润滑脂对轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗影响的试验研究∗

莫易敏，雷志丹，李丹阳，任良顺，黄一鸣

(1.武汉理工大学机电学院，武汉 430070； 2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007)

润滑脂对轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗影响的试验研究∗

莫易敏1，雷志丹1，李丹阳2，任良顺2，黄一鸣2

(1.武汉理工大学机电学院，武汉 430070； 2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007)

润滑脂的黏度影响轮毂轴承的摩擦力矩及其使用性能，从而影响整车性能和油耗。本文中通过试验研究，分析不同润滑脂对轮毂轴承摩擦力矩和整车滑行油耗的影响，结果表明，黏度较低的润滑脂对降低轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗有重要意义。

轮毂轴承；润滑脂；油耗；摩擦力矩

前言

汽车产业是我国发展最快的产业之一，其中由汽车零部件创造的产值占汽车总产值的70%以上，随着汽车保有量的上升，环境污染日益严重，国家逐年提高油耗标准。为达到国标要求，汽车不断从各方面进行研究来降低油耗。而汽车零部件质量的好坏对于汽车整车性能有着举足轻重的作用[1]。轮毂轴承不仅承受汽车重力，而且为轮毂传动提供准确的向导，在工作过程中同时承受轴向载荷和径向载荷，是汽车关键零部件之一[2]。在汽车轮毂轴承中，几乎全部都是脂润滑的轴承，润滑脂对轴承的使用性能有重要影响。_轮毂轴承润滑性能的优化一般通过4个方面进行：选择适合轴承工况的润滑脂；更换密封圈材料；改进密封圈结构；加强原材料的抽检和监管力度[3]。选择合适的润滑脂对于轮毂轴承十分重要。润滑脂是非牛顿流体，具有较好的黏着性和承载能力，对减少汽车摩擦磨损、降低整车油耗和延长汽车寿命有着十分重要的作用[4]。轮毂轴承在使用过程中会产生摩擦力矩，摩擦力矩的大小直接影响轴承的寿命和润滑脂的性质。摩擦力矩过大，会引起轴承温度上升，使轮毂轴承失效、润滑脂变质[5]。轴承的启动性能和转动过程中转矩的大小对整车传动系统的稳定性和可靠性有很大影响。因此，研究润滑脂的润滑性能对于轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗的影响具有重要实际意义。

1 轮毂轴承摩擦力矩计算公式

汽车轮毂轴承摩擦力矩受多个因素影响，包括试验温度、转速、润滑剂的性质和轴承类型等。基于多次摩擦力矩试验，帕姆格林提出较为精确的摩擦力矩计算方式[5]：

式中：M为轮毂轴承总摩擦力矩；M0为与轴承类型、转速和润滑脂性质有关的摩擦力矩；M1为与轴承载荷有关的摩擦力矩；ν0为润滑剂的运动黏度；n为轴承转速；f0为与轴承类型、润滑方式有关的系数；f1为与轴承类型和载荷有关的系数；dm为轴承的节圆直径；P1为确定轴承摩擦力矩的计算载荷。

从式(2)可以看出，润滑脂的黏度ν0和转速n对于整个轮毂轴承摩擦力矩值的大小有较大影响。因此，研究润滑脂的黏度ν0和轮毂轴承转速n对轮毂轴承摩擦力矩的影响十分重要。

2 轮毂轴承试验研究

为探究润滑脂在不同温度和不同转速条件下对轮毂轴承摩擦力矩的影响，采用相同基础油加入不同添加剂后制成的3种试验脂分别进行轮毂轴承启动力矩和转动力矩的试验，采用两种在用脂作对比，基础油相同，表1为5种润滑脂的基本理化指标。

表1 润滑脂基本理化指标

从理化指标来看，试验脂3＃的黏度最低，试验脂2＃黏度最高，说明试验脂3＃的低温性能最优；3种试验脂的高温性能相当；3种试验脂的分油度大于两种在用脂，其中试验脂3＃的分油度最大，使用寿命相对较低，不利于轴承长时间润滑；从润滑脂的成分上看，试验脂1＃的抗磨性更好。

2.1 轮毂轴承转矩试验

2.1.1 轮毂轴承启动性能力矩试验

轮毂轴承的启动性能主要由启动力矩和运转力矩决定。启动力矩是轮毂轴承使一轴承套圈或垫圈相对于另一固定的套圈或垫圈开始旋转时测得的最大力矩，它一定程度上反映了轮毂轴承的静摩擦特性。运转力矩是轮毂轴承在以1r/min转速稳定运行60min后测得力矩的大小。轮毂轴承力矩试验采用的轴承是某MPV车型使用的第3代轮毂轴承。试验方法参照SH/T 0338—1992标准测定轮毂轴承在不同温度下的摩擦力矩大小。试验温度分别为25，0和-40℃，轴承转速为1r/min。试验结果如图1所示。

由图1可见，常温(25℃)条件下，试验脂3＃和在用脂2＃的启动力矩值最小，运转力矩值均较小，说明试验脂3＃和在用脂2＃的启动性能较优，试验脂2＃的启动力矩和运转力矩都是5种脂中最大的，说明试验脂2＃在常温下的启动性能最差；0℃时，试验脂3＃与在用脂2＃的启动力矩和运转力矩大小相当，说明两款润滑脂的启动性能较优；-40℃时，试验脂3＃的启动力矩和运转力矩明显低于其他4种油脂，原因主要是试验脂3＃的相似黏度最低，试验脂2＃的相似黏度最高。从整个试验结果可以看出，黏度对于轮毂轴承启动性能影响较大，黏度越低，启动性能越好。

2.1.2 轮毂轴承转动力矩试验

轮毂轴承转动力矩指的是轮毂轴承在摩擦力矩试验机规定转速下60s内采集多个力矩值的平均值。试验将温度控制为室温，测定在不同转速下轮毂轴承转动力矩值的大小。试验设备采用某轴承试验研究中心设计的轮毂轴承摩擦力矩试验机，如图2所示。试验轴承采用与轮毂轴承启动性能试验相同的第3代轮毂轴承。试验开始时先使轴承以500r/min的转速磨合10min，之后以不同转速进行试验，记录不同转速下的转动力矩值。试验结果如图3所示。

由图3可见，5种脂在不同转速下转动力矩的变化趋势基本一致。转动力矩随着转速的增加先增大后减小，最后保持稳定，主要因为在转速较低时，轴承的摩擦损失来自滚珠与滑道直接接触产生的摩擦和搅油损失，随着转速升高，两种摩擦损失都增大，当转速超过200r/min时，轴承润滑方式变为动压润滑，滚珠与滑道分离，摩擦损失显著降低。其中试验脂3＃对应的转动力矩最小，约为0.8N·m，说明试验脂3＃的润滑性能最好，相比较之下，两种在用脂的润滑性能也较好，试验脂3＃的黏度低于两种在用脂，经过试验得到的转动力矩值明显低于在用脂，说明黏度对轮毂轴承转动力矩有较大影响，黏度越低，转动力矩值越小；黏度越高，转动力矩值越大。

图1 不同温度下力矩柱状图

图2 轮毂轴承摩擦力矩试验机

图3 轮毂轴承转速-转动力矩图

2.2 整车滑行和油耗试验

2.2.1 滑行试验

汽车滑行距离的长短反映汽车行车阻力的大小。滑行距离长，则汽车拖滞力小，油耗低；滑行距离短，则说明拖滞力大，油耗高。汽车滑行距离的试验方法依据GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ)》，试验过程中采用转鼓试验台模拟道路滑行的方法测量汽车的滑行距离，试验示意图如图4中虚线框所示。试验温度为室温。分别测量汽车的冷态滑行距离和热态滑行距离，冷热态滑行试验各进行6次，取平均值。滑行距离结果如表2和表3所示。

图4 整车滑行试验示意图和油耗试验原理图

表2 冷态滑行距离m

表3 热态滑行距离m

由表2和表3可见，5种润滑脂的热态滑行距离相差不大，究其原因，经过NEDC循环后，油脂温度较高，而根据前面5种脂的理化指标可以看出，5种脂的高温性能相当，所以热态滑行距离比较接近，且试验脂3＃的热态滑行距离最长；冷态滑行距离5种脂中试验脂3＃滑行距离最长，在用脂1＃和在用脂2＃的滑行距离相近。整体上可以看出，试验脂3＃的冷热态滑行距离最长，使用性能最优。冷态滑行过程中润滑脂在轮毂轴承处于静置状态，热态滑行过程中润滑脂在轮毂轴承分布较为均匀。润滑脂在轮毂轴承中分布越均匀，则轮毂轴承的启动阻力越小，启动性能越好，对应的滑行距离越长。5种油脂中，试验脂3＃在常温下的启动性能最好，滑行距离最长，说明滑行距离与启动性能的好坏有关，润滑脂在轮毂轴承中分布越均匀，启动性能越好，滑行距离越长；启动性能越差，滑行距离越短。启动性能与黏度有密不可分的关系，5种润滑脂中，试验脂3＃的黏度最低，说明润滑脂黏度对于轮毂轴承滑行距离有较大的影响。

2.2.2 油耗试验

依据国家标准GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ))》和GB/T 12545.5—2008《汽车燃油消耗量试验方法第1部分》，在底盘测功机上以NEDC循环工况进行油耗试验，试验车型为某MPV前置后驱车型，地点在某公司排放实验室[8]。

(1)试验原理

试验过程中，用三角架固定试验车前轮，后轮安放在转鼓上。驾驶员操控汽车按照NEDC循环工况运行，冷却风机模拟汽车行驶过程中风的阻力，底盘测功机的转鼓模拟持续移动的实际道路路面情况，阻力加载装置模拟汽车行驶过程中的阻力，飞轮系统模拟汽车运动的惯性。为使采样气体更加稳定，让试验车排出的气体在稀释通道中与空气混合稀释，再通过定容采样系统收集样气，最后按照碳平衡法计算出整车百公里油耗，计算公式如式(4)碳平衡法计算公式所示。油耗试验原理图如图4所示。

式中：Q为百公里燃油消耗量，L；QHC为测得的碳氢排放量，g/km；QCO为测得的一氧化碳排放量，g/km；QCO2为测得的二氧化碳排放量，g/km；D为15℃时试验燃油的密度，kg/L。

(2)试验设备

整车油耗试验按照GB 18352.3—2005方法进行，其中主要试验设备包括恒温舱、试验车、底盘测功机和排放分析仪等。

(3)试验结果与分析

针对不同油脂分别进行3次试验，取平均值，将市郊区的油耗分别记录下来，计算其综合油耗，绘制成柱状图，如图5所示。

图5 综合油耗对比图

由图5可见，对于整车油耗而言，5种润滑脂相差不大，3种试验脂中3＃润滑脂油耗最低。通过前面对5种油脂的启动性能和转动力矩的试验结果可知，试验脂3＃的启动性能最好，转动力矩值是5种脂中最低的，所以试验脂3＃的油耗最低。分别对3种油脂的市区和郊区油耗进行分析：对比之下，试验脂3＃在郊区时的百公里油耗最低，为5.93L，在市区的百公里油耗最高，为9.26L；而试验脂2＃在市区工况的百公里油耗是3个油脂中最低的，为9.17L，在郊区的百公里油耗最高，为6.09L。这说明试验脂3＃在高速工况下行驶更有利于降低油耗；试验脂2＃则更适合低速工况行驶。

5种油脂中，黏度最低的试验脂3＃在试验过程中产生的摩擦力矩值最小，油耗最低，汽车滑行距离最长；黏度最高的试验脂2＃产生的摩擦力矩值较大，油耗最高，汽车滑行距离最短；试验结果说明润滑脂的黏度对于轮毂轴承摩擦力矩有着重要影响。此外，试验脂1＃虽黏度低于两种在用脂，但在试验中滑行距离比两种在用脂短、油耗比两种在用脂大，说明除了黏度这个指标外，还要考虑润滑脂诸如添加剂和稠化剂等其他指标对于轮毂轴承摩擦力矩的影响。

3 结论

(1)润滑脂具有强烈的非牛顿流体性质和独特的流变特性，分析润滑脂对于轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗影响时必须进行大量的试验研究，并从试验结果中得出相应结论。

(2)黏度最低的试验脂3＃启动力矩和运转力矩最小，油耗最低，冷热态滑行距离最长；黏度最高的试验脂2＃的启动力矩和运转力矩最大，油耗最高，冷热态滑行距离最长；由此可见润滑脂的黏度对于轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗有较大影响，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)通过试验可以看出，润滑脂黏度指标对润滑脂润滑性能的重要性，但轮毂轴承摩擦力矩还与润滑脂的其他理化指标有关，有待进一步研究。

[1] 于玫.轿车轮毂轴承热弹流体动力脂润滑分析[D].广州：华南理工大学，2011.

[2] 彭朝林.汽车轮毂轴承脂润滑理论与润滑失效机理研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[3] 卢培刚，姚立丹，孙东宁.聚脲润滑脂在汽车行业的应用[J].汽车技术，1994(12)：40-43.

[4] 王晓雪.锂基润滑脂流变特性与工作性能相关性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[5] COUSSEAU T，GRAÇA B，CAMPOSA，et al.Friction torque in grease lubricated thrust ball bearings[J].Tribology International，2011，44(5)：523-531.

[6] ZULEEG J.Understanding the generation of grease noise in ball bearings is essential for the developmentof low-noise greases[J].Tribologie Und Schmierungstechnik，2014，61(6)：55-61.

[7] 王庆瑞，李维民，王晓波.S-N型润滑添加剂的合成及其摩擦学性能研究[J].润滑与密封，2012，37(4)：19-23.

[8] 国家环保局.GB 18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法[S].北京：中国标准出版社，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

∗校企合作基金项目资助。

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

雷志丹，硕士，E-mail：leizhidan1213＠163.com。