轮毂轴承润滑脂选用分析及油耗试验

谢泽兵

中国石化润滑油有限公司合成油脂分公司

本文根据润滑脂基础油润滑膜厚计算公式，对某汽车车型使用的第3代轮毂轴承，在确定载荷、轴承参数以及速度范围后，确定了弹流润滑状态下的润滑脂基础油黏度；通过对比轮毂轴承摩擦力矩计算公式，发现膜厚能在一定程度上反映摩擦力矩。为进一步探究膜厚与摩擦力矩的关系，通过轮毂轴承台架试验测定了不同转速、不同载荷下润滑脂的轮毂轴承摩擦力矩，发现通过膜厚公式能很好地解释各种现象。最后通过整车油耗试验，考察了低黏度润滑脂与原厂润滑脂的燃料经济性，结果表明，低黏度润滑脂的燃料经济性较原厂脂略有提高。

轴承是机器中的基础元件，广泛应用于各行各业的机械产品中，被誉为机器的“关节”。凡使用轴承的产品，其性能、精度、寿命、可靠性等都与轴承密切相关，在一些高科技产品中，轴承已被视为核心元件。轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，需要承受轴向载荷与承受径向载荷，是汽车中的一个非常重要的零部件。传统的汽车轮毂轴承是由两套圆锥滚子轴承或球轴承组合而成的，轴承的安装、涂油、密封、游隙调整等后续处理都是在汽车生产线上进行的；这种结构使得其在汽车生产厂装配困难、成本高、可靠性差，而且汽车在维修点维护时，还需要对轴承进行清洗、涂油和调整。轮毂轴承单元是在标准角接触球轴承和圆锥滚子轴承的基础上发展起来的，它将两套轴承设计合并为一体，具有组装性能好、可省略游隙调整、重量轻、结构紧凑、载荷容量大、为密封轴承可事先装入润滑脂、省略外部轮毂密封及免于维修等优点，已广泛用于轿车中[1]。

润滑脂主要是由稠化剂、基础油、添加剂3部分组成。一般润滑脂中稠化剂含量约为10%～20%（质量分数），基础油含量约为75%～90%（质量分数），添加剂及填料的含量在5%（质量分数）以下。稠化剂主要用于承载，挤出的基础油主要用于润滑，润滑性质与润滑油一致。轴承润滑脂的主要作用是减少摩擦及磨损、延长疲劳寿命、排出摩擦热、冷却、防止异物侵入轴承内部[2]。

本文根据润滑脂基础油润滑膜厚方程，求出某汽车车型轮毂轴承在一定转速范围内处于弹流润滑状态所需的润滑脂基础油黏度；结合摩擦力矩的计算公式，对轮毂轴承的摩擦力矩影响的台架试验研究，得出了润滑脂轮毂轴承的摩擦力，在轴承确定的情况下，主要与载荷、润滑脂黏度、运转速度有关，结合整车油耗试验，建议选用初始黏度较高的润滑脂，且基础油黏度随温度变化快的基础油类别。

轮毂轴承润滑脂的选用分析

轮毂轴承脂润滑膜厚度分析

试验对象是某车型使用的第3代轮毂轴承，其特点是内外圈集成凸缘，内圈用于支撑车轮和制动盘，外圈用于连接悬挂装置。相较于前两代轮毂轴承，其在结构上对安装结构进行了简化，同时运用可调的轴承游隙，使轴承的可靠性和使用寿命得到大幅度提升[1]。轮毂轴承主体部分尺寸与材料参数见表1。

由于滚动体为球体，轴承正常工作时，工作方式为点接触弹性流体动压润滑[3]；而膜厚直接会影响轴承的工作状态，所以对Hamrock和Dowson对等温点接触弹流润滑进行了系统的数值分析，得出油膜厚度计算公式[4]：

公式（1）、（2）中：

G＊——轴承的材料参数；

U＊——轴承的速度参数；

W＊——轴承的载荷参数；

Rx——轴承的x方向当量曲率半径，mm；

k——Hertz椭圆接触区的椭圆率。

以上参数，除Rx外，均为无量纲。G＊、Rx这两个参数与轴承本身有关，通过表1可以计算得出；W＊与椭圆率k与轴承载荷以及轴承本身参数有关。计算如下：

公式(3)中，E’为当量弹性模量，相互接触的两个物体（轴承内圈与滚珠）的E’计算公式为：

公式(7)中，E1与E2分别为润滑处接触物体材料的弹性模量，μ1与μ2为两种材料的泊松比，详情可见表1。

表1 轮毂轴承参数

公式（5）、（6）中，Rx1、Rx 2轮毂轴承内滚道半径与滚珠半径，2个参数用于计算主方向X方向的当量半径，Rx 1=（58.5-13.494）/2=22.503 mm，Rx 2=13.494/2=6.747mm；η0为基础油的动力黏度。

对于某车型，取轮毂轴承滚珠承受最大载荷为801.5 N，汽车运行的最大车速为120 km/h，加上安全系数1.1后的最大转速不超过1 000 r/min，则接触区的中心膜厚hc随U＊中黏度与转速的关系就可以确立，如图1所示。图1中有10条膜厚曲线，其中2条水平黑线代表膜厚，根据膜厚鉴别润滑状态是可靠的，0.1～1 μm是弹性流体动压润滑的膜厚范围。

由图1可以看出：

◇当轴承载荷确定，转速范围100～1 000 r/min的情况下，润滑脂基础油动力黏度在0.17～0.52 Pa · s，轴承处于弹流润滑的情况，摩擦系数最小；

◇随着转速的增加，膜厚的增加越来越缓慢，由于低速状态下，要形成弹流润滑膜的所需动力黏度相较很大，在之后的内容会加以讨论。

轮毂轴承摩擦力矩计算公式

轮毂轴承的摩擦力矩基本决定因素主要集中在轴承类型以及内部结构、密封状态、轴承载荷和润滑方式，帕姆格林根据实际的摩擦力矩试验总结出了比较精确的摩擦力矩计算方式[1]：

图1 理想状态膜厚曲线

当ηn≥2 000时，

当ηn≤2 000时，

此外，

公式 (8)～公式 (11)中：

M——轮毅轴承总摩擦力矩，mN · m；

M0——与轴承类型、转速和润滑脂性质有关的摩擦力矩，mN · m；

M1——与轴承载荷有关的摩擦力矩，mN · m ；

η——润滑剂的运动黏度，mm2/s；

n——轴承转速，r/min；

f0——与轴承类型、润滑方式有关的系数；

f1——轴承类型和载荷有关的系数；

D——轴承的节圆直径，mm；

P——确定轴承摩擦力矩的计算载荷，N。

将中心区膜厚方程已知量常数化为K，U＊中常量化为K1,展开后，得到下式：

动力黏度与运动黏度的关系为：

相比于动力黏度，在压力的作用下基础油的密度变化很小，对油膜厚度影响不大，动力黏度0.17～0.52 Pa/s，对应运动黏度为（取矿物油密度的典型值ρ=0.85 g/cm3）21.6～66.2 mm2/s，可知ηn在一般工况下大于2 000，此时帕姆格林摩擦力矩计算公式含有(ηn)0.67项，可知在满足弹流润滑条件下，膜厚越小，摩擦力矩越小。

当油膜过小，接触表面可能出现边界摩擦或干摩擦，造成轴承损坏，这种情况一般要避免，因此可以用膜厚来线性地反映摩擦力矩公式中的M0,而M1与所受的负荷有关，分析总摩擦力矩主要是结合负荷、转速以及运动黏度来分析。

轮毂轴承摩擦力矩测试试验

参照标准SH/T 0338—92进行试验，试验环境温度为室温。试验设备采用检测中心设计的摩擦力矩试验机。试验开始时先使轴承以500 r/min的转速磨合10 min。在指定转速下各润滑脂均进行三次摩擦力矩试验，结果取平均值。试验用脂的理化指标见表2（试验脂主要采用不同公司的轮毂轴承润滑脂，根据相似黏度作为主要区分依据）。

在相同原车载荷（取2 kN）不同转速下测定的轮毂轴承摩擦力矩见图2，在固定转速500 r/min下，采用弹流润滑理论计算的黏度范围、所测定得不同载荷下的轮毂轴承摩擦力矩分见表3和图3。

由图2可见，随着转速增加，膜厚相应增加，摩擦力矩应该呈现递增趋势，但在转速增加过程中温度上升，导致运动黏度下降，所以图中摩擦力矩随转速下降，是由于黏度随温度下降的影响高于转速，导致η n减小。由于工作过程处于弹流润滑状态，测试脂1初始黏度较小，所以整体的摩擦力矩较小。测试脂2在转速达到400 r/min的时候，摩擦力矩快速下降，表明测试脂2运动黏度随温度的变化显著，但在转速达到700 r/min时，运动黏度随温度减小速率变平缓。

由表3可以看出，载荷的变化对于实现弹流润滑的动力黏度范围改变的影响不是很大，载荷的增加，压力、温度升高，黏度减小，膜厚会一直减小。

由图3可以看出，测试脂1由于承载能力太差，加载失败；由于载荷已经大于测试脂2的承载值，其油膜厚度太小，轮毂轴承处于边界润滑状态，总摩擦力矩分量M1会随着载荷增加，而增加M0可看作不变；在用脂从载荷1.0 kN～1.5 kN时,由于初始动力黏度最大，随着载荷增加，压力、温度升高后，动力黏度减小并在弹流润滑范围内，此时膜厚减小，摩擦力矩力矩相应下降，但随着载荷进一步增加， 温度进一步升高，无法实现有效润滑，摩擦力矩随载荷升高而变大。

表2 试验用脂的理化指标

图2 不同转速下摩擦力矩

表3 弹流润滑理论计算的黏度范围(转速500 r/min)

图3 不同载荷下摩擦力矩

需要注意的是，温度过高会造成润滑脂变质，轮毂轴承使用寿命也会相应降低。

整车油耗试验

试验方法与对象

整车油耗采用的是GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量 方法（中国Ⅲ、Ⅳ））》中规定的NEDC（New European Driving Cycle）循环工况，根据国家标准GB/T 12545.5—2008《汽车燃油消耗量试验方法 第1部分》中的方法在底盘测功机上进行试验。试验车型为某MPV前置后驱车型；分别测量对标脂与低黏度润滑脂（测试脂1）润滑下整车的油耗。

试验结果与分析

NEDC的城市与郊区工况下，换用的低黏度润滑脂与在用脂每阶段的油耗差值见图4。

由图4可见，低黏度润滑脂的燃油经济性总体略有提升，其NEDC 5个工况总油耗比原厂润滑脂要少0.11 L/100 km；而两个试验总油耗平均值为40.975 L/100 km，提升比例为0.27%（不考虑试验误差的情况下）。就燃油经济性来说，低黏度润滑脂的总体摩擦力矩较小，有一定优势。

结论

图4 不同润滑脂NEDC工况油耗对比

☆膜厚方程与摩擦力矩方程能对轮毂轴承的摩擦力矩变化做出很好的解释，工作载荷下，转速升高时，由于转速升高造成的温升现象导致黏度减小，使ηn变化不定，从而试验的摩擦力矩有升有降；而重载下，润滑油膜厚度过小，润滑方式改变，不再是弹流润滑，摩擦力矩随转速的升高而递增。

☆由于润滑脂黏度随温度变化，通过摩擦力矩试验可以反映不同润滑脂黏度随温度变化的特性。选用轮毂轴承润滑脂时，单看其黏度并不够，还需要了解其黏温特性，推荐选取黏度较高，但黏度随温度变化快的润滑脂。黏度高，代表启动时，在低速状态下也能实现有效润滑，保证轴承的正常使用寿命；黏度随温度变化快，即正常工作下，黏度变得较低，在弹流润滑状态能有较小的摩擦力矩。

☆整车试验中低黏度润滑脂较在用脂的燃油经济性略有提高，但根据理论计算推测低黏度的润滑脂可能会造成低速时轴承磨损会变大，使用寿命安全性降低。

☆润滑脂的黏温特性还有待更近一步研究，可以将黏温公式代入膜厚方程，进行进一步研究，以便挑选更适合不同车型的轮毂轴承润滑脂，满足安全与更好的燃油经济性的要求[5]。