潤滑脂對輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗影響的試驗研究?

莫易敏，雷志丹，李丹陽，任良順，黃一鳴

(1.武漢理工大學機電學院，武漢 430070； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007)

潤滑脂對輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗影響的試驗研究?

莫易敏1，雷志丹1，李丹陽2，任良順2，黃一鳴2

(1.武漢理工大學機電學院，武漢 430070； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007)

潤滑脂的黏度影響輪轂軸承的摩擦力矩及其使用性能，從而影響整車性能和油耗。本文中通過試驗研究，分析不同潤滑脂對輪轂軸承摩擦力矩和整車滑行油耗的影響，結果表明，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。

輪轂軸承；潤滑脂；油耗；摩擦力矩

前言

汽車產業是我國發展最快的產業之一，其中由汽車零部件創造的產值占汽車總產值的70%以上，隨著汽車保有量的上升，環境污染日益嚴重，國家逐年提高油耗標準。為達到國標要求，汽車不斷從各方面進行研究來降低油耗。而汽車零部件質量的好壞對于汽車整車性能有著舉足輕重的作用[1]。輪轂軸承不僅承受汽車重力，而且為輪轂傳動提供準確的向導，在工作過程中同時承受軸向載荷和徑向載荷，是汽車關鍵零部件之一[2]。在汽車輪轂軸承中，幾乎全部都是脂潤滑的軸承，潤滑脂對軸承的使用性能有重要影響。_輪轂軸承潤滑性能的優化一般通過4個方面進行：選擇適合軸承工況的潤滑脂；更換密封圈材料；改進密封圈結構；加強原材料的抽檢和監管力度[3]。選擇合適的潤滑脂對于輪轂軸承十分重要。潤滑脂是非牛頓流體，具有較好的黏著性和承載能力，對減少汽車摩擦磨損、降低整車油耗和延長汽車壽命有著十分重要的作用[4]。輪轂軸承在使用過程中會產生摩擦力矩，摩擦力矩的大小直接影響軸承的壽命和潤滑脂的性質。摩擦力矩過大，會引起軸承溫度上升，使輪轂軸承失效、潤滑脂變質[5]。軸承的啟動性能和轉動過程中轉矩的大小對整車傳動系統的穩定性和可靠性有很大影響。因此，研究潤滑脂的潤滑性能對于輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗的影響具有重要實際意義。

1 輪轂軸承摩擦力矩計算公式

汽車輪轂軸承摩擦力矩受多個因素影響，包括試驗溫度、轉速、潤滑劑的性質和軸承類型等。基于多次摩擦力矩試驗，帕姆格林提出較為精確的摩擦力矩計算方式[5]：

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力矩；ν0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為與軸承類型和載荷有關的系數；dm為軸承的節圓直徑；P1為確定軸承摩擦力矩的計算載荷。

從式(2)可以看出，潤滑脂的黏度ν0和轉速n對于整個輪轂軸承摩擦力矩值的大小有較大影響。因此，研究潤滑脂的黏度ν0和輪轂軸承轉速n對輪轂軸承摩擦力矩的影響十分重要。

2 輪轂軸承試驗研究

為探究潤滑脂在不同溫度和不同轉速條件下對輪轂軸承摩擦力矩的影響，采用相同基礎油加入不同添加劑后制成的3種試驗脂分別進行輪轂軸承啟動力矩和轉動力矩的試驗，采用兩種在用脂作對比，基礎油相同，表1為5種潤滑脂的基本理化指標。

表1 潤滑脂基本理化指標

從理化指標來看，試驗脂3＃的黏度最低，試驗脂2＃黏度最高，說明試驗脂3＃的低溫性能最優；3種試驗脂的高溫性能相當；3種試驗脂的分油度大于兩種在用脂，其中試驗脂3＃的分油度最大，使用壽命相對較低，不利于軸承長時間潤滑；從潤滑脂的成分上看，試驗脂1＃的抗磨性更好。

2.1 輪轂軸承轉矩試驗

2.1.1 輪轂軸承啟動性能力矩試驗

輪轂軸承的啟動性能主要由啟動力矩和運轉力矩決定。啟動力矩是輪轂軸承使一軸承套圈或墊圈相對于另一固定的套圈或墊圈開始旋轉時測得的最大力矩，它一定程度上反映了輪轂軸承的靜摩擦特性。運轉力矩是輪轂軸承在以1r/min轉速穩定運行60min后測得力矩的大小。輪轂軸承力矩試驗采用的軸承是某MPV車型使用的第3代輪轂軸承。試驗方法參照SH/T 0338—1992標準測定輪轂軸承在不同溫度下的摩擦力矩大小。試驗溫度分別為25，0和-40℃，軸承轉速為1r/min。試驗結果如圖1所示。

由圖1可見，常溫(25℃)條件下，試驗脂3＃和在用脂2＃的啟動力矩值最小，運轉力矩值均較小，說明試驗脂3＃和在用脂2＃的啟動性能較優，試驗脂2＃的啟動力矩和運轉力矩都是5種脂中最大的，說明試驗脂2＃在常溫下的啟動性能最差；0℃時，試驗脂3＃與在用脂2＃的啟動力矩和運轉力矩大小相當，說明兩款潤滑脂的啟動性能較優；-40℃時，試驗脂3＃的啟動力矩和運轉力矩明顯低于其他4種油脂，原因主要是試驗脂3＃的相似黏度最低，試驗脂2＃的相似黏度最高。從整個試驗結果可以看出，黏度對于輪轂軸承啟動性能影響較大，黏度越低，啟動性能越好。

2.1.2 輪轂軸承轉動力矩試驗

輪轂軸承轉動力矩指的是輪轂軸承在摩擦力矩試驗機規定轉速下60s內采集多個力矩值的平均值。試驗將溫度控制為室溫，測定在不同轉速下輪轂軸承轉動力矩值的大小。試驗設備采用某軸承試驗研究中心設計的輪轂軸承摩擦力矩試驗機，如圖2所示。試驗軸承采用與輪轂軸承啟動性能試驗相同的第3代輪轂軸承。試驗開始時先使軸承以500r/min的轉速磨合10min，之后以不同轉速進行試驗，記錄不同轉速下的轉動力矩值。試驗結果如圖3所示。

由圖3可見，5種脂在不同轉速下轉動力矩的變化趨勢基本一致。轉動力矩隨著轉速的增加先增大后減小，最后保持穩定，主要因為在轉速較低時，軸承的摩擦損失來自滾珠與滑道直接接觸產生的摩擦和攪油損失，隨著轉速升高，兩種摩擦損失都增大，當轉速超過200r/min時，軸承潤滑方式變為動壓潤滑，滾珠與滑道分離，摩擦損失顯著降低。其中試驗脂3＃對應的轉動力矩最小，約為0.8N·m，說明試驗脂3＃的潤滑性能最好，相比較之下，兩種在用脂的潤滑性能也較好，試驗脂3＃的黏度低于兩種在用脂，經過試驗得到的轉動力矩值明顯低于在用脂，說明黏度對輪轂軸承轉動力矩有較大影響，黏度越低，轉動力矩值越小；黏度越高，轉動力矩值越大。

圖1 不同溫度下力矩柱狀圖

圖2 輪轂軸承摩擦力矩試驗機

圖3 輪轂軸承轉速-轉動力矩圖

2.2 整車滑行和油耗試驗

2.2.1 滑行試驗

汽車滑行距離的長短反映汽車行車阻力的大小。滑行距離長，則汽車拖滯力小，油耗低；滑行距離短，則說明拖滯力大，油耗高。汽車滑行距離的試驗方法依據GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ)》，試驗過程中采用轉鼓試驗臺模擬道路滑行的方法測量汽車的滑行距離，試驗示意圖如圖4中虛線框所示。試驗溫度為室溫。分別測量汽車的冷態滑行距離和熱態滑行距離，冷熱態滑行試驗各進行6次，取平均值。滑行距離結果如表2和表3所示。

圖4 整車滑行試驗示意圖和油耗試驗原理圖

表2 冷態滑行距離m

表3 熱態滑行距離m

由表2和表3可見，5種潤滑脂的熱態滑行距離相差不大，究其原因，經過NEDC循環后，油脂溫度較高，而根據前面5種脂的理化指標可以看出，5種脂的高溫性能相當，所以熱態滑行距離比較接近，且試驗脂3＃的熱態滑行距離最長；冷態滑行距離5種脂中試驗脂3＃滑行距離最長，在用脂1＃和在用脂2＃的滑行距離相近。整體上可以看出，試驗脂3＃的冷熱態滑行距離最長，使用性能最優。冷態滑行過程中潤滑脂在輪轂軸承處于靜置狀態，熱態滑行過程中潤滑脂在輪轂軸承分布較為均勻。潤滑脂在輪轂軸承中分布越均勻，則輪轂軸承的啟動阻力越小，啟動性能越好，對應的滑行距離越長。5種油脂中，試驗脂3＃在常溫下的啟動性能最好，滑行距離最長，說明滑行距離與啟動性能的好壞有關，潤滑脂在輪轂軸承中分布越均勻，啟動性能越好，滑行距離越長；啟動性能越差，滑行距離越短。啟動性能與黏度有密不可分的關系，5種潤滑脂中，試驗脂3＃的黏度最低，說明潤滑脂黏度對于輪轂軸承滑行距離有較大的影響。

2.2.2 油耗試驗

依據國家標準GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ))》和GB/T 12545.5—2008《汽車燃油消耗量試驗方法第1部分》，在底盤測功機上以NEDC循環工況進行油耗試驗，試驗車型為某MPV前置后驅車型，地點在某公司排放實驗室[8]。

(1)試驗原理

試驗過程中，用三角架固定試驗車前輪，后輪安放在轉鼓上。駕駛員操控汽車按照NEDC循環工況運行，冷卻風機模擬汽車行駛過程中風的阻力，底盤測功機的轉鼓模擬持續移動的實際道路路面情況，阻力加載裝置模擬汽車行駛過程中的阻力，飛輪系統模擬汽車運動的慣性。為使采樣氣體更加穩定，讓試驗車排出的氣體在稀釋通道中與空氣混合稀釋，再通過定容采樣系統收集樣氣，最后按照碳平衡法計算出整車百公里油耗，計算公式如式(4)碳平衡法計算公式所示。油耗試驗原理圖如圖4所示。

式中：Q為百公里燃油消耗量，L；QHC為測得的碳氫排放量，g/km；QCO為測得的一氧化碳排放量，g/km；QCO2為測得的二氧化碳排放量，g/km；D為15℃時試驗燃油的密度，kg/L。

(2)試驗設備

整車油耗試驗按照GB 18352.3—2005方法進行，其中主要試驗設備包括恒溫艙、試驗車、底盤測功機和排放分析儀等。

(3)試驗結果與分析

針對不同油脂分別進行3次試驗，取平均值，將市郊區的油耗分別記錄下來，計算其綜合油耗，繪制成柱狀圖，如圖5所示。

圖5 綜合油耗對比圖

由圖5可見，對于整車油耗而言，5種潤滑脂相差不大，3種試驗脂中3＃潤滑脂油耗最低。通過前面對5種油脂的啟動性能和轉動力矩的試驗結果可知，試驗脂3＃的啟動性能最好，轉動力矩值是5種脂中最低的，所以試驗脂3＃的油耗最低。分別對3種油脂的市區和郊區油耗進行分析：對比之下，試驗脂3＃在郊區時的百公里油耗最低，為5.93L，在市區的百公里油耗最高，為9.26L；而試驗脂2＃在市區工況的百公里油耗是3個油脂中最低的，為9.17L，在郊區的百公里油耗最高，為6.09L。這說明試驗脂3＃在高速工況下行駛更有利于降低油耗；試驗脂2＃則更適合低速工況行駛。

5種油脂中，黏度最低的試驗脂3＃在試驗過程中產生的摩擦力矩值最小，油耗最低，汽車滑行距離最長；黏度最高的試驗脂2＃產生的摩擦力矩值較大，油耗最高，汽車滑行距離最短；試驗結果說明潤滑脂的黏度對于輪轂軸承摩擦力矩有著重要影響。此外，試驗脂1＃雖黏度低于兩種在用脂，但在試驗中滑行距離比兩種在用脂短、油耗比兩種在用脂大，說明除了黏度這個指標外，還要考慮潤滑脂諸如添加劑和稠化劑等其他指標對于輪轂軸承摩擦力矩的影響。

3 結論

(1)潤滑脂具有強烈的非牛頓流體性質和獨特的流變特性，分析潤滑脂對于輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗影響時必須進行大量的試驗研究，并從試驗結果中得出相應結論。

(2)黏度最低的試驗脂3＃啟動力矩和運轉力矩最小，油耗最低，冷熱態滑行距離最長；黏度最高的試驗脂2＃的啟動力矩和運轉力矩最大，油耗最高，冷熱態滑行距離最長；由此可見潤滑脂的黏度對于輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗有較大影響，黏度越小，摩擦力矩越小，油耗越低；黏度越大，摩擦力矩越大，油耗越高。

(3)通過試驗可以看出，潤滑脂黏度指標對潤滑脂潤滑性能的重要性，但輪轂軸承摩擦力矩還與潤滑脂的其他理化指標有關，有待進一步研究。

[1] 于玫.轎車輪轂軸承熱彈流體動力脂潤滑分析[D].廣州：華南理工大學，2011.

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[4] 王曉雪.鋰基潤滑脂流變特性與工作性能相關性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

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[7] 王慶瑞，李維民，王曉波.S-N型潤滑添加劑的合成及其摩擦學性能研究[J].潤滑與密封，2012，37(4)：19-23.

[8] 國家環保局.GB 18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法[S].北京：中國標準出版社，2005：27-63.

An Experimental Study on the Effects of Grease on the Friction Torque of Hub Bearing and the Fuel Consumption of Vehicle

M o Yim in1，Lei Zhidan1，Li Danyang2，Ren Liangshun2＆Huang Yim ing2
1.School ofMechanical and Electric Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070； 2.SGMW，Liuzhou 545007

The viscosity of lubricating grease affects the friction torque and performance ofwheel hub bearing，and hence influences the performance and fuel consumption of vehicle.In this paper，an experimental study is conducted to analyze the effects of different lubricating greases on the friction torque of wheel-hub bearings and the coasting fuel consumption of vehicle.The results show that the lubricating grease with low viscosity is of important significance for reducing the friction torque of wheel hub bearing and the fuel consumption of vehicle.

wheel hub bearing；lubricating grease；fuel consum ption；friction torque

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.016

?校企合作基金項目資助。

原稿收到日期為2016年10月9日，修改稿收到日期為2016年11月21日。

雷志丹，碩士，E-mail：leizhidan1213＠163.com。