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低摩擦力矩軸承在高效后橋系統中的應用研究

2020-04-15
方華 任良順 蘭龍
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)
  摘 要:為降低對進口石油的依賴,國家制定了GB27999-2014和GB19578-2014法規:要求2020年我國乘用車企業CAFC(企業平均燃料消耗量)降至5.0L/100km。因前置后驅車比前驅車傳動鏈長,油耗壓力高,故后驅車需加快使用低摩擦力矩軸承等措施提高傳動系統效率、降低整車油耗。文章從傳動系統關鍵部件(后橋總成)內阻研究著手,探索出軸承摩擦力矩是主要內阻之一,并分析出軸承摩擦力矩產生機理及其對應的降摩擦力矩措施,最后通過效率臺架和整車油耗測試結果表明:低摩擦力矩軸承具有工程應用價值。
  關鍵詞:后橋;內阻;軸承;低摩擦力矩
  為降低對進口石油的依賴度,我國大力支持新能源汽車產業,同時鼓勵傳統燃油汽車應用節能技術:渦輪增壓、缸內直噴、制動能量回收、減少傳動系統摩擦阻力、低滾阻輪胎、減少風阻系數等。本文從研究傳動系統后橋內阻著手,論述內阻產生機理及降低阻力對整車油耗影響。
  1 后橋內阻分布
  1.1后橋結構
  半浮式后橋總體結構分為主減總成、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行90°換向并降速增扭,屬傳動驅動部件;半軸總成除承受整車軸荷外,還傳遞動力驅動車輪,屬于驅動承載綜合部件;橋殼主要用于承載,并為驅動部件提供支撐和反作用力矩,屬承載部件。
圖1 半浮式后橋結構組成
  1.2阻力分布
  后橋阻力主要來源于其旋轉件(半軸總成和主減總成),半軸總成的內阻主要集中在輪轂軸承,其內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,進而影響整車性能和油耗[1]。主減總成的內阻分為三個部分:軸承旋轉阻力、齒輪攪油阻力和風阻、齒輪嚙合阻力,通過試驗測試和理論計算(參考ISO14179和DIN732標準)發現:(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)低負荷工況下(輸入扭矩≤80N.m),轉速越高,效率越低;高負荷工況效率則基本不受轉速影響。圖2列出了主減在兩種不同工況下三種內阻分布比例。
圖2 主減內阻分布(扭矩/轉速為主齒端)
  研究圖2可以發現:在主齒扭矩和轉速分別為60N.m和2000rpm時,軸承內阻占比高達37%;隨著轉速提高到4000rpm,齒輪攪油阻力和風阻顯著提高,同時軸承內阻和齒輪嚙合阻力因潤滑系統的完善及流體潤滑油膜的形成快速降低,但軸承內阻降幅遠低于齒輪嚙合阻力,故需要對軸承內阻形成機理進行分析研究,挖掘降阻空間。
  2 主減軸承內阻產生機理分析
  2.1軸承結構類型
  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)。
  根據軸承公司的測試數據,因成角度接觸球軸承不存在“滾子與內圈擋邊的滑動摩擦”,阻力大幅降低。主減主齒內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%左右的內阻;外端軸承若采用成角度接觸球軸承,可降低15%左右的內阻。但成角度接觸球軸承尚未在國內量產,成本高且對主減裝配要求非??量?,故采用低摩擦力矩的圓錐滾子軸承更符合當前國內工程應用需求。
圖3 圓錐滾子軸承
圖4 成角度接觸球軸承
  2.2圓錐滾子軸承內阻形成機理
  根據圖3可以發現:圓錐滾子軸承主要由外圈、內圈、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圈旋轉,內圈帶動滾子自轉和公轉、保持架自轉,從而在零件接觸部位形成阻力:(1)內圈擋邊和滾子大頭端面形成滑動阻力;(2)內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,潤滑油對旋轉零件也有阻滯,從而產生:(1)滾子攪油阻力;(2)保持架攪油阻力;(3)內圈攪油阻力。以上7種阻力綜合組成軸承內阻。
  3 軸承低摩擦力矩設計方案
  根據圓錐滾子軸承內阻形成機理進行結構優化設計,方案如下:
圖5 滾子端面優化圖解
圖6 10KN軸向預載摩擦力矩對比
 ?。?)滾子大頭端面由平面調整為曲面,減小滾子端面與內圈擋邊接觸面積(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)。
 ?。?)根據負載與應力關聯變化趨勢,采用對數凸度優化設計內外圈滾道和滾子圓錐面,消除邊緣應力;同時采用特殊熱處理提高軸承抗雜質顆粒物能力,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。
圖7 不同輪廓滾道和滾子受載應力分布對比
 ?。?)提高保持架精度并進行結構優化,使保持架與滾子的線面接觸變成兩點與面接觸,有利于在接觸面形成流體潤滑油膜,如圖8所示。
圖8 保持架精度提升及結構優化
 ?。?)綜合以上三個優化方案,評估是否可以優化減少滾子數量,在保證強度、剛度和壽命前提下,重新設計減小軸承規格,進一步降低摩擦阻力。
  4 軸承低摩擦設計應用價值測試
  4.1后橋效率對比測試
  為滿足平臺化和互換性需求,軸承規格和接口參數沒有變化,僅對軸承使用了上文前三種優化方案,優化后按相同軸向預緊載荷裝配,并進行效率對比測試。測試方法參照SAEJ1266-2001<Axle Efficiency Test Procedure>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測試,測試前按60%最大驅動扭矩磨合1.5h,考慮到主減生產一致性因素,優化前后均選3個后橋樣件進行對比測試,測試后對數據一致性進行評估,如無異常對三個后橋效率求平均值。優化前三個后橋效率平均值見表1。
表1 優化前三個后橋效率均值
  優化后三個后橋效率平均值請見表2,與優化前對比差值計算:效率提升(0.19-0.77)%。
表2 優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準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》在底盤測功機上按NEDC循環工況進行油耗測試,試驗車型為前置后驅車型,軸承優化前一個后橋裝車測試各階段油耗如圖9所示。
圖9 軸承優化前油耗測試結果
  軸承優化后一根后橋裝車測試各階段油耗如圖10所示。對比各階段燃油經濟性可以發現:在第一階段城市工況(ECE-1)燃油經濟性提升明顯。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,軸承內阻顯著降低(圖5),進而降低整車油耗。
圖10 軸承優化后油耗測試結果
  5 結論
 ?。?)軸承摩擦力矩與其結構設計、熱處理方式和表面制造精度緊密關聯。
 ?。?)軸承摩擦力矩是后橋內阻重要組成部分,圓錐滾子軸承低摩擦化設計可使后橋效率提升(0.19-0.77)%;若采用成角度接觸球軸承,理論上可完全消除滾子端面與內圈擋邊滑動摩擦,效率提升更為顯著。
 ?。?)軸承低摩擦設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
  [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》2019年第12期