轮毂轴承润滑脂选用分析及油耗试验

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本文根据润滑脂基础油润滑般厚计算公式，对某汽车车型使

用的第3代轮毂轴承，在确定载荷、轴承参数以及速度范围后，

确定了弹流润滑状态下的润滑脂基础油黏度；通过对比轮毂轴承

摩擦力矩计算公式，

发现膜厚能在一定程度上反映摩擦力矩

。为

进一步探究般厚与摩擦力矩的关系，

通过轮毂轴承台架试验测定

了不同转速、不同载荷下润滑脂的轮毂轴承摩擦力矩，发现逋过

膜厚公式能很好地解释各种现象。

最后通过整车油耗试验

，考察

了低黏度润滑脂与原厂润滑脂的燃料经济牲，结果表明，低黏度

润滑脂的燃料经济性较原厂脂略有提高。

A轮毂轴承润滑脂选用 分析及油耗试验Eo_9

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第五期59

谢泽兵 中国石化润滑油有限公司合成油脂分公司

轴承是机器中的基础元件，广

泛应用于各行各业的机械产品中，

被誉为机器的“关节”。凡使用轴 承的产品，

其性能、精度、寿命

、

可靠性等都与轴承密切相关，在一

些高科技产品中，轴承已被视为核心元件。轮毂轴承的主要作用是承 重和为轮毂的转动提供精确引导， 需要承受轴向载荷与承受径向载荷, 是汽车中的一个非常重要的零部件。 传统的汽车轮毂轴承是由两套圆锥 滚子轴承或球轴承组合而成的，轴

承的安装、涂油、密封、游隙调整

等后续处理都是在汽车生产线上进 行的；这种结构使得其在汽车生产 厂装配困难、成本高、可靠性差，

而且汽车在维修点维护时，还需要 对轴承进行清洗、

涂油和调整。

轮用油全方位Application Guides

Eo_9 OQObmr

第五期60

毂轴承单元是在标准角接触球轴承 和圆锥滚子轴承的基础上发展起来 的，它将两套轴承设计合并为一体，

具有组装性能好、可省略游隙调整

、

重量轻、结构紧凑、载荷容量大、

为密封轴承可事先装入润滑脂、省

略外部轮毂密封及免于维修等优点,

已广泛用于轿车中⑴。润滑脂主要是由稠化剂、基础

油、添加剂

3部分组成。

一般润

滑脂中稠化剂含量约为10%~20% （质量分数）

，基础油含量约为

75%〜90% （质量分数），添加剂及

填料的含量在5% （质量分数）以下

。

稠化剂主要用于承载，挤出的基础

油主要用于润滑，润滑性质与润滑

油一致。轴承润滑脂的主要作用是 减少摩擦及磨损、延长疲劳寿命

、

排出摩擦热、冷却、

防止异物侵入

轴承内部⑵。本文根据润滑脂基础油润滑膜 厚方程，求出某汽车车型轮毂轴承

在一定转速范围内处于弹流润滑状 态所需的润滑脂基础油黏度；结合 摩擦力矩的计算公式，

对轮毂轴承

的摩擦力矩影响的台架试验研究，

得出了润滑脂轮毂轴承的摩擦力，

在轴承确定的情况下，主要与载荷、

润滑脂黏度、运转速度有关

，

结合

整车油耗试验，建议选用初始黏度

较高的润滑脂，且基础油黏度随温 度变化快的基础油类别。

轮毂轴承润滑脂的选用 分析

轮毂轴承脂润滑膜厚度分析试验对象是某车型使用的第3 代轮毂轴承，

其特点是内外圈集成

凸缘，内圈用于支撑车轮和制动盘，

外圈用于连接悬挂装置。相较于前

两代轮毂轴承，其在结构上对安装

结构进行了简化，同时运用可调的

轴承游隙，使轴承的可靠性和使用 寿命得到大幅度提升⑴。轮毂轴承 主体部分尺寸与材料参数见表1O

由于滚动体为球体，轴承正常 工作时，

工作方式为点接触弹性流

体动压润滑⑶；而膜厚直接会影响

轴承的工作状态，所以对

Hamrock

和Dowson对等温点接触弹流润滑

进行了系统的数值分析，得出油膜

厚度计算公式⑷：

G*0・53(/*0・67h产2.69

飞两严(1

・0.62

。叫

⑴6*0・49口*0・68

公式（1）、（2）

中：

G*——轴承的材料参数；

U*——轴承的速度参数；

——轴承的载荷参数；

Rx——轴承的x方向当量曲率

半径，

mm；

表1轮毂轴承参数

I 项目数值

内径/mm35

外径/mm80

宽度/mm21

滚动体直径/mm13.494滚动体个数/个

8

内圈沟曲率半径系数人0.512

外圈沟曲率半径系数f20.511轴承平均直径（中心径）

/mm

58.5

轴承内外圈、滚珠弹性模量/GPa207材料的泊松比0.3

材料密度/（kg・m-3

）7

850

黏压系数a2.2x10」

k-----

Hertz

椭圆接触区的椭

圆率。

以上参数，除E夕卜，均为无量 纲。

G*、Rx这两个参数与轴承本

身有关，通过表1可以计算得出；与椭圆率*与轴承载荷以及轴 承本身参数有关。计算如下：

G^=aE'= 5 004.34

(3)

Rx="圧 7

=5.191 mm

(4)

Rx1 +

Rx2

^=1.307 6x

10-4

E化2

(5)

二亠X 4咗)

E'Rx 120

入

(6)

公式⑶中，F为当量弹性模量,

相互接触的两个物体（轴承内圈与

滚珠）

的

F计算公式为：

1 1 1-// 1-// p

公式（7）

中，&与&分别为润用油全方位Application Guides

滑处接触物体材料的弹性模量，宀

与"2为两种材料的泊松比，详情可

见表1o公式(5)、(6)

中，

E八

Hx2

轮毂轴承内滚道半径与滚

珠半径，

2个参数用于计算主

方向X方向的当量半径，

Rx1

=

(58.5-13.494

)

/2=22.503

mm,

Rx 2=1 3

.4 94/2

=

6.747mm ；

◎ o为基础油的动力黏度。

对于某车型，取轮毂轴承滚珠

承受最大载荷为801.5 N,汽车运行

的最大车速为120 km/h,加上安全

系数1.1后的最大转速不超过1 000

r/min,则接触区的中心膜厚伏随

U*中黏度与转速的关系就可以确

立，如图1所示。图1中有10条膜

厚曲线，其中

2条水平黑线代表膜

厚，

根据膜厚鉴别润滑状态是可靠

的，

0.1〜1

pm

是弹性流体动压润

滑的膜厚范围。由图1可以看出：

◊当轴承载荷确定，转速范围

100-1 000 r/min

的情况下，润滑脂

基础油动力黏度在0.17-0.52 Pa •

s,

轴承处于弹流润滑的情况，

摩擦系

数最小；

◊随着转速的增加，

膜厚的增

加越来越缓慢，由于低速状态下，

要形成弹流润滑膜的所需动力黏 度相较很大，在之后的内容会加

以讨论。

轮毂轴承摩擦力矩计算公式轮毂轴承的摩擦力矩基本决定 因素主要集中在轴承类型以及内部 结构、密封状态

、轴承载荷和润滑

方式，

帕姆格林根据实际的摩擦力

矩试验总结出了比较精确的摩擦力 矩计算方式⑴：

E/

企超

ft恶«

駆®

---转速

900 r/min x10-6 1.4转速200 r/min 转速300 r/min —转速400 r/min转速600 r/min —转速700 r/min —转速800 r/min转速1 000 r/min

—膜厚 0.1 pm —膜厚

1 pm

1.21.00.80.60.40.2

—转速

100 r/min

转速500 r/min

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

润滑脂基础油动力黏度/(Pa・s-

1

)

图1理想状态膜厚曲线

M=M°+ My (8)

当〃门m

2 000

时，

Mo=1Or。(〃门

)o・67°2

⑼

当〃门W 2 000

时，

A70=

160

x 1

0'7fo D2

(10)

此外，

M. =f2

PD

(11)

公式(8)〜公式(11)中：M一轮毅轴承总摩擦力矩，

mN • m；

M°----与轴承类型、转速和润

滑脂性质有关的摩擦力矩，mN • m；

M,——与轴承载荷有关的摩擦

力矩，

mN • m

；

7]——润滑剂的运动黏度，

mm2/s

；

n---轴承转速，

r/min；

f0

----与轴承类型

、

润滑方式有

关的系数；

人——轴承类型和载荷有关的系

数；

D----轴承的节圆直径，

mm；

P—确定轴承摩擦力矩的计算

载荷，

No

将中心区膜厚方程已知量常数 化为K, 中常量化为匕,展开后,

得到下式：hc =KxK,x 7] °

严 (12)

动力黏度与运动黏度的关系为：

r] =

rjQ

/p (13)

相比于动力黏度，在压力的 作用下基础油的密度变化很小， 对油膜厚度影响不大，动力黏度

0.17〜0

.52

Pa/s,

对应运动黏度为

(取矿物油密度的典型值p =0.85 g/cm3)

21.6-66.2 mm2 / s,

可知

。门在一般工况下大于

2 000,

此

时帕姆格林摩擦力矩计算公式含有 (〃门严7项，可知在满足弹流润滑条

件下，膜厚越小，

摩擦力矩越小。

当油膜过小，

接触表面可能出

现边界摩擦或干摩擦，造成轴承损

坏，

这种情况一般要避免

，因此可

以用膜厚来线性地反映摩擦力矩公 式中的A4,而与所受的负荷有关,

分析总摩擦力矩主要是结合负荷、

转速以及运动黏度来分析。

轮毂轴承摩擦力矩测试试验参照标准SH/T 0338—

92

进

行试验，试验环境温度为室温。试 验设备采用检测中心设计的摩擦力

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