汽车轮毂轴承单元摩擦力矩的测试与分析

汽车轮毂轴承单元摩擦力矩的测试与分析
李雪原;雷良育;张辉;董亮;刘兵
【摘要】为了研究摩擦力矩对于汽车轮毂轴承的影响规律,针对某型号的双列球型轮毂轴承,采用国内某公司生产的摩擦力矩测试机,对轮毂轴承单元进行摩擦力矩的测试实验.通过分析实验数据,并与产品的设计要求进行对比,得出产品产生摩擦力矩的范围和规律.同时测试了轮毂轴承单元在一定预紧力作用下,其摩擦力矩转速的变化.本研究对于轮毂轴承单元的产品测试提供了一条途径,同时对研究摩擦力矩的影响因素及其规律提供了一种思路.
【期刊名称】《常熟理工学院学报》
【年(卷),期】2018(032)002
【总页数】5页(P63-66,72)
【关键词】轮毂轴承单元;摩擦力矩;测试;实验
【作者】李雪原;雷良育;张辉;董亮;刘兵
【作者单位】浙江农林大学工程学院,浙江临安311300;浙江农林大学工程学院,浙江临安311300;浙江农林大学工程学院,浙江临安311300;浙江农林大学工程学院,浙江临安311300;浙江农林大学工程学院,浙江临安311300
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.33
在汽车的众多零部件中，轮毂轴承单元担任了重要的角色，对整车的性能有着重要
的影响. 摩擦力矩作为轮毂轴承单元的一项重要性能指标，直接影响到轮毂轴承单元转动过程中传递的能量损失. 同时高温会使润滑油粘稠，对轮毂轴承产生损害[1
－2]．但现在对于轮毂轴承单元摩擦力矩的测试技术水平还不高，研发力量相对薄弱．摩擦力矩的测试工作是为了提高轮毂轴承单元的性能、寿命和可靠性，具有重要的研究意义，同时对于提高我国轮毂轴承单元的生产质量和水平起到了巨大的推动作用．
1 轮毂轴承摩擦力矩产生的原因
轮毂轴承单元产生摩擦力矩的原因有很多，主要包括设计误差、加工精度、润滑剂等[3]．
在轮毂轴承单元的设计中，由于在设计过程中未充分考虑摩擦力矩，往往生产出的产品会产生较大的摩擦力矩．轮毂轴承单元在制造过程中，加工精度对摩擦力矩的影响很大，直接影响到其摩擦力矩的大小和稳定性 [4－5]．
除此之外，轮毂轴承单元的摩擦力矩大小和稳定性还与润滑剂有关．润滑剂的粘度、清洁度以及用量，都会使摩擦力矩的数值产生变化[6]．
2 测试原理
本研究的轮毂轴承单元摩擦力矩测试原理如图1所示．该系统主要由测试旋转轴、力矩传导板、传感器等组成．
汽车轮毂轴承单元总摩擦力矩M的计算由下式给出：
图1 轮毂轴承摩擦力矩测试原理图1.测试固定轴；2.传感器；3.套筒；4.定位限
制杆；5.螺栓；6.汽缸；7.端盖；8.测试旋转轴；9.弹簧；10.力矩传导板；11.挡板式中：M为轮毂轴承的总摩擦力矩；M0为与轴承载荷大小、润滑剂用量、粘度
及转速有关的摩擦力矩分量；M1为与轴承载荷大小、滚动体和滚道间接触弹性变形量及滑动摩擦有关的摩擦力矩分量；f0为考虑轴承结构和润滑方法的系数；v为
润滑剂的运动粘度，对于润滑脂，则为基油的粘度；n为轴承转速；dm为轴承平均直径，dm＝0.5（d＋D）；d为轴承的内径；f1为载荷系数； P1为由摩擦力
矩分量M1决定的轴承载荷．
根据汽车轮毂轴承单元摩擦力矩的计算方法，设置该测试原理的工作过程如下：在车间轮毂轴承单元自动化装配线上，首先传送带将未检测的轮毂轴承单元传送过来，由机械手自动放置到测试固定轴1上，此时气缸6动作，使测试旋转轴8下降，
直至压住待测的轮毂轴承单元，对工件产生一定的预紧力．接着，测试旋转轴8
带动轮毂轴承单元按设定的转速一起旋转，所产生的摩擦力通过测量旋转轴8传
递到力矩传导板10上，使力矩传导板10产生了少量的偏移，同时将力矩传到了
传感器2上．系统根据预先设置好的算法，计算出摩擦力矩．最后弹簧9使测试
旋转轴8复位，完成整个摩擦力矩测试工作．
表1 轮毂轴承主要结构参数参数数值钢球公称直径/mm 11.5球组节圆直径/mm 69.05外圈沟曲率半径/mm 6.05内圈沟曲率半径/mm 5.9两列钢球中心的轴向距离/mm 26.05每列轴承的钢球数量Z/粒18每列轴承的初始接触角35
3 测试实验
3.1 实验对象和设备
本文以某型号汽车第三代双列球型轮毂轴承单元为例，研究其在设定轴向预紧力的作用下，其总摩擦力矩的变化情况．双列球型轮毂轴承单元的主要结构参数如表1所示．
本研究采用国内某公司生产的全自动轮毂轴承摩擦力矩测试机进行测量，如图2
所示．该摩擦力矩测试机采用高精度HBM称重传感器，测量精度稳定精确．测试全程都通过PLC自动控制，不需要人工辅助操作．而且工控机可按设定好的算法
公式将测试数据进行处理并存储，并且可显示输出摩擦力矩的参数曲线图，如图3
所示．该轮毂轴承摩擦力矩测试设备的具体性能参数如表2所示．
图2 轮毂轴承摩擦力矩测试机床
图3 参数显示界面
表2 设备性能参数使用条件气源要求基本配置电源要求：三相380VAC 50 HZ 5 kw清洁稳定气源，压力0.4 Mpa以上扭矩检测采用高精度HBM称重传感器，测量精度稳定精确；采用欧姆龙最新CP1H系列PLC，工件旋转使用日本松下伺服电机.主操作屏采用12寸（23.5 cm×28.5 cm）工控彩色触摸屏.
3.2 测控系统
该轮毂轴承单元摩擦力矩测试机的测量系统如图4所示. 它主要由加载机构、传感器和数据采集卡等组成．具体工作过程包括信号的获取与调理、数据采集和数据分析处理、执行机构的运转等．力矩传感器负责拾取轮毂轴承单元摩擦力矩的信号并加以处理[7]．数据采集模块负责采集力矩传感器传送的信号，送入工控机进行响应的处理．工控机根据数据处理的结果，给PLC发送信号，并显示及存储处理结果．PLC发送指令控制执行机构，实现测试机构的运转，完成整个测试工作．
图4 测控系统结构图
3.3 实验和数据分析
3.3.1 摩擦力矩分布规律
轮毂轴承单元的摩擦力矩是一个很难测量的参数，为了测试的可行和方便，测试机采用将汽车轮毂轴承单元旋转时产生的力通过传导板测出，再通过公式计算出摩擦力矩．本次数据采集所用的旋转速度为50 r/min，压力为9800 N．由于某个单体测出的摩擦力矩具有偶然性和不确定性，所以本研究进行了多次测试，并在这些测试数据中随机抽取了30组摩擦力矩数值，如表3所示．为了方便观察，将表3测试的数据进行整理，转化成图5所示的摩擦力矩分布曲线图. 从图5可以看出，大部分数据都分布在0.5～2.2 N·m之间，只有少数几个摩擦力矩出现了低于0.5
N·m或者超过2.2 N·m的情况．根据本产品的设计要求，摩擦力矩的范围为
0.5～2.2 N·m，低于0.5 N·m或者超过2.2 N·m则被判定为不合格．
从测试的数据来看，摩擦力矩的值在一定的范围内上下波动，用测试结果可以分析出轮毂轴承的摩擦力矩范围和波动规律，经过系统的数据处理，可以有效分辨出轮毂轴承单元是否符合设计要求．
图5 轮毂轴承摩擦力矩分布图
3.3.2 摩擦力矩与转速的关系
从上面得到的数据可以看出汽车轮毂轴承单元的摩擦力矩是一个离散性的变量，而且影响轮毂轴承摩擦力矩的因素有很多，如果我们对影响其摩擦力矩大小的因素逐个进行分析，工作量比较大且存在诸多困难，所以本文只对摩擦力矩与旋转速度的关系进行分析．本次分析采用控制变量法，在压紧力一定时改变轮毂轴承单元的旋转速度，研究速度对于摩擦力矩的影响情况．
为了测量的精确性，本设备对一个被测件测取了100个数据．从轮毂轴承单元静止到启动至设定转速为止，检测时间为3 s．轮毂轴承单元开始旋转后，依次将旋转速度改变为10，20，30，40和50 r/min，观察摩擦力矩变化情况并将数据记录并存储下来．
表3 30组轮毂轴承单元的摩擦力矩数据序号摩擦力矩/（N·M）序号摩擦力矩/（N·M）1 0.58 16 0.49 2 0.17 17 1.62 3 0.73 18 0.97 4 1.77 19 1.6 5 1.01 20 1.13 6 1.6 21 1.59 7 1.26 22 1.44 8 0.82 23
0.82 9 1.61 24 2.18 10 1.6 25 1.11 11 2.14 26 2.48 12 1.55 27
1.19 13 1.63 28 1.45 14
2.54 29 1.3 15 1.53 30 1.6
由于轮毂轴承单元的摩擦力矩受诸多因素的影响，因此在测量过程中，出现了摩擦力矩较大和较小的情况．为了数据分析的准确性和可靠性，去除最小和最大5个摩擦力矩数值，计算出其各阶段的最大值、最小值和平均值，轮毂轴承单元摩擦力
矩数据处理结果如图6所示．
图6 摩擦力矩与转速的关系
从图6中可以看出，可将轮毂轴承摩擦力矩随转速的变化曲线分为5个阶段[8]．在第Ⅰ阶段，轮毂轴承单元不发生相对转动，处在静止状态，其摩擦力矩的特性与转速无关，摩擦力矩的平均值处在最大值和最小值中间区域．在第Ⅱ阶段，由于轮毂轴承单元的转速较小，无法在接触面上产生润滑用的润滑油膜，其摩擦力矩的平均值随着转速的提高而降低，并且其平均值仍处在最大值和最小值中间区域．在第Ⅲ阶段，轮毂轴承单元转速有所提高，在这一阶段部分接触面上产生了润滑油膜，但是在未产生润滑油膜的其他区域仍然是固体接触，在该阶段其摩擦力矩在10 r/min转速下处于下降趋势，当轮毂轴承转速超过10 r/min时，摩擦力矩处于平稳上升趋势．在第Ⅳ阶段，随着轮毂轴承单元转速的提高，产生了越来越多的润滑油膜区域，其摩擦力矩也随之快速增大，摩擦力矩的平均值出现了向最大值逼近的情况．在第Ⅴ阶段，当轮毂轴承单元的转速足够大时，形成的润滑油膜区域迅速扩展，最后遍布整个接触面从而形成全润滑接触，其摩擦力矩的最大值、最小值和平均值都迅速提高，而且出现了3者趋于一致的情况．因此，随着转速的提高，其摩擦力矩抵抗其他因素干扰能力逐渐增强，当轮毂轴承单元达到一定转速，其摩擦力矩的最大值、最小值和平均值会出现基本一致的情况．
4 结论
（1）根据轮毂轴承单元的实际情况，通过轮毂轴承单元摩擦力矩测试机，对其进行了多组摩擦力矩的测试工作，得出了一系列摩擦力矩数据．从摩擦力矩分布图可以看出其数值只是在一定范围内波动．
（2）轮毂轴承单元摩擦力矩的影响因素很多，通过测试轮毂轴承单元在不同转速下的摩擦力矩变化情况，得出其转速对于摩擦力矩的影响规律，为研究轮毂轴承摩擦力矩的影响因素和规律提供了一种思路．
参考文献：
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