通過大量研究發(fā)現(xiàn)，汽車輪轂軸承單元的負游隙對其摩擦力矩存在較大的影響。為了明確輪轂軸承負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算方法，以某型號輪轂軸承為例，建立了輪轂軸承負游隙的接觸理論模型，分析表明負游隙對鋼球與內(nèi)外圈滾道的接觸載荷存在影響。設計了相關試驗進一步探究負游隙對輪轂軸承摩擦力矩的關系，試驗表明，負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到了0.2Nm，且隨著負游隙絕對值的減小，摩擦力矩呈減小的趨勢，這一結論可以為提升輪轂軸承的效率提供參考依據(jù)。

1 引言

負游隙是第三代汽車輪轂軸承單元的重要參數(shù)之一，負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，進而提升汽車傳動系統(tǒng)的效率，對輪轂軸承負游隙的研究就顯得尤為重要。雖然對輪轂軸承負游隙作出了很多研究，但對負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重要性能指標，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十分復雜的問題，與其結構、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。

2.1 摩擦力矩的計算

根據(jù)輪轂軸承內(nèi)部的摩擦特點，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總的摩擦力矩為：

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

3 輪轂軸承負游隙

3.1 負游隙的設計

汽車輪轂軸承的游隙設計一般依據(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。

當輪轂軸承在較大正游隙下工作時，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)生很大的集中應力，導致軸承的壽命縮短；而當工作在負游隙下時，滾動體工作條件得到改善，各個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表明：輪轂軸承的工作游隙設計在（-0.01～-0.06）mm范圍內(nèi)時，軸承會有更長的壽命。如圖1所示[10]，當輪轂軸承的工作游隙＞（-0.01）mm時，由于溝道預載荷變小，隨著工作游隙的增加，軸承壽命呈平緩下降的趨勢；當工作游隙<（-0.06）mm時，溝道預載荷過大，運轉(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計為極小的負游隙，因此，主要針對負游隙在（0～-0.06）mm范圍內(nèi)的輪轂軸承進行研究。

3.2 負游隙接觸理論模型

第三代汽車輪轂軸承裝配件為負游隙狀態(tài)，軸承空載時鋼球與滾道已經(jīng)發(fā)生彈性變形。為研究負游隙對輪轂軸承摩擦力矩的影響，建立了輪轂軸承負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，通常設有一定的壓裝量，從而使輪轂軸承產(chǎn)生一個很小的負游隙。假設鋼球直徑為D=13.494mm時，壓裝后的游隙值為0，此時軸承為零游隙狀態(tài)，鋼球與滾道恰好沒有接觸應力，假定軸承其他尺寸不變，通過鋼球直徑的增大而得到負游隙。計算得到的空載時不同負游隙輪轂軸承的接觸載荷，如表1所示。

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

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

圖3 負游隙與接觸載荷的關系曲線
Fig.3 Relationship Between Negative Clearance and Contact Load

4 試驗方案

4.1 試驗原理

試驗采用汽車輪轂軸承摩擦力矩試驗機測試輪轂軸承的摩擦力矩。試驗機結構主要包括：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)計算機等。

輪轂軸承安裝到芯軸上，芯軸固定在傳動主軸上，伺服電機通過傳動主軸、輪轂軸承連接，各部件通過對測試部件進行徑向和軸向加載，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備，如圖4所示。

圖4 汽車輪轂軸承摩擦力矩試驗機
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，主軸通過電機轉(zhuǎn)動，另一側(cè)連接連桿，軸承選裝后通過連桿傳導力矩至力矩傳感器，進而輸出力矩值。

4.2 試驗工況

本試驗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)線上挑選出不同負游隙的輪轂軸承作為試驗測試樣件，在實際生產(chǎn)過程中，由于各種誤差的存在，且輪轂軸承鉚接后的負游隙目前還難以準確檢測，因此試驗中的負游隙為根據(jù)鉚接前游隙得到的理論計算值，并且軸承的負游隙值比較隨機，不能保證等范圍選取，試驗選取的測試樣本負游隙值分別為（-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工況要求，參照汽車輪轂軸承摩擦力矩的相關測試標準，即可測得各種轉(zhuǎn)速下不同負游隙輪轂軸承的摩擦力矩值。

5 結果

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

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

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

6 結束語

主要針對汽車輪轂軸承負游隙對其摩擦力矩的影響進行了理論分析及試驗研究，可以得到如下結論：

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

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

（3）對不同負游隙輪轂軸承的摩擦力矩進行試驗測試，結果表明：隨著負游隙絕對值的減小，其摩擦力矩呈逐漸減小的趨勢，這將為輪轂軸承的減摩設計以及效率的提升提供了指導依據(jù)。