潤滑脂對輪轂軸承影響的試驗研究

肖 勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

輪轂軸承作為汽車關鍵零部件，在承受軸向載荷與徑向載荷作用的同時還起著精確導向作用，其工作過程產生的摩擦力矩直接影響軸承的壽命和傳動效率以及整車的燃油經濟性。汽車生產技術突破和產業逐漸擴大，也不斷推進汽車輪轂軸承向著集成化方向的發展，也對潤滑性能提出了更高的要求[1]。周旭[2]等人闡述了第三代輪轂軸承單元密封圈的重要性及其結構設計方法，并提供了密封圈的設計經驗及建議。唐潔[3]等人利用有限元分析軟件搭建了第三代輪轂軸承的擬動力學分析模型，通過對不同轉速工況下的輪轂軸承進行數值計算，得到了轉速對各擬動力學參數的影響規律。楊林[4]等人利用先進的科學儀器并運用宏、微觀失效分析方法對輪轂軸承進行了較為全面的分析后找出其失效原因，再通過改進使輪轂軸承失效率明顯降低。莫易敏[5]等人通過試驗研究表明，黏度較低的潤滑脂對降低輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗有重要意義。Velickov S[6]等人采用混沌的理論和非線性動力學研究了潤滑脂的使用壽命，結果表明軸承有無初始填充條件與軸承中的潤滑脂的使用壽命有密切聯系。

本文以國產某MPV車型使用的第三代輪轂軸承為研究對象，結合潤滑脂對輪轂軸承的影響的相關理論，通過多種潤滑脂在裝密封圈和不裝密封圈兩種工況下對輪轂軸承的摩擦力矩影響進行臺架試驗研究，為輪轂軸承傳動效率的提升和潤滑脂的選擇提供參考。

1 潤滑脂對輪轂軸承的影響

1.1 輪轂軸承的結構

輪轂軸承經過長期的發展，已經不斷向著集成化的方向。目前，大多數主流車型都使用第三代輪轂軸承，對比之前的輪轂軸承，在結構上對安裝結構進行了簡化，同時運用可調的軸承游隙，使軸承的可靠性和使用壽命得到大幅度提升。該軸承總成包含的零部件主要有內、外法蘭盤、防塵蓋、內圈、保持架、鋼球、密封圈以及ABS齒圈與ABS輪速傳感器等零部件。其三維結構和爆炸圖分別如圖1、2所示。

圖1 第三代輪轂軸承結構圖

圖2 第三代輪轂軸承結構爆炸圖

1.2 潤滑脂對輪轂軸承的影響分析

1.2.1 潤滑脂的作用及失效原因

潤滑脂是在基礎油加入增稠劑與潤滑添加劑制成的半固態機械零件潤滑劑。潤滑脂屬于非牛頓流體，具有獨特的流變特性，與潤滑油相比，在輪轂軸承使用中，潤滑脂存在不可替代的優點[7]：

（1）潤滑脂的使用壽命長，使用潤滑脂可以簡化結構，不需要考慮換脂的可行性與方便性；

（2）潤滑脂可以在較寬溫度范圍內使用，對環境的適應性非常好，可適用于高溫潤滑，在低溫時也具有不錯的潤滑效果；

（3）潤滑脂由于具有較高的承載能力和良好的阻尼特性，在重載、低速以及沖擊載荷的環境中都可以良好的使用；

（4）潤滑脂具備良好的粘附性，覆蓋在摩擦副表面，對軸承的密封和防塵起到一定的作用。

潤滑脂失效會嚴重影響輪轂軸承的使用性能，進而增大輪轂軸承的摩擦力矩，降低軸承的傳動效率。潤滑脂失效通常表現為變黑、變稀、參有雜質[8]。變黑的主要原因可能是密封不嚴導致雜質進入，也可能是耐高溫性能不夠，潤滑脂中的皂份形成積碳；潤滑脂變稀一方面是由于潤滑脂自身結構所致，另一方面是由于密封失效導致水分和酸性物質進入潤滑脂[9]。另外，密封不嚴使潤滑脂使用環境中的塵埃和有害氣體等混入也是導致其劣化失效的重要因素[10]。

因此探究密封和非密封狀態下潤滑脂對輪轂軸承的影響情況十分必要。

1.2.2輪轂軸承摩擦力矩計算公式

實際輪轂軸承的摩擦力矩是非常復雜的，但基本決定因素主要集中在軸承類型以及內部結構、密封狀態、軸承載荷和潤滑方式；其次，溫度、轉速、潤滑劑的性質也對摩擦力矩的計算有著一定的影響[11]。對此，帕姆格林根據實際的摩擦力矩試驗總結出了比較精確的摩擦力矩計算方式[12]：

當ηn≥ 2 000時，

當ηn≤ 2 000時，

此外

式中：M為輪轂軸承總摩擦力矩；M0為與軸承類型、轉速和潤滑脂性質有關的摩擦力矩；M1為與軸承載荷有關的摩擦；η為潤滑劑的運動黏度；n為軸承轉速；f0為與軸承類型、潤滑方式有關的系數；f1為軸承類型和載荷有關的系數；D為軸承的節圓直徑；P為軸承摩擦力矩的計算載荷。

2 輪轂軸承的臺架試驗研究

2.1 密封狀態下輪轂軸承脂的臺架試驗

2.1.1 試驗對象

為了探究在密封條件下潤滑脂在不同轉速下對輪轂軸承摩擦力矩的影響，采用3種測試脂進行輪轂軸承摩擦力矩臺架試驗，再采用在用脂作對比試驗。

試驗對象是國產某MPV車型使用的第三代輪轂軸承。該軸承單元的上密封圈安裝在外法蘭盤和內圈之間，下密封圈安裝在外法蘭盤和內法蘭盤之間。其單元剖視圖如圖3所示。

圖3 第三代輪轂軸承單元密封結構剖視圖

由表1可知，相似黏度：測試脂2＞在用脂＞測試脂1＞測試脂3，且4種潤滑脂的相似黏度相差很大，由此可知測試脂3的低溫性能最好；錐入度相差不大，說明4種脂的稠度相當；滴點和蒸發度影響高溫性能，4種脂的高溫性能也相差不大，測試脂1的高溫性能要稍微好點。對此可以認為4種潤滑脂中，相似黏度為主要影響因素，其他理化性質為次影響因素。

表1 潤滑脂理化性質

2.1.2 試驗過程

試驗目的為測量輪轂軸承在不同轉速下的摩擦力矩大小。試驗設備為某軸承試驗中心設計的摩擦力矩試驗機。輪轂軸承摩擦力矩的試驗將溫度控制為室溫25℃，試驗載荷為空載，然后測定在不同轉速下輪轂軸承摩擦力矩值的大小。試驗預處理：試驗開始時先使軸承以500 r/min的轉速磨合10 min，在靜置15 min，使溫度回復至室溫，再進行正式試驗。在試驗時，每種潤滑脂都需在指定速度下測試3次，再將3次實驗結果取平均值。依次測得轉速為90 r/min，180 r/min，270 r/min，360 r/min，450 r/min，540 r/min，630 r/min，720 r/min，810 r/min，900 r/min 時摩擦力矩的大小。

2.1.3 試驗結果分析

經過試驗后，將得到實驗數據經過數據處理，試驗結果如圖4所示。

圖4 密封條件下潤滑脂摩擦力矩隨轉速的變化

由圖4可以知道：4種潤滑脂的摩擦力矩隨轉速增加變化的趨勢基本一致，啟動時力矩較低，隨后增加到最高點，再下降趨于平穩。其次，測試脂3對應的摩擦力矩最小，

平穩時約為0.8 N·m。根據表2分析可知摩擦力矩：測試脂2＞在用脂≈測試脂1＞測試脂3，說明測試脂3的潤滑性能最好。

表2 密封條件下潤滑脂摩擦力矩數據分析表

試驗結果分析：由試驗結果可知，在密封條件下，相比于在用脂，測試脂1、2的摩擦力矩有不同程度的增大，而測試脂3的摩擦力矩卻相比減小35.34%。由4種潤滑脂的相似黏度關系和摩擦力矩試驗結果可知，在密封條件下，摩擦力矩與輪轂軸承潤滑脂相似黏度呈正相關關系，且輪轂軸承潤滑脂相似黏度越低，摩擦力矩越小，潤滑性能越好。

2.2 非密封狀態下輪轂軸承脂的臺架試驗

2.2.1 試驗對象

本次實驗選用的3種測試脂和在用脂與密封狀態下的試驗選用的潤滑脂相同，并選取一組不加潤滑脂進行對比試驗。試驗軸承仍為國產某MPV車型使用的第三代輪轂軸承，但取出了密封圈，構成非密封狀態。

2.2.2 試驗過程

試驗旨在確定輪轂軸承摩擦力矩在不同轉速下的值，非密封試驗過程與密封試驗過程基本一致（具體見密封試驗過程）。

2.2.3 試驗結果分析

經過試驗后，將得到實驗數據經過數據處理，試驗結果如圖5所示。

圖5 非密封條件下潤滑脂摩擦力矩隨轉速的變化

由圖5可以知道：在用脂在轉速為180 r/min時的摩擦力矩偏差較大，可能是實驗過程出現較大誤差導致的，所以在分析時應排除該異常點。在非密封條件下，各潤滑脂摩擦力矩隨轉速的增加而降低。通過3種測試脂和在用脂與無潤滑脂的情況進行對比分析，可知在無潤滑脂的情況下摩擦力矩最低，平穩時大約穩定在0.24 N·m。根據表3分析可知總體上摩擦力矩：測試脂2＞測試脂3＞在用脂＞測試脂1＞無潤滑脂。

表3 非密封條件下潤滑脂摩擦力矩數據分析表

試驗結果分析：由試驗結果可知，在非密封條件下，相比于在用脂，3種測試脂的摩擦力矩有不同程度的增大，而無潤滑脂的摩擦力矩卻相比減小17.07%，并且4種添加潤滑脂的輪轂軸承摩擦力矩均大于未添加潤滑脂的輪轂軸承，說明潤滑脂對輪轂軸承不僅不能起到潤滑作用，反而會增大摩擦。且在非密封條件下，輪轂軸承的摩擦力矩與潤滑脂的相似黏度并無明顯的對應關系。

3 結束語

（1）潤滑脂由于其非牛頓流體的性質，對于輪轂軸承的影響非常復雜，為探究潤滑脂對輪轂軸承的影響，需要進行大量的且多方面的試驗。

（2）在密封條件下，各潤滑脂都能有效降低輪轂軸承的摩擦力，且測試脂3由于其相似黏度最低，所以效果最明顯。

（3）在非密封的條件下，各潤滑脂反而會增大輪轂軸承的摩擦力矩且與相似黏度沒有明顯對應關系。

（4）在提高輪轂軸承的傳動效率方面可以考慮采用較低相似黏度的潤滑脂和優化輪轂軸承的密封狀態。