輪轂軸承摩擦力矩特性及其試驗研究*

王建華，黃德杰

(浙江萬向精工有限公司,浙江 杭州 311202)

0 引 言

摩擦是軸承的一項重要特性。隨著汽車低能耗要求的提出，其輪轂軸承的摩擦水平越來越受到各界的廣泛關注。

國際著名的軸承制造商也意識到了摩擦對軸承性能研究的重要性，如：日本的NSK與NTN均把摩擦學作為軸承研發的基礎理論學科；瑞典的SKF與NSK軸承型錄給出了滾動軸承滾道摩擦力矩計算方法，充分考慮了預載荷、潤滑、軸承結構、工況特征等因素[1]。

在國內，也有很多機構從事軸承摩擦方面研究，如：洛陽軸研所的徐榮瑜[2]對角接觸球軸承的摩擦力矩進行了理論分析與試驗驗證；洛陽工學院的周曉文[3]對角接觸球軸承的摩擦力矩進行了試驗研究，建立了摩擦力矩的經驗公式；杭州軸承試驗中心的李興林博士等[4]對影響角接觸軸承摩擦特性的各類因素作了相應的理論分析。

目前，國內外相關摩擦的研究主要集中于軸承的滾道摩擦，而對密封處摩擦的研究則相對較少。輪轂軸承密封處的摩擦占軸承的整體摩擦一般不低于30%,由于其結構和應用場合的特殊性，使得對輪轂軸承摩擦的研究需要兼顧滾道與密封處。由于密封橡膠摩擦處的力變形工況、溫度工況與潤滑工況的耦合作用，使得密封處摩擦規律相比滾道摩擦規律更加復雜，僅通過理論模擬分析很難獲得密封橡膠的摩擦規律。

本研究在分析輪轂軸承摩擦影響因素的基礎上，從試驗角度出發，分析滾道、密封處各因子對摩擦力矩的影響程度，以期為掌握輪轂軸承的摩擦特性，并進行輪轂軸承的低摩擦設計提供指導。

1 摩擦力矩及其影響因素分析

輪轂軸承摩擦力矩可分為啟動摩擦力矩與動摩擦力矩。啟動摩擦力矩定義為輪轂軸承內部相對運動零件從靜止到運動所克服的靜摩擦力與旋轉半徑的乘積。動摩擦力矩定義為在特定工況轉速下軸承內部相對運動零件動摩擦力與旋轉半徑的乘積。

在一般場合，常把低轉速3 r/min～5 r/min下的摩擦力矩近似為啟動摩擦力矩，通過大量的測試也反映了兩者的近似性。

輪轂軸承為整車的傳動與承載部件，實際工況使得研究各種轉速工況下的動摩擦力矩將更有意義。

為了研究摩擦力矩的影響因素，筆者選擇當前主流的第3代輪轂軸承的單元結構作為研究對象。

第3代輪轂軸承總成件上各零件的配合關系如圖1所示。

圖1 輪轂軸承各零部件配合關系

依據圖1，可得到8類相對運動關系：

(1)內密封圈與內密封圈骨架之間的相對運動；

(2)鋼球與內圈之間的相對運動；

(3)鋼球與法蘭盤之間的相對運動；

(4)鋼球與外圈之間的相對運動；

(5)鋼球與保持架之間的相對運動；

(6)外密封圈與法蘭盤之間的相對運動；

(7)為緩解金屬材料摩擦帶來的磨損，在滾道上填充潤滑脂，在潤滑脂與鋼球、保持架、內圈、外圈、法蘭盤之間形成流體運動；

(8)為緩解橡膠材料摩擦帶來的磨損，在密封圈腔體內填充潤滑脂，在潤滑脂與內密封圈、內密封圈骨架、外密封圈和法蘭盤之間形成流體運動。

基于以上這8類運動，仍可采用經典摩擦學公式來描述其摩擦力矩，即：

(1)

式中：μ—相對運動表面摩擦系數；F壓—相對運動表面正壓力；dm—旋轉直徑，針對滾道摩擦而言為節圓直徑，針對密封處摩擦而言為唇口接觸處的旋轉直徑。

輪轂軸承內部的摩擦通常主要可歸結為兩類：第一類摩擦為滾道金屬表面的摩擦；第二類摩擦為密封處橡膠件與金屬表面摩擦。

結合式(1)可列出輪轂軸承摩擦影響因素，如表1所示[5-7]。

表1 兩類摩擦影響因素

針對第一類摩擦而言，降低摩擦的方向目的在于改善摩擦系數；為保證軸承擁有最佳壽命[8]，滾道預載被固化，工況載荷也為既定的客觀因素。

針對第二類摩擦而言，降低摩擦的方向可有利于摩擦系數與表面壓力的雙向改善；但降低第二類摩擦的前提是需要經受耐受密封試驗的考驗。

基于上述對輪轂軸承摩擦來源與影響因素分析的前提下，可有針對性地進行摩擦試驗方法的研究，以及試驗方案的制定與實施。

2 摩擦力矩試驗方法討論

目前，針對實車路況，大量OEM主機廠都進行了載荷譜的采集，并采用統計學方法編制了輪轂軸承耐久性試驗載荷譜[9]。

通過對國內、外輪轂軸承壽命校核載荷譜與耐久性試驗載荷譜的收集分析，筆者發現直線行駛工況占總載荷譜的比例達近95%[10]。因此，對輪轂軸承進行摩擦力矩的臺架測試，并采用直線行駛狀態工況來模擬更具有實際的意義。

包括VW、GM等在內的OEM主機廠的摩擦力矩測試規范均采用了直線行駛工況的模擬臺架，如表2所示(全程采用徑向加載為1/2軸重)。

表2 OEM主機廠的摩擦力矩試驗規范

通過對表2中OEM摩擦力矩試驗載荷譜進行綜合分析，并充分考慮了采用較高轉速下的磨合效果，筆者進行各種轉速下的測試。

以上測試對摩擦力矩的數據采集均在各種轉速狀態下的最后60 s內進行。因此，所采集的數據具有真實反映實車路況摩擦特征的意義。

筆者結合表2，并考慮以下3個因素：(1)把5 r/min作為啟動摩擦力矩參考；(2)采用1 000 r/min下3 600 s的磨合時間；(3)摒棄1 200 r/min以上轉速下摩擦力矩測試，從而形成了測試譜，如表3所示。

表3 摩擦測試譜

摩擦力矩的另外一種表現形式為能量耗費，可以用如下公式描述摩擦力矩所累積耗費的功[11]：

(2)

式中：E—摩擦耗能；M(t)—摩擦力矩；n(t)—轉速；t—時間。

把E指標作為對摩擦所引起的能耗分析具有重要意義，因此，可把該指標納入到摩擦試驗臺軟件的開發中。

3 摩擦力矩特性試驗研究

筆者選擇如圖1所示結構的第3代輪轂軸承單元進行摩擦力矩的測試，但在數據采集前，先按照第2節規范進行3 600 s的磨合運行。

3.1 滾道預載荷與摩擦力矩關系

在同一批次零件，筆者通過選配出不同的滾道預載荷軸承，在不安裝兩側密封圈的狀態下進行摩擦力矩測試，測試結果如圖2所示。

圖2 滾道預載荷與摩擦力矩關系

圖2所示的測試結果表明：

(1)摩擦力矩隨轉速增加而增加。在軸承測試運行中，零件摩擦相對運動表面被潤滑脂基礎油浮動支撐而隔離，切向阻力特征符合流體力學中的粘性定律，切向阻力與運行轉速成正比。同時，需要指出的是，在運行中隨著軸承工作溫度的升高，潤滑脂基礎油的粘度下降，該變化因素對摩擦的貢獻是減小的，但是該減小量不足以抵消轉速帶來的摩擦增量，因此，整體摩擦仍表現為增加；

(2)摩擦力矩隨滾道預載荷增加而增加。從最小預載到最大預載，摩擦力矩增加比例約28%，但在整個變化過程中呈現非線性特征，小預載范圍摩擦力矩變化較大，大預載范圍摩擦力矩趨于接近。

3.2 唇口過盈量與摩擦力矩關系

筆者采用預載為3 000 N，同一個型號輪轂軸承產品，通過改變外密封唇口過盈量，來研究唇口過盈量與摩擦力矩的關系。

外密封圈過盈量自變量的控制如表4所示。

表4 過盈量試驗調整方案

過盈量的計算示意圖如圖3所示。

圖3 過盈量計算示意圖1-外圈；2-端面；3-側唇1；4-圓弧面；5-側唇2；6-法蘭盤；7-主唇；8-臺階面

參考圖3，并依據如下公式，可進行主唇與側唇過盈量的計算：

(3)

△H=a-b-c

(4)

式中：△R—主唇過盈量；e—法蘭臺階直徑；f—密封主唇直徑；△H—側唇過盈量；a—側唇伸長；b—壓入深度；c—裝配間隙。

試驗樣品僅安裝外密封圈，其在不同過盈量下的試驗結果如圖4所示。

圖4 外密封唇口過盈量與摩擦力矩關系

圖4所示的測試結果表明：

(1)裝配有外密封的輪轂軸承摩擦力矩隨轉速增加而增加，也表現為潤滑脂粘度與粘滯阻力變化之間的平衡關系；

(2)摩擦力矩隨密封圈過盈量的增加而增加，但是增加比例非常小。從1#最小過盈量樣件到9#最大過盈量樣件，摩擦力矩增加比例約為8.5%。

3.3 密封處潤滑脂與摩擦力矩關系

一般而言，在潤滑脂的選用方面，滾道潤滑脂與密封處潤滑脂是同種類型，但在兩處潤滑脂滿足相容性條件下，可在密封處選用不同款潤滑脂，來達到降低摩擦力矩的效果。

筆者采用預載為3 000 N，同一個型號輪轂軸承產品，在外密封處分別涂覆I型潤滑脂(與滾道相同的潤滑脂)與II型潤滑脂(與滾道不同的更低粘度的潤滑脂)，分別進行了摩擦試驗，其結果如圖5所示。

圖5 潤滑脂類型與摩擦力矩關系

從圖5所示的測試結果可知：

在密封處采用II型潤滑脂比采用I型潤滑脂，軸承的整體摩擦可下降14%。由此可見，在密封處有針對性地選用低摩擦低粘度潤滑脂對降低摩擦有較好的應用效果。

3.4 密封處粗糙度與摩擦力矩關系

參考圖3，與外密封唇口貼合的法蘭盤表面有3處：臺階面、圓弧面與端面，它們分別與主唇、側唇2、側唇1形成3處摩擦副。

筆者選擇同批次的6套樣品，分別對法蘭盤表面(臺階面、圓弧面與端面)進行不同粗糙度的加工，加工結果如表5所示。

表5 與外密封唇接觸的法蘭表面粗糙度

筆者對1#～6#樣品進行摩擦試驗，結果如圖6所示。

圖6 法蘭粗糙度對摩擦力矩影響

圖6所示的結果表明：

密封橡膠接觸處的粗糙度越小，摩擦力矩越小；當Ra大于0.4時，橡膠貼合面粗糙度對摩擦力矩的影響非常顯著，Ra每增加0.1，摩擦力矩增加0.11 N·m。

由此可見，在密封設計時，可考慮把密封貼合處的粗糙度Ra設計為0.4以下。

4 低摩擦輪轂軸承開發方向

通過以上研究，對于低摩擦輪轂今后的開發方向，筆者歸納為以下4點：

(1)滾道適當預載荷能夠保持軸承有較好的工作壽命，通過以上摩擦試驗表現出滾道預載荷越低，摩擦力矩越小，在兼顧保證輪轂軸承最佳工作壽命的條件下，適當降低滾道預載荷，并壓縮產品預載荷的控制公差范圍，對降低批量產品摩擦有一定的效果，并能夠保持摩擦力矩穩定在更小的公差范圍；

(2)通過減小密封唇口過盈量來降低接觸壓力，對降低摩擦力矩的貢獻非常小，但通過改善密封處潤滑脂與表面接觸粗糙度來改變摩擦系數，對降低摩擦力矩具有顯著的效果；

(3)通過研究輪轂軸承滾道粗糙度、滾道潤滑脂、保持架表面粗糙度與摩擦力矩的關系也是有意義的，值得進一步的研究，可認為是降低輪轂軸承整體摩擦力矩的另外一條有效的途徑；

(4)通過對密封的改進或優化而開發低摩擦輪轂軸承，往往會犧牲密封性能，因此，需要做好低摩擦與密封兩方面之間的性能平衡，并根據客戶的使用工況要求，而有所側重。

5 結束語

針對當前汽車行業輪轂軸承摩擦能耗問題，筆者分析了輪轂軸承的摩擦來源及其影響因素，給出了科學的輪轂軸承摩擦試驗方法，并進行了滾道預載、密封過盈量、密封潤滑脂、接觸表面粗糙度等因子的摩擦試驗。

研究結果表明：在輪轂軸承預載荷設計公差范圍內，最大預載荷比最小預載荷樣品的摩擦力矩提高了28%；外密封唇口過盈量對摩擦力矩影響不顯著；在密封處采用更低粘度潤滑脂，使得摩擦力矩下降了14%；控制密封接觸面粗糙度Ra在0.4以下時，對降低摩擦力矩有較好效果。

最后，基于本研究的結論，筆者指出了低摩擦輪轂軸承今后的開發方向。