汽車變速器滾動(dòng)軸承溫升特性及注脂量控制分析

姜正軍，馮戰(zhàn)勇，朱會(huì)娟

（1.安徽星瑞齒輪傳動(dòng)有限公司，安徽 六安 237000；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；3.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 測(cè)試裝備與技術(shù)研究所，天津 300300）

0 引言

軸承是機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)元件，被廣泛的應(yīng)用在各種機(jī)械傳動(dòng)裝置中，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，滾動(dòng)軸承在汽車變速器中得到更加廣泛的應(yīng)用，也給軸承提出更高的要求。其中潤滑作為滾動(dòng)軸承使用中至關(guān)重要的一環(huán)，是滾動(dòng)軸承使用壽命和可靠性的研究關(guān)鍵。國內(nèi)機(jī)械行業(yè)80%的滾動(dòng)軸承采用潤滑脂潤滑。一般而言，適宜的裝脂量為軸承內(nèi)總空間間隙的1/3～1/2，低速、輕載荷時(shí)不超過2/3。軸承速度提高則要適當(dāng)減少裝脂量。國內(nèi)外研究學(xué)者也對(duì)軸承的注脂量進(jìn)行了大量的研究[1～5]。

從目前的研究成果分析，滾動(dòng)軸承的裝脂量過少或過多均會(huì)造成運(yùn)行故障。注脂量的多少不僅影響軸承工作溫度且直接影響軸承壽命，因此，研究滾動(dòng)軸承的溫升特性以及注脂量的最優(yōu)控制對(duì)汽車變速器的穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

深溝球軸承因具有摩擦因數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、制造精度較高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車變速器中[6]，因此，本文以汽車變速器用深溝球軸承為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試軸承在不同潤滑狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的溫升特性，探究轉(zhuǎn)速和注脂量的變化對(duì)平衡溫度影響的規(guī)律，為汽車變速箱軸系和箱體設(shè)計(jì)提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。

1 溫升特性實(shí)驗(yàn)

1.1 不同潤滑油量對(duì)軸承溫升特性分析

通過軸承試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量得到軸承的不同潤滑油量/流量下的的溫升特性曲線，建立以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)、不同油量或者流量下溫升為縱坐標(biāo)的溫升特性曲線[7]，圖1表示潤滑油在0.03L/minm、0.05L/minm、0.08L/minm的不同流量下平衡溫度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可以看出，不同的注脂量對(duì)軸承的溫升特性影響較大，因此，有必要進(jìn)一步探究潤滑脂在汽車變速器中的用量控制，尋找適合寬轉(zhuǎn)速范圍汽車變速器軸系的軸承注脂量。

圖1 不同潤滑油量軸承溫升特性曲線Fig.1 Temperature rise characteristic curve of bearing w ith different lubricating oil quantity

1.2 不同注脂量溫升試驗(yàn)

為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用深溝球軸承各5套，共25套進(jìn)行注脂量為10%、20%、25%、30%、50%不同注脂量下的溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為5組，且每組實(shí)驗(yàn)均在1000rpm、3000rpm、5000rpm不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。

通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立以試驗(yàn)時(shí)間為橫坐標(biāo)、溫升為縱坐標(biāo)的不同轉(zhuǎn)速下的溫升特性曲線，如圖2所示。

圖2 不同注脂量、不同轉(zhuǎn)速軸承溫升特性曲線

2 注脂量對(duì)軸承潤滑的影響分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下熱平衡溫度與注脂量的關(guān)系

對(duì)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并利用均值法[5]計(jì)算可得如表1所示的不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度。

為了更清晰直觀的得到注脂量變化對(duì)平衡溫度的影響，分析出深溝球軸承熱平衡溫度在不同軸系 （不同轉(zhuǎn)速）下隨注脂量變化的線性相關(guān)度，對(duì)表1的數(shù)據(jù)以注脂量為變量進(jìn)行自回歸分析，得到在不同轉(zhuǎn)速下平衡溫度隨注脂量變化的線性規(guī)律[6]。并建立數(shù)學(xué)模型。

表1 不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度

平衡溫度隨注脂量變化的線性關(guān)系：

式中：R2—平衡溫度與線性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)為1表示相關(guān)度最大。

圖3 不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度Fig.3 The equilibrium temperature of the bearing at different speeds and different amounts of grease

結(jié)合表1和圖3可以看出：

（1）不同轉(zhuǎn)速下，熱平衡溫度均隨注脂量的增加而升高。

（2）線性函數(shù)的斜率隨轉(zhuǎn)速升高而增大，說明注脂量對(duì)溫升的影響權(quán)重隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。

（3）隨轉(zhuǎn)速的升高R2逐漸增大并趨近與1，說明隨著轉(zhuǎn)速的升高，注脂量的增加對(duì)軸承溫升的影響程度（影響因子所占比重）增加，低速時(shí)注脂量對(duì)溫升的影響因子較小，相關(guān)度低，所以在1000rpm時(shí)，注脂量10%～25%平衡溫度變化不大。

（4）低轉(zhuǎn)速時(shí)，注脂量的變化對(duì)溫升的影響并不顯著，對(duì)于低速軸系軸承注脂量的要求可以適當(dāng)放寬，高轉(zhuǎn)速時(shí)，注脂量的變化對(duì)溫升的影響就很明顯，對(duì)于高速軸系軸承注脂量要求必須精確；由實(shí)際工況下的軸承工作環(huán)境分析其原因可能為：①轉(zhuǎn)速升高后摩擦損耗（摩擦功）增加，發(fā)熱量增加；②軸承滾動(dòng)體潤滑拖動(dòng)生熱（攪油發(fā)熱）整個(gè)在軸承總發(fā)熱中所占的比重隨轉(zhuǎn)速升高而升高。

2.2 不同注脂量下熱平衡溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

同理，對(duì)表1的數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)速為變量進(jìn)行自回歸分析，得到在不同注脂量下熱平衡溫度隨轉(zhuǎn)速變化的線性規(guī)律。建立不同注脂量下轉(zhuǎn)速和平衡溫度的數(shù)學(xué)模型。

平衡溫度隨注脂量變化的線性關(guān)系：

圖4 不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度Fig.4 The equilibrium temperature of the bearing at different speeds and different amounts of grease

從圖4可以看出：①不同注脂量下，熱平衡溫度均隨轉(zhuǎn)速的升高而升高；②不同注脂量下，平衡溫度與線性函數(shù)相關(guān)系數(shù)均高于0.988，說明平衡溫度與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性極大，因此在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，一定不能忽視轉(zhuǎn)速的影響，一定要將轉(zhuǎn)速作為軸承選擇的一個(gè)重要參考指標(biāo)；③從線性函數(shù)的斜率可以看出，在20%注脂量時(shí)，各轉(zhuǎn)速下平衡溫度都最低，且溫升隨轉(zhuǎn)速變化斜率最小。

2.3 深溝球軸承平衡溫度數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

由于平衡溫度隨轉(zhuǎn)速和注脂量的變化均成近似線性規(guī)律，因此可以假設(shè)平衡溫度t與轉(zhuǎn)速n和注脂量p的的函數(shù)滿足：

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可得到：

3 結(jié)論

圖5 平衡溫度與轉(zhuǎn)速、注脂量的關(guān)系Fig.5 Relationship between equilibrium temperature and speed，and grease injection

本文利用軸承試驗(yàn)臺(tái)對(duì)汽車變速器常用的深溝球軸承溫升特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別以注脂量和轉(zhuǎn)速為變量進(jìn)行的自回歸分析，構(gòu)建了深溝球軸承平衡溫度隨注脂量和轉(zhuǎn)速變化的數(shù)學(xué)模型，得到如下結(jié)論：

（1）在轉(zhuǎn)速一定的情況下，平衡溫度隨注脂量的增加而升高。

（2）在注脂量一定的情況下，平衡溫度隨轉(zhuǎn)速的升高而升高。

（3）平衡溫度與注脂量的相關(guān)性隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，在1000rpm～6000rpm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高相關(guān)性越大，因此轉(zhuǎn)速越高的軸系，軸承的注脂量精度要求高。

（4）平衡溫度與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性很高，且相關(guān)系數(shù)與注脂量關(guān)系不大。

（5）從平衡溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系的線性函數(shù)可以看出，在20%注脂量時(shí)，函數(shù)斜率最小，平衡溫度隨轉(zhuǎn)速變化最平緩。

綜上所述，該系列軸承在20%注脂量時(shí)平衡溫度相對(duì)于轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性最好，效果較為理想，最適合寬轉(zhuǎn)速范圍軸系。