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

本文根據潤滑脂基礎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、軸承參數以及速度范圍后，確定了彈流潤滑狀態下的潤滑脂基礎油黏度；通過對比輪轂軸承摩擦力矩計算公式，發現膜厚能在一定程度上反映摩擦力矩。為進一步探究膜厚與摩擦力矩的關系，通過輪轂軸承臺架試驗測定了不同轉速、不同載荷下潤滑脂的輪轂軸承摩擦力矩，發現通過膜厚公式能很好地解釋各種現象。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濟性，結果表明，低黏度潤滑脂的燃料經濟性較原廠脂略有提高。

軸承是機器中的基礎元件，廣泛應用于各行各業的機械產品中，被譽為機器的“關節”。凡使用軸承的產品，其性能、精度、壽命、可靠性等都與軸承密切相關，在一些高科技產品中，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動提供精確引導，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、游隙調整等后續處理都是在汽車生產線上進行的；這種結構使得其在汽車生產廠裝配困難、成本高、可靠性差，而且汽車在維修點維護時，還需要對軸承進行清洗、涂油和調整。輪轂軸承單元是在標準角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的基礎上發展起來的，它將兩套軸承設計合并為一體，具有組裝性能好、可省略游隙調整、重量輕、結構緊湊、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點，已廣泛用于轎車中[1]。

潤滑脂主要是由稠化劑、基礎油、添加劑3部分組成。一般潤滑脂中稠化劑含量約為10%～20%（質量分數），基礎油含量約為75%～90%（質量分數），添加劑及填料的含量在5%（質量分數）以下。稠化劑主要用于承載，擠出的基礎油主要用于潤滑，潤滑性質與潤滑油一致。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部[2]。

本文根據潤滑脂基礎油潤滑膜厚方程，求出某汽車車型輪轂軸承在一定轉速范圍內處于彈流潤滑狀態所需的潤滑脂基礎油黏度；結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、運轉速度有關，結合整車油耗試驗，建議選用初始黏度較高的潤滑脂，且基礎油黏度隨溫度變化快的基礎油類別。

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，其特點是內外圈集成凸緣，內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[1]。輪轂軸承主體部分尺寸與材料參數見表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，所以對Hamrock和Dowson對等溫點接觸彈流潤滑進行了系統的數值分析，得出油膜厚度計算公式[4]：

公式（1）、（2）中：

G＊——軸承的材料參數；

U＊——軸承的速度參數；

W＊——軸承的載荷參數；

Rx——軸承的x方向當量曲率半徑，mm；

k——Hertz橢圓接觸區的橢圓率。

以上參數，除Rx外，均為無量綱。G＊、Rx這兩個參數與軸承本身有關，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有關。計算如下：

公式(3)中，E’為當量彈性模量，相互接觸的兩個物體（軸承內圈與滾珠）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

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

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1.1后的最大轉速不超過1 000 r/min，則接觸區的中心膜厚hc隨U＊中黏度與轉速的關系就可以確立，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，根據膜厚鑒別潤滑狀態是可靠的，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：

◇當軸承載荷確定，轉速范圍100～1 000 r/min的情況下，潤滑脂基礎油動力黏度在0.17～0.52 Pa · s，軸承處于彈流潤滑的情況，摩擦系數最小；

◇隨著轉速的增加，膜厚的增加越來越緩慢，由于低速狀態下，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部結構、密封狀態、軸承載荷和潤滑方式，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[1]：

圖1 理想狀態膜厚曲線

當ηn≥2 000時，

當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、轉速和潤滑脂性質有關的摩擦力矩，mN · m；

M1——與軸承載荷有關的摩擦力矩，mN · m ；

η——潤滑劑的運動黏度，mm2/s；

n——軸承轉速，r/min；

f0——與軸承類型、潤滑方式有關的系數；

f1——軸承類型和載荷有關的系數；

D——軸承的節圓直徑，mm；

P——確定軸承摩擦力矩的計算載荷，N。

將中心區膜厚方程已知量常數化為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系為：

相比于動力黏度，在壓力的作用下基礎油的密度變化很小，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。

當油膜過小，接觸表面可能出現邊界摩擦或干摩擦，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與所受的負荷有關，分析總摩擦力矩主要是結合負荷、轉速以及運動黏度來分析。

輪轂軸承摩擦力矩測試試驗

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

在相同原車載荷（取2 kN）不同轉速下測定的輪轂軸承摩擦力矩見圖2，在固定轉速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，隨著轉速增加，膜厚相應增加，摩擦力矩應該呈現遞增趨勢，但在轉速增加過程中溫度上升，導致運動黏度下降，所以圖中摩擦力矩隨轉速下降，是由于黏度隨溫度下降的影響高于轉速，導致η n減小。由于工作過程處于彈流潤滑狀態，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在轉速達到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，但在轉速達到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，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，此時膜厚減小，摩擦力矩力矩相應下降，但隨著載荷進一步增加， 溫度進一步升高，無法實現有效潤滑，摩擦力矩隨載荷升高而變大。

表2 試驗用脂的理化指標

圖2 不同轉速下摩擦力矩

表3 彈流潤滑理論計算的黏度范圍(轉速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，輪轂軸承使用壽命也會相應降低。

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））》中規定的NEDC（New European Driving Cycle）循環工況，根據國家標準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行試驗。試驗車型為某MPV前置后驅車型；分別測量對標脂與低黏度潤滑脂（測試脂1）潤滑下整車的油耗。

試驗結果與分析

NEDC的城市與郊區工況下，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濟性總體略有提升，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）。就燃油經濟性來說，低黏度潤滑脂的總體摩擦力矩較小，有一定優勢。

結論

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，轉速升高時，由于轉速升高造成的溫升現象導致黏度減小，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，在低速狀態下也能實現有效潤滑，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濟性略有提高，但根據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，進行進一步研究，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濟性的要求[5]。