低摩擦力矩軸承在高效后橋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

方華 任良順 蘭龍

摘 要：為降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴，國家制定了GB 27999-2014和GB 19578-2014法規(guī)：要求2020年我國乘用車企業(yè)CAFC（企業(yè)平均燃料消耗量）降至5.0L/100km。因前置后驅(qū)車比前驅(qū)車傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，油耗壓力高，故后驅(qū)車需加快使用低摩擦力矩軸承等措施提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率、降低整車油耗。文章從傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件（后橋總成）內(nèi)阻研究著手，探索出軸承摩擦力矩是主要內(nèi)阻之一，并分析出軸承摩擦力矩產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)應(yīng)的降摩擦力矩措施，最后通過效率臺(tái)架和整車油耗測(cè)試結(jié)果表明：低摩擦力矩軸承具有工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：后橋;內(nèi)阻;軸承;低摩擦力矩

中圖分類號(hào)：TH133.31+4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-54-03

Abstract： In order to reduce the dependence on imported crude oil， China has formulated the GB 27999-2014 and GB 19578-2014 regulation， which requires that the CAFC（average fuel consumption of enterprises） of China's passenger car enterprises be reduced to 5.0l /100km by 2020. Because the driving chain of the FR car is longer than that of the FF car， the FF car fuel consumption pressure is high， which promotes the rear drive car to accelerate the use of low friction torque bearing and other measures to improve the driveline efficiency and reduce the fuel consumption of the vehicle. In this paper， studying the driveline key parts （rear axle assembly） internal resistance， finding bearing friction torque is one of the main internal resistance， and analyzing the bearing mechanism of the friction torque and the corresponding friction torque reduction measures， through the efficiency test bench and vehicle fuel consumption test results show that the low friction torque bearings with engineering application value.

Keywords： rear axle; internal resistance; bearing; low-friction torque

CLC NO.： TH133.31+4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-54-03

前言

為降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴度，我國大力支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)，同時(shí)鼓勵(lì)傳統(tǒng)燃油汽車應(yīng)用節(jié)能技術(shù)：渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、制動(dòng)能量回收、減少傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦阻力、低滾阻輪胎、減少風(fēng)阻系數(shù)等。本文從研究傳動(dòng)系統(tǒng)后橋內(nèi)阻著手，論述內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理及降低阻力對(duì)整車油耗影響。

1 后橋內(nèi)阻分布

1.1 后橋結(jié)構(gòu)

半浮式后橋總體結(jié)構(gòu)分為主減總成、半軸總成和橋殼總成三部分（如圖1所示），其中主減主要功能是對(duì)扭矩進(jìn)行90°換向并降速增扭，屬傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件;半軸總成除承受整車軸荷外，還傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輪，屬于驅(qū)動(dòng)承載綜合部件;橋殼主要用于承載，并為驅(qū)動(dòng)部件提供支撐和反作用力矩，屬承載部件。

1.2 阻力分布

后橋阻力主要來源于其旋轉(zhuǎn)件（半軸總成和主減總成），半軸總成的內(nèi)阻主要集中在輪轂軸承，其內(nèi)部潤(rùn)滑脂的黏度顯著影響著輪轂軸承的摩擦力矩及其使用性能，進(jìn)而影響整車性能和油耗[1]。主減總成的內(nèi)阻分為三個(gè)部分：軸承旋轉(zhuǎn)阻力、齒輪攪油阻力和風(fēng)阻、齒輪嚙合阻力，通過試驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算（參考ISO 14179和DIN 732標(biāo)準(zhǔn)）發(fā)現(xiàn)：（1）扭矩越大，主減傳動(dòng)效率越高;（2）油溫越高，油粘度越低、主減效率越高;（3）低負(fù)荷工況下（輸入扭矩≤80N.m），轉(zhuǎn)速越高，效率越低;高負(fù)荷工況效率則基本不受轉(zhuǎn)速影響。圖2列出了主減在兩種不同工況下三種內(nèi)阻分布比例。

研究圖2可以發(fā)現(xiàn)：在主齒扭矩和轉(zhuǎn)速分別為60N.m和2000rpm時(shí)，軸承內(nèi)阻占比高達(dá)37%;隨著轉(zhuǎn)速提高到4000rpm，齒輪攪油阻力和風(fēng)阻顯著提高，同時(shí)軸承內(nèi)阻和齒輪嚙合阻力因潤(rùn)滑系統(tǒng)的完善及流體潤(rùn)滑油膜的形成快速降低，但軸承內(nèi)阻降幅遠(yuǎn)低于齒輪嚙合阻力，故需要對(duì)軸承內(nèi)阻形成機(jī)理進(jìn)行分析研究，挖掘降阻空間。

2 主減軸承內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 軸承結(jié)構(gòu)類型

后橋主減主要采用圓錐滾子軸承（如圖3所示），但部分頂尖的歐洲汽車廠商已采用了成角度接觸球軸承（如圖4所示）。

根據(jù)軸承公司的測(cè)試數(shù)據(jù)，因成角度接觸球軸承不存在“滾子與內(nèi)圈擋邊的滑動(dòng)摩擦”，阻力大幅降低。主減主齒內(nèi)端軸承若采用成角度接觸球軸承，相對(duì)普通雙列錐軸承可降低58%左右的內(nèi)阻;外端軸承若采用成角度接觸球軸承，可降低15%左右的內(nèi)阻。但成角度接觸球軸承尚未在國內(nèi)量產(chǎn)，成本高且對(duì)主減裝配要求非?？量?，故采用低摩擦力矩的圓錐滾子軸承更符合當(dāng)前國內(nèi)工程應(yīng)用需求。

2.2 圓錐滾子軸承內(nèi)阻形成機(jī)理

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)：圓錐滾子軸承主要由外圈、內(nèi)圈、滾子和保持架四部分組成。主減工作時(shí)，主齒和差殼分別帶動(dòng)主齒軸承和差速器軸承的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈帶動(dòng)滾子自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)、保持架自轉(zhuǎn)，從而在零件接觸部位形成阻力：（1）內(nèi)圈擋邊和滾子大頭端面形成滑動(dòng)阻力;（2）內(nèi)端滾道與滾子形成滾動(dòng)阻力;（3）滾子與外圈滾道形成滾動(dòng)阻力;（4）滾子與保持架形成滑動(dòng)阻力。除配合接觸部位有阻力外，潤(rùn)滑油對(duì)旋轉(zhuǎn)零件也有阻滯，從而產(chǎn)生：（1）滾子攪油阻力;（2）保持架攪油阻力;（3）內(nèi)圈攪油阻力。以上7種阻力綜合組成軸承內(nèi)阻。

3 軸承低摩擦力矩設(shè)計(jì)方案

根據(jù)圓錐滾子軸承內(nèi)阻形成機(jī)理進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案如下：

（1）滾子大頭端面由平面調(diào)整為曲面，減小滾子端面與內(nèi)圈擋邊接觸面積（如圖5），同時(shí)利于在接觸面形成流體潤(rùn)滑油膜，從而有效降低摩擦力矩（如圖6）。

（2）根據(jù)負(fù)載與應(yīng)力關(guān)聯(lián)變化趨勢(shì)，采用對(duì)數(shù)凸度優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)外圈滾道和滾子圓錐面，消除邊緣應(yīng)力;同時(shí)采用特殊熱處理提高軸承抗雜質(zhì)顆粒物能力，并提升接觸面的表面精度，從而使軸承壽命提升，摩擦滾動(dòng)阻力降低，如圖7所示。

（3）提高保持架精度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使保持架與滾子的線面接觸變成兩點(diǎn)與面接觸，有利于在接觸面形成流體潤(rùn)滑油膜，如圖8所示。

（4）綜合以上三個(gè)優(yōu)化方案，評(píng)估是否可以優(yōu)化減少滾子數(shù)量，在保證強(qiáng)度、剛度和壽命前提下，重新設(shè)計(jì)減小軸承規(guī)格，進(jìn)一步降低摩擦阻力。

4 軸承低摩擦設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值測(cè)試

4.1 后橋效率對(duì)比測(cè)試

為滿足平臺(tái)化和互換性需求，軸承規(guī)格和接口參數(shù)沒有變化，僅對(duì)軸承使用了上文前三種優(yōu)化方案，優(yōu)化后按相同軸向預(yù)緊載荷裝配，并進(jìn)行效率對(duì)比測(cè)試。測(cè)試方法參照SAE J1266-2001測(cè)試程序，測(cè)試過程中后橋齒輪油溫控制在40±3℃，選擇不同速度段加速工況點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試前按60%最大驅(qū)動(dòng)扭矩磨合1.5h，考慮到主減生產(chǎn)一致性因素，優(yōu)化前后均選3個(gè)后橋樣件進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試后對(duì)數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行評(píng)估，如無異常對(duì)三個(gè)后橋效率求平均值。優(yōu)化前三個(gè)后橋效率平均值見表1。

優(yōu)化后三個(gè)后橋效率平均值請(qǐng)見表2，與優(yōu)化前對(duì)比差值計(jì)算：效率提升（0.19-0.77）%。

4.2 整車油耗對(duì)比測(cè)試

后橋效率檢測(cè)后，分別裝車參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18352. 3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅲ、Ⅳ） 》和GB /T12545.5—2008《汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法第1部分》在底盤測(cè)功機(jī)上按NEDC 循環(huán)工況進(jìn)行油耗測(cè)試，試驗(yàn)車型為前置后驅(qū)車型，軸承優(yōu)化前一個(gè)后橋裝車測(cè)試各階段油耗如圖9所示。

軸承優(yōu)化后一根后橋裝車測(cè)試各階段油耗如圖10所示。對(duì)比各階段燃油經(jīng)濟(jì)性可以發(fā)現(xiàn)：在第一階段城市工況（ECE-1）燃油經(jīng)濟(jì)性提升明顯。其他階段基本持平（整車油耗測(cè)試誤差約為0.2L/100km），說明優(yōu)化后的后橋軸承在車輛啟動(dòng)階段能更快速地形成流體潤(rùn)滑油膜，軸承內(nèi)阻顯著降低（圖5），進(jìn)而降低整車油耗。

5 結(jié)論

（1）軸承摩擦力矩與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理方式和表面制造精度緊密關(guān)聯(lián)。

（2）軸承摩擦力矩是后橋內(nèi)阻重要組成部分，圓錐滾子軸承低摩擦化設(shè)計(jì)可使后橋效率提升（0.19-0.77）%;若采用成角度接觸球軸承，理論上可完全消除滾子端面與內(nèi)圈擋邊滑動(dòng)摩擦，效率提升更為顯著。

（3）軸承低摩擦設(shè)計(jì)可使軸承工作時(shí)快速形成流體潤(rùn)滑油膜，在車輛剛啟動(dòng)階段顯著降低整車油耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 莫易敏，雷志丹，李丹陽，任良順，黃一鳴.潤(rùn)滑脂對(duì)輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗影響的試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2017，39（5）： 588-592.