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負(fù)游隙對輪轂軸承摩擦力矩的影響

2019-07-09 23:43:19·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
通過大量研究發(fā)現(xiàn)，汽車輪轂軸承單元的負(fù)游隙對其摩擦力矩存在較大的影響。為了明確輪轂軸承負(fù)游隙對其摩擦力矩的具體影響，研究了汽車輪轂軸承摩擦力矩的計(jì)算方
通過大量研究發(fā)現(xiàn)，汽車輪轂軸承單元的負(fù)游隙對其摩擦力矩存在較大的影響。為了明確輪轂軸承負(fù)游隙對其摩擦力矩的具體影響，研究了汽車輪轂軸承摩擦力矩的計(jì)算方法，以某型號輪轂軸承為例，建立了輪轂軸承負(fù)游隙的接觸理論模型，分析表明負(fù)游隙對鋼球與內(nèi)外圈滾道的接觸載荷存在影響。設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步探究負(fù)游隙對輪轂軸承摩擦力矩的關(guān)系，試驗(yàn)表明，負(fù)游隙對輪轂軸承的摩擦力矩存在較明顯的影響，摩擦力矩的平均差值達(dá)到了0.2Nm，且隨著負(fù)游隙絕對值的減小，摩擦力矩呈減小的趨勢，這一結(jié)論可以為提升輪轂軸承的效率提供參考依據(jù)。

1 引言

負(fù)游隙是第三代汽車輪轂軸承單元的重要參數(shù)之一，負(fù)游隙影響著輪轂軸承的載荷分布、振動、噪聲、摩擦力矩及壽命等[1]，其中，摩擦力矩直接影響著輪轂軸承的效率。為了降低摩擦力矩，減小輪轂軸承的功率損失，進(jìn)而提升汽車傳動系統(tǒng)的效率，對輪轂軸承負(fù)游隙的研究就顯得尤為重要。雖然對輪轂軸承負(fù)游隙作出了很多研究，但對負(fù)游隙如何影響摩擦力矩方面的研究卻較少，因此主要針對某前置前驅(qū)車型第三代輪轂軸承，研究負(fù)游隙對其摩擦力矩的影響。

2 輪轂軸承的摩擦力矩

摩擦特性是輪轂軸承的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，摩擦不僅會造成大量的能量損失，摩擦引起的磨損還會使軸承精度下降，產(chǎn)生過高的溫升，導(dǎo)致工作表面燒傷或潤滑劑失效等。輪轂軸承的摩擦力矩是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，與其結(jié)構(gòu)、幾何精度、材料性能、工作載荷、裝配精度、潤滑條件及加工工藝等多種因素相關(guān)。

2.1 摩擦力矩的計(jì)算

根據(jù)輪轂軸承內(nèi)部的摩擦特點(diǎn)，其摩擦力矩由多方面的因素共同決定，本次研究主要考慮由滾動材料的彈性滯后、差動滑動及自旋滑動引起的摩擦力矩。

2.1.1 彈性滯后引起的摩擦力矩MT

滾動體在滾道上滾動時(shí)由于材料的彈性滯后，產(chǎn)生的摩擦力矩MT為：

式中：dm—軸承節(jié)圓直徑，m；γ=DW cosα/d m，DW—鋼球直徑，mm；α—接觸角，rad；Z—鋼球數(shù)；Qi（o）j—接觸載荷，N；KT—與材料彈性模量、第一、二類橢圓積分、主曲率函數(shù)等相關(guān)的系數(shù)；β—彈性滯后系數(shù)，軸承鋼取0.007。
2.1.2 差動滑動引起的摩擦力矩MC

受載后滾動體與內(nèi)滾道會發(fā)生接觸變形，由于兩物體在接觸面上各點(diǎn)的線速度不同，產(chǎn)生的差動滑動摩擦力矩為：


式中：fs—滑動摩擦系數(shù)，軸承鋼取0.08；KC—與材料彈性模量、第二類橢圓積分、主曲率函數(shù)及溝曲率等相關(guān)的系數(shù)。

2.1.3 自旋滑動引起的摩擦力矩MZ

在雙列角接觸球輪轂軸承中，由于接觸角的存在，在滾動體相對滾道繞接觸面法線自旋滑動時(shí)產(chǎn)生了摩擦力矩：


式中：Fi（ο）j—第二類橢圓積分；

ai（ο）j—接觸橢圓長半軸，mm。

則輪轂軸承中與載荷相關(guān)總的摩擦力矩為：


由計(jì)算公式可知，以上摩擦力矩均與輪轂軸承所受的載荷Q呈正相關(guān)，隨著載荷Q的增大，摩擦力矩增大。

3 輪轂軸承負(fù)游隙

3.1 負(fù)游隙的設(shè)計(jì)

汽車輪轂軸承的游隙設(shè)計(jì)一般依據(jù)軸承壽命最大化原則，壽命的最大化與軸承的游隙直接相關(guān)。

當(dāng)輪轂軸承在較大正游隙下工作時(shí)，載荷集中作用于受力方向的滾動體上，這部分滾動體和內(nèi)外圈溝道接觸處將會產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力，導(dǎo)致軸承的壽命縮短；而當(dāng)工作在負(fù)游隙下時(shí)，滾動體工作條件得到改善，各個(gè)滾動體將會更加均勻的受力，從而保證了軸承的使用壽命。

軸承壽命理論分析與大量的壽命試驗(yàn)表明：輪轂軸承的工作游隙設(shè)計(jì)在（-0.01～-0.06）mm范圍內(nèi)時(shí)，軸承會有更長的壽命。如圖1所示[10]，當(dāng)輪轂軸承的工作游隙＞（-0.01）mm時(shí)，由于溝道預(yù)載荷變小，隨著工作游隙的增加，軸承壽命呈平緩下降的趨勢；當(dāng)工作游隙<（-0.06）mm時(shí)，溝道預(yù)載荷過大，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承內(nèi)部溫升高且軸承內(nèi)圈擠壓變形，隨著工作游隙的減小，軸承壽命呈急劇下降趨勢，同時(shí)也會增大摩擦力矩，降低軸承效率。

圖1 輪轂軸承工作游隙與壽命的關(guān)系
Fig.1 Relation Between Hub Bearing Work Clearance and Life

為了使輪轂軸承有更長的使用壽命，目前第三代汽車輪轂軸承普遍設(shè)計(jì)為極小的負(fù)游隙，因此，主要針對負(fù)游隙在（0～-0.06）mm范圍內(nèi)的輪轂軸承進(jìn)行研究。

3.2 負(fù)游隙接觸理論模型

第三代汽車輪轂軸承裝配件為負(fù)游隙狀態(tài)，軸承空載時(shí)鋼球與滾道已經(jīng)發(fā)生彈性變形。為研究負(fù)游隙對輪轂軸承摩擦力矩的影響，建立了輪轂軸承負(fù)游隙的接觸理論模型。

兩接觸體的赫茲接觸理論模型，如圖2所示。則對于輪轂軸承：

內(nèi)、外滾道曲率和：

圖2 接觸體的幾何模型

Fig.2 Geometry Model of Contact Bodies

內(nèi)、外滾道曲率差：


輪轂軸承裝配前徑向負(fù)游隙理論值：


由于輪轂軸承的兩種材料屬性接近，可得到簡化計(jì)算公式：

接觸區(qū)域投影橢圓長半軸：


接觸區(qū)域投影橢圓短半軸：


接觸位移：


式中：a*—接觸橢圓量綱為1的長半軸，mm；b*—接觸橢圓量綱為1 的短半軸，mm；δ*—量綱為 1 的接觸位移，mm（a*、b*與 δ*均為F（ρi（o））的函數(shù)，通過查相關(guān)資料得到）；Q—輪轂軸承載荷，N。
輪轂軸承的接觸載荷：


3.3 輪轂軸承接觸載荷的計(jì)算

某車型輪轂軸承參數(shù)：鋼球D=13.494mm，內(nèi)圈滾道曲率半徑Ri=6.950mm，外圈滾道曲率半徑Ro=7.084 mm，內(nèi)圈滾道溝徑Di=47.928 mm，外圈滾道溝徑Do=75.190 mm。

輪轂軸承裝配時(shí)，通常設(shè)有一定的壓裝量，從而使輪轂軸承產(chǎn)生一個(gè)很小的負(fù)游隙。假設(shè)鋼球直徑為D=13.494mm時(shí)，壓裝后的游隙值為0，此時(shí)軸承為零游隙狀態(tài)，鋼球與滾道恰好沒有接觸應(yīng)力，假定軸承其他尺寸不變，通過鋼球直徑的增大而得到負(fù)游隙。計(jì)算得到的空載時(shí)不同負(fù)游隙輪轂軸承的接觸載荷，如表1所示。

表1 不同負(fù)游隙輪轂軸承的接觸載荷
Tab.1 Contact Load of Different Negative Clearance of Hub Bearing

輪轂軸承負(fù)游隙與接觸載荷的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖可知，隨著負(fù)游隙的增大，軸承內(nèi)外滾道的接觸載荷呈逐漸增大的趨勢，負(fù)游隙的增大將導(dǎo)致軸承摩擦力矩的增大，當(dāng)負(fù)游隙超過一定的范圍時(shí)，將對輪轂軸承效率的提升產(chǎn)生不利影響。

圖3 負(fù)游隙與接觸載荷的關(guān)系曲線
Fig.3 Relationship Between Negative Clearance and Contact Load

4 試驗(yàn)方案

4.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用汽車輪轂軸承摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)測試輪轂軸承的摩擦力矩。試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括：主軸部件、測試部件、徑向加載部件、軸向加載部件、電氣控制系統(tǒng)及工業(yè)計(jì)算機(jī)等。

輪轂軸承安裝到芯軸上，芯軸固定在傳動主軸上，伺服電機(jī)通過傳動主軸、輪轂軸承連接，各部件通過對測試部件進(jìn)行徑向和軸向加載，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞到外圈和襯套，再由連桿傳遞到扭矩傳感器，然后通過扭矩傳感器測出相應(yīng)的數(shù)值，從而得到輪轂軸承的摩擦力矩。輪轂軸承的摩擦力矩測試設(shè)備，如圖4所示。

圖4 汽車輪轂軸承摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)
Fig.4 Friction Torque Testing Machine of Automobile Hub Bearing

圖5 輪轂軸承摩擦力矩檢測原理
Fig.5 Friction Torque Detection Principle of Hub Bearing

試驗(yàn)中按照圖5的檢測原理圖將汽車輪轂軸承裝上工裝，一側(cè)連接旋轉(zhuǎn)主軸，主軸通過電機(jī)轉(zhuǎn)動，另一側(cè)連接連桿，軸承選裝后通過連桿傳導(dǎo)力矩至力矩傳感器，進(jìn)而輸出力矩值。

4.2 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)的測試對象為某車型第三代汽車雙列角接觸球輪轂軸承。在生產(chǎn)線上挑選出不同負(fù)游隙的輪轂軸承作為試驗(yàn)測試樣件，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于各種誤差的存在，且輪轂軸承鉚接后的負(fù)游隙目前還難以準(zhǔn)確檢測，因此試驗(yàn)中的負(fù)游隙為根據(jù)鉚接前游隙得到的理論計(jì)算值，并且軸承的負(fù)游隙值比較隨機(jī)，不能保證等范圍選取，試驗(yàn)選取的測試樣本負(fù)游隙值分別為（-0.036）mm、（-0.030）mm、（-0.023）mm、（-0.020）mm、（-0.014）mm 及（-0.010）mm。試驗(yàn)過程中，首先使輪轂軸承以10r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，以測量其啟動力矩，然后以500r/min的轉(zhuǎn)速，磨合10min后，分別以100r/min、200r/min、…900r/min、1000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，不加載測試摩擦力矩，轉(zhuǎn)速控制精度保證在（±5）r/min以內(nèi)，每種轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)60s后，測量摩擦力矩值，記錄不同轉(zhuǎn)速下的摩擦力矩。按照以上提出的試驗(yàn)工況要求，參照汽車輪轂軸承摩擦力矩的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，即可測得各種轉(zhuǎn)速下不同負(fù)游隙輪轂軸承的摩擦力矩值。

5 結(jié)果

通過對不同負(fù)游隙的輪轂軸承進(jìn)行測試，所得到的負(fù)游隙與摩擦力矩的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 不同負(fù)游隙下的摩擦力矩
Fig.6 The Friction Torque of Different Negative Clearance

由圖6中可知，負(fù)游隙對輪轂軸承的摩擦力矩影響較為明顯，其摩擦力矩差值達(dá)到了0.2Nm左右。試驗(yàn)結(jié)果表明：負(fù)游隙在（-0.010～-0.025）mm范圍內(nèi)時(shí)，隨著輪轂軸承負(fù)游隙絕對值的增大，其摩擦力矩增大，且增加趨勢較為明顯，當(dāng)負(fù)游隙值超過一定值后，隨著負(fù)游隙絕對值的繼續(xù)增大，摩擦力矩增加，但增幅趨于平緩。因此，適當(dāng)?shù)臏p小負(fù)游隙絕對值對提升傳動系統(tǒng)效率具有一定的實(shí)際意義。

6 結(jié)束語

主要針對汽車輪轂軸承負(fù)游隙對其摩擦力矩的影響進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）對輪轂軸承的摩擦力矩進(jìn)行了理論分析，明確了載荷對其摩擦力矩的重要影響；

（2）建立了輪轂軸承負(fù)游隙的接觸理論模型，分析了負(fù)游隙的變化對鋼球與內(nèi)外圈滾道間接觸載荷的影響，分析結(jié)果表明，隨著負(fù)游隙絕對值的增大，鋼球與滾道的接觸載荷逐漸增大；

（3）對不同負(fù)游隙輪轂軸承的摩擦力矩進(jìn)行試驗(yàn)測試，結(jié)果表明：隨著負(fù)游隙絕對值的減小，其摩擦力矩呈逐漸減小的趨勢，這將為輪轂軸承的減摩設(shè)計(jì)以及效率的提升提供了指導(dǎo)依據(jù)。
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