謝澤兵

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司合成油脂分公司

本文根據(jù)潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油潤(rùn)滑膜厚計(jì)算公式，對(duì)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(rùn)滑狀態(tài)下的潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度；通過(guò)對(duì)比輪轂軸承摩擦力矩計(jì)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(guò)輪轂軸承臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定了不同轉(zhuǎn)速、不同載荷下潤(rùn)滑脂的輪轂軸承摩擦力矩，發(fā)現(xiàn)通過(guò)膜厚公式能很好地解釋各種現(xiàn)象。最后通過(guò)整車油耗試驗(yàn)，考察了低黏度潤(rùn)滑脂與原廠潤(rùn)滑脂的燃料經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明，低黏度潤(rùn)滑脂的燃料經(jīng)濟(jì)性較原廠脂略有提高。

軸承是機(jī)器中的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品中，被譽(yù)為機(jī)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(dòng)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(gè)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(diǎn)維護(hù)時(shí)，還需要對(duì)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(lái)的，它將兩套軸承設(shè)計(jì)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(rùn)滑脂、省略外部輪轂密封及免于維修等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于轎車中[1]。

潤(rùn)滑脂主要是由稠化劑、基礎(chǔ)油、添加劑3部分組成。一般潤(rùn)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(rùn)滑，潤(rùn)滑性質(zhì)與潤(rùn)滑油一致。軸承潤(rùn)滑脂的主要作用是減少摩擦及磨損、延長(zhǎng)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(rùn)滑脂基礎(chǔ)油潤(rùn)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(rùn)滑狀態(tài)所需的潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度；結(jié)合摩擦力矩的計(jì)算公式，對(duì)輪轂軸承的摩擦力矩影響的臺(tái)架試驗(yàn)研究，得出了潤(rùn)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(rùn)滑脂黏度、運(yùn)轉(zhuǎn)速度有關(guān)，結(jié)合整車油耗試驗(yàn)，建議選用初始黏度較高的潤(rùn)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(rùn)滑脂的選用分析

輪轂軸承脂潤(rùn)滑膜厚度分析

試驗(yàn)對(duì)象是某車型使用的第3代輪轂軸承，其特點(diǎn)是內(nèi)外圈集成凸緣，內(nèi)圈用于支撐車輪和制動(dòng)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(duì)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)運(yùn)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(jiàn)表1。

由于滾動(dòng)體為球體，軸承正常工作時(shí)，工作方式為點(diǎn)接觸彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑[3]；而膜厚直接會(huì)影響軸承的工作狀態(tài)，所以對(duì)Hamrock和Dowson對(duì)等溫點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值分析，得出油膜厚度計(jì)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(wú)量綱。G＊、Rx這兩個(gè)參數(shù)與軸承本身有關(guān)，通過(guò)表1可以計(jì)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(jì)算如下：

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

公式(7)中，E1與E2分別為潤(rùn)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(jiàn)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(gè)參數(shù)用于計(jì)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(dòng)力黏度。

對(duì)于某車型，取輪轂軸承滾珠承受最大載荷為801.5 N，汽車運(yùn)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(guò)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(rùn)滑狀態(tài)是可靠的，0.1～1 μm是彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)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(rùn)滑脂基礎(chǔ)油動(dòng)力黏度在0.17～0.52 Pa · s，軸承處于彈流潤(rùn)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(lái)越緩慢，由于低速狀態(tài)下，要形成彈流潤(rùn)滑膜的所需動(dòng)力黏度相較很大，在之后的內(nèi)容會(huì)加以討論。

輪轂軸承摩擦力矩計(jì)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(rùn)滑方式，帕姆格林根據(jù)實(shí)際的摩擦力矩試驗(yàn)總結(jié)出了比較精確的摩擦力矩計(jì)算方式[1]：

圖1 理想狀態(tài)膜厚曲線

當(dāng)ηn≥2 000時(shí)，

當(dāng)ηn≤2 000時(shí)，

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(rùn)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(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

n——軸承轉(zhuǎn)速，r/min；

f0——與軸承類型、潤(rùn)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(jì)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(dòng)力黏度與運(yùn)動(dòng)黏度的關(guān)系為：

相比于動(dòng)力黏度，在壓力的作用下基礎(chǔ)油的密度變化很小，對(duì)油膜厚度影響不大，動(dòng)力黏度0.17～0.52 Pa/s，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)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(shí)帕姆格林摩擦力矩計(jì)算公式含有(ηn)0.67項(xiàng)，可知在滿足彈流潤(rùn)滑條件下，膜厚越小，摩擦力矩越小。

當(dāng)油膜過(guò)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(lái)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(yùn)動(dòng)黏度來(lái)分析。

輪轂軸承摩擦力矩測(cè)試試驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0338—92進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫。試驗(yàn)設(shè)備采用檢測(cè)中心設(shè)計(jì)的摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)開始時(shí)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(rùn)滑脂均進(jìn)行三次摩擦力矩試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)用脂的理化指標(biāo)見(jiàn)表2（試驗(yàn)脂主要采用不同公司的輪轂軸承潤(rùn)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(cè)定的輪轂軸承摩擦力矩見(jiàn)圖2，在固定轉(zhuǎn)速500 r/min下，采用彈流潤(rùn)滑理論計(jì)算的黏度范圍、所測(cè)定得不同載荷下的輪轂軸承摩擦力矩分見(jiàn)表3和圖3。

由圖2可見(jiàn)，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(shì)，但在轉(zhuǎn)速增加過(guò)程中溫度上升，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)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(guò)程處于彈流潤(rùn)滑狀態(tài)，測(cè)試脂1初始黏度較小，所以整體的摩擦力矩較小。測(cè)試脂2在轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min的時(shí)候，摩擦力矩快速下降，表明測(cè)試脂2運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的變化顯著，但在轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min時(shí)，運(yùn)動(dòng)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(duì)于實(shí)現(xiàn)彈流潤(rùn)滑的動(dòng)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(huì)一直減小。

由圖3可以看出，測(cè)試脂1由于承載能力太差，加載失??；由于載荷已經(jīng)大于測(cè)試脂2的承載值，其油膜厚度太小，輪轂軸承處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，總摩擦力矩分量M1會(huì)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(shí),由于初始動(dòng)力黏度最大，隨著載荷增加，壓力、溫度升高后，動(dòng)力黏度減小并在彈流潤(rùn)滑范圍內(nèi)，此時(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)有效潤(rùn)滑，摩擦力矩隨載荷升高而變大。

表2 試驗(yàn)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(rùn)滑理論計(jì)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(guò)高會(huì)造成潤(rùn)滑脂變質(zhì)，輪轂軸承使用壽命也會(huì)相應(yīng)降低。

整車油耗試驗(yàn)

試驗(yàn)方法與對(duì)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(cè)量 方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ））》中規(guī)定的NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)工況，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12545.5—2008《汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法 第1部分》中的方法在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)車型為某MPV前置后驅(qū)車型；分別測(cè)量對(duì)標(biāo)脂與低黏度潤(rùn)滑脂（測(cè)試脂1）潤(rùn)滑下整車的油耗。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

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

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

結(jié)論

圖4 不同潤(rùn)滑脂NEDC工況油耗對(duì)比

☆膜厚方程與摩擦力矩方程能對(duì)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(shí)，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(yàn)的摩擦力矩有升有降；而重載下，潤(rùn)滑油膜厚度過(guò)小，潤(rùn)滑方式改變，不再是彈流潤(rùn)滑，摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而遞增。

☆由于潤(rùn)滑脂黏度隨溫度變化，通過(guò)摩擦力矩試驗(yàn)可以反映不同潤(rùn)滑脂黏度隨溫度變化的特性。選用輪轂軸承潤(rùn)滑脂時(shí)，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(rùn)滑脂。黏度高，代表啟動(dòng)時(shí)，在低速狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)有效潤(rùn)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(rùn)滑狀態(tài)能有較小的摩擦力矩。

☆整車試驗(yàn)中低黏度潤(rùn)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(jì)算推測(cè)低黏度的潤(rùn)滑脂可能會(huì)造成低速時(shí)軸承磨損會(huì)變大，使用壽命安全性降低。

☆潤(rùn)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(rùn)滑脂，滿足安全與更好的燃油經(jīng)濟(jì)性的要求[5]。