摘　要：為降低對進(jìn)口石油的依賴，國家制定了GB27999-2014和GB19578-2014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)車傳動鏈長，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系統(tǒng)效率、降低整車油耗。文章從傳動系統(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)理及其對應(yīng)的降摩擦力矩措施，最后通過效率臺架和整車油耗測試結(jié)果表明：低摩擦力矩軸承具有工程應(yīng)用價值。
　　關(guān)鍵詞：后橋；內(nèi)阻；軸承；低摩擦力矩
　　為降低對進(jìn)口石油的依賴度，我國大力支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)，同時鼓勵傳統(tǒng)燃油汽車應(yīng)用節(jié)能技術(shù)：渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、制動能量回收、減少傳動系統(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扭矩進(jìn)行90°換向并降速增扭，屬傳動驅(qū)動部件；半軸總成除承受整車軸荷外，還傳遞動力驅(qū)動車輪，屬于驅(qū)動承載綜合部件；橋殼主要用于承載，并為驅(qū)動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，通過試驗測試和理論計算（參考ISO14179和DIN732標(biāo)準(zhǔn)）發(fā)現(xiàn)：（1）扭矩越大，主減傳動效率越高；（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，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，同時軸承內(nèi)阻和齒輪嚙合阻力因潤滑系統(tǒng)的完善及流體潤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)，成本高且對主減裝配要求非常苛刻，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，主齒和差殼分別帶動主齒軸承和差速器軸承的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈帶動滾子自轉(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阻力；（2）內(nèi)端滾道與滾子形成滾動阻力；（3）滾子與外圈滾道形成滾動阻力；（4）滾子與保持架形成滑動阻力。除配合接觸部位有阻力外，潤滑油對旋轉(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，方案如下：　?。?）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），同時利于在接觸面形成流體潤滑油膜，從而有效降低摩擦力矩（如圖6）。
　?。?）根據(jù)負(fù)載與應(yīng)力關(guān)聯(lián)變化趨勢，采用對數(shù)凸度優(yōu)化設(shè)計內(nèi)外圈滾道和滾子圓錐面，消除邊緣應(yīng)力；同時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，摩擦滾動阻力降低，如圖7所示。　?。?）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滑油膜，如圖8所示。　?。?）綜合以上三個優(yōu)化方案，評估是否可以優(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)計應(yīng)用價值測試
　　4.1后橋效率對比測試
　　為滿足平臺化和互換性需求，軸承規(guī)格和接口參數(shù)沒有變化，僅對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)行效率對比測試。測試方法參照SAEJ1266-2001測試程序，測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)測試，測試前按60%驅(qū)動扭矩磨合1.5h，考慮到主減生產(chǎn)一致性因素，優(yōu)化前后均選3個后橋樣件進(jìn)行對比測試，測試后對數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行評估，如無異常對三個后橋效率求平均值。優(yōu)化前三個后橋效率平均值見表1。

表1 優(yōu)化前三個后橋效率均值

　　優(yōu)化后三個后橋效率平均值請見表2，與優(yōu)化前對比差值計算：效率提升（0.19-0.77）%。

表2 優(yōu)化后三個后橋效率均值

　　4.2整車油耗對比測試
　　后橋效率檢測后，分別裝車參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ）》和GB/T12545.5—2008《汽車燃油消耗量試驗方法第1部分》在底盤測功機(jī)上按NEDC循環(huán)工況進(jìn)行油耗測試，試驗車型為前置后驅(qū)車型，軸承優(yōu)化前一個后橋裝車測試各階段油耗如圖9所示。

圖9 軸承優(yōu)化前油耗測試結(jié)果

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

圖10 軸承優(yōu)化后油耗測試結(jié)果

　　5　結(jié)論
　?。?）軸承摩擦力矩與其結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱處理方式和表面制造精度緊密關(guān)聯(lián)。
　?。?）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，理論上可消除滾子端面與內(nèi)圈擋邊滑動摩擦，效率提升更為顯著。
　?。?）軸承低摩擦設(shè)計可使軸承工作時快速形成流體潤滑油膜，在車輛剛啟動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.潤滑脂對輪轂軸承摩擦力矩和整車油耗影響的試驗研究[J].汽車工程，2017，39（5）：588-592.

來源：《汽車實用技術(shù)》2019年第12期