承載荷確定，轉(zhuǎn)速范圍100～1 000 r/min的情況下，潤滑脂基礎(chǔ)油動力黏度在0.17～0.52 Pa · s，軸承處于彈流潤滑的情況，摩擦系數(shù)最??；

◇隨著轉(zhuǎn)速的增加，膜厚的增加越來越緩慢，由于低速狀態(tài)下，要形成彈流潤滑膜的所需動力黏度相較很大，在之后的內(nèi)容會加以討論。

輪轂軸承摩擦力矩計算公式

輪轂軸承的摩擦力矩基本決定因素主要集中在軸承類型以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密封狀態(tài)、軸承載荷和潤滑方式，帕姆格林根據(jù)實際的摩擦力矩試驗總結(jié)出了比較精確的摩擦力矩計算方式[1]：

圖1 理想狀態(tài)膜厚曲線

當(dāng)ηn≥2 000時，

當(dāng)ηn≤2 000時，

此外，

公式 (8)～公式 (11)中：

M——輪毅軸承總摩擦力矩，mN · m；

M0——與軸承類型、轉(zhuǎn)速和潤滑脂性質(zhì)有關(guān)的摩擦力矩，mN · m；

M1——與軸承載荷有關(guān)的摩擦力矩，mN · m ；

η——潤滑劑的運動黏度，mm2/s；

n——軸承轉(zhuǎn)速，r/min；

f0——與軸承類型、潤滑方式有關(guān)的系數(shù)；

f1——軸承類型和載荷有關(guān)的系數(shù)；

D——軸承的節(jié)圓直徑，mm；

P——確定軸承摩擦力矩的計算載荷，N。

將中心區(qū)膜厚方程已知量常數(shù)化為K，U＊中常量化為K1,展開后，得到下式：

動力黏度與運動黏度的關(guān)系為：

相比于動力黏度，在壓力的作用下基礎(chǔ)油的密度變化很小，對油膜厚度影響不大，動力黏度0.17～0.52 Pa/s，對應(yīng)運動黏度為（取礦物油密度的典型值ρ=0.85 g/cm3）21.6～66.2 mm2/s，可知ηn在一般工況下大于2 000，此時帕姆格林摩擦力矩計算公式含有(ηn)0.67項，可知在滿足彈流潤滑條件下，膜厚越小，摩擦力矩越小。

當(dāng)油膜過小，接觸表面可能出現(xiàn)邊界摩擦或干摩擦，造成軸承損壞，這種情況一般要避免，因此可以用膜厚來線性地反映摩擦力矩公式中的M0,而M1與所受的負(fù)荷有關(guān)，分析總摩擦力矩主要是結(jié)合負(fù)荷、轉(zhuǎn)速以及運動黏度來分析。

輪轂軸承摩擦力矩測試試驗

參照標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0338—92進(jìn)行試驗，試驗環(huán)境溫度為室溫。試驗設(shè)備采用檢測中心設(shè)計的摩擦力矩試驗機。試驗開始時先使軸承以500 r/min的轉(zhuǎn)速磨合10 min。在指定轉(zhuǎn)速下各潤滑脂均進(jìn)行三次摩擦力矩試驗，結(jié)果取平均值。試驗用脂的理化指標(biāo)見表2（試驗脂主要采用不同公司的輪轂軸承潤滑脂，根據(jù)相似黏度作為主要區(qū)分依據(jù)）。

在相同原車載荷（取2 kN）不同轉(zhuǎn)速下測定的輪轂軸承摩擦力矩見圖2，在固定轉(zhuǎn)速500 r/min下，采用彈流潤滑理論計算的黏度范圍、所測定得不同載荷下的輪轂軸承摩擦力矩分見表3和圖3。

由圖2可見，隨著轉(zhuǎn)速增加，膜厚相應(yīng)增加，摩擦力矩應(yīng)該呈現(xiàn)遞增趨勢，但在轉(zhuǎn)速增加過程中溫度上升，導(dǎo)致運動黏度下降，所以圖中摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速下降，是由于黏度隨溫度下降的影響高于轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致η n減小。由于工作過程處于彈流潤滑狀態(tài)，測試脂1初始黏度較小，所以整體的摩擦力矩較小。測試脂2在轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min的時候，摩擦力矩快速下降，表明測試脂2運動黏度隨溫度的變化顯著，但在轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min時，運動黏度隨溫度減小速率變平緩。

由表3可以看出，載荷的變化對于實現(xiàn)彈流潤滑的動力黏度范圍改變的影響不是很大，載荷的增加，壓力、溫度升高，黏度減小，膜厚會一直減小。

由圖3可以看出，測試脂1由于承載能力太差，加載失敗；由于載荷已經(jīng)大于測試脂2的承載值，其油膜厚度太小，輪轂軸承處于邊界潤滑狀態(tài)，總摩擦力矩分量M1會隨著載荷增加，而增加M0可看作不變；在用脂從載荷1.0 kN～1.5 kN時,由于初始動力黏度最大，隨著載荷增加，壓力、溫度升高后，動力黏度減小并在彈流潤滑范圍內(nèi)，此時膜厚減小，摩擦力矩力矩相應(yīng)下降，但隨著載荷進(jìn)一步增加， 溫度進(jìn)一步升高，無法實現(xiàn)有效潤滑，摩擦力矩隨載荷升高而變大。

表2 試驗用脂的理化指標(biāo)

圖2 不同轉(zhuǎn)速下摩擦力矩

表3 彈流潤滑理論計算的黏度范圍(轉(zhuǎn)速500 r/min)

圖3 不同載荷下摩擦力矩

需要注意的是，溫度過高會造成潤滑脂變質(zhì)，輪轂軸承使用壽命也會相應(yīng)降低。

整車油耗試驗

試驗方法與對象

整車油耗采用的是GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量 方法（中國Ⅲ、Ⅳ））》中規(guī)定的NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)工況，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12545.5—2008《汽車燃油消耗量試驗方法 第1部分》中的方法在底盤測功機上進(jìn)行試驗。試驗車型為某MPV前置后驅(qū)車型；分別測量對標(biāo)脂與低黏度潤滑脂（測試脂1）潤滑下整車的油耗。

試驗結(jié)果與分析

NEDC的城市與郊區(qū)工況下，換用的低黏度潤滑脂與在用脂每階段的油耗差值見圖4。

由圖4可見，低黏度潤滑脂的燃油經(jīng)濟(jì)性總體略有提升，其NEDC 5個工況總油耗比原廠潤滑脂要少0.11 L/100 km；而兩個試驗總油耗平均值為40.975 L/100 km，提升比例為0.27%（不考慮試驗誤差的情況下）。就燃油經(jīng)濟(jì)性來說，低黏度潤滑脂的總體摩擦力矩較小，有一定優(yōu)勢。

結(jié)論

圖4 不同潤滑脂NEDC工況油耗對比

☆膜厚方程與摩擦力矩方程能對輪轂軸承的摩擦力矩變化做出很好的解釋，工作載荷下，轉(zhuǎn)速升高時，由于轉(zhuǎn)速升高造成的溫升現(xiàn)象導(dǎo)致黏度減小，使ηn變化不定，從而試驗的摩擦力矩有升有降；而重載下，潤滑油膜厚度過小，潤滑方式改變，不再是彈流潤滑，摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而遞增。

☆由于潤滑脂黏度隨溫度變化，通過摩擦力矩試驗可以反映不同潤滑脂黏度隨溫度變化的特性。選用輪轂軸承潤滑脂時，單看其黏度并不夠，還需要了解其黏溫特性，推薦選取黏度較高，但黏度隨溫度變化快的潤滑脂。黏度高，代表啟動時，在低速狀態(tài)下也能實現(xiàn)有效潤滑，保證軸承的正常使用壽命；黏度隨溫度變化快，即正常工作下，黏度變得較低，在彈流潤滑狀態(tài)能有較小的摩擦力矩。

☆整車試驗中低黏度潤滑脂較在用脂的燃油經(jīng)濟(jì)性略有提高，但根據(jù)理論計算推測低黏度的潤滑脂可能會造成低速時軸承磨損會變大，使用壽命安全性降低。

☆潤滑脂的黏溫特性還有待更近一步研究，可以將黏溫公式代入膜厚方程，進(jìn)行進(jìn)一步研究，以便挑選更適合不同車型的輪轂軸承潤滑脂，滿足安全與更好的燃油經(jīng)濟(jì)性的要求[5]。