汽車行駛中輪轂軸承單元動態摩擦力矩測量和能耗評估

范圍廣,方靜

(萬向錢潮股份公司 技術中心,杭州 311215)

輪轂軸承單元(以下簡稱輪轂軸承)是安裝于汽車車輪處承載車重并傳動、引導汽車行駛的重要部件[1]。為滿足全球節能減排的要求,降低汽車在行駛過程中因輪轂軸承摩擦力矩產生的能耗非常重要。影響輪轂軸承摩擦力矩的因素有:1)外部因素,如軸承載荷(車重等)、轉速(車速)、環境溫度及汽車行駛道路條件等;2)內部因素,如密封結構、潤滑脂、游隙、軸承零件精度等[2]。

受試驗設備及汽車廠無相關技術標準等限制, 目前國內輪轂軸承摩擦力矩試驗多按照車輛滿載、勻速、直線行駛的條件進行測試,即按照JB/T 13353—2017《滾動軸承 汽車輪轂軸承單元試驗及評定方法》只施加徑向載荷和較低恒定轉速,僅測量其穩定狀態的摩擦力矩值,沒有計算輪轂軸承因摩擦阻力產生的單位能耗,該測量方法和結果不能很好表示輪轂軸承在汽車實際行駛過程中的動態摩擦力矩及能耗情況。因為汽車在實際行駛過程中,輪轂軸承既承受地面的支撐力(徑向力),又承受汽車轉向時的側向力(軸向力)[3],且不同道路環境下行駛速度和環境溫度不斷變化。因此本文介紹測量輪轂軸承動態摩擦力矩的設備和方法,并給出輪轂軸承摩擦能耗的計算公式;利用專用試驗機模擬汽車實際工況,測量某汽車配套輪轂軸承的實際摩擦能耗,并對不同溫度和車速下的摩擦能耗進行分析。

1 輪轂軸承動態摩擦力矩測量和能耗評估計算方法

1.1 輪轂軸承動態摩擦力矩測量

利用專用試驗機測量輪轂軸承動態摩擦力矩,試驗機測量原理如圖1所示[4],圖中:lET為輪轂軸承安裝偏距,mm;rdyn為汽車車輪動態滾動半徑,mm。該試驗機機械部分包括變頻旋轉驅動電動機、輪轂軸承固定夾具、2個方向的加載裝置、靜壓軸承系統、高低溫環境箱以及測量溫度、轉速、力和摩擦力矩的各種傳感器。

1—旋轉驅動電動機;2—去耦合組件;3—加載裝置;4,6—工裝夾具;5—輪轂軸承;7—靜壓軸承;8—扭矩傳感器;9—徑向加載;10—軸向加載;11—轉速傳感器。

試驗機的電動機通過軟軸連接輪轂軸承并驅動輪轂軸承旋轉,加載裝置通過支承軸承對輪轂軸承施加徑向載荷Fr和軸向載荷Fa;輪轂軸承外圈凸緣通過夾具與靜壓軸承相連,靜壓軸承起支承及傳遞扭矩的作用;扭矩傳感器安裝在靜壓軸承尾端以測量輪轂軸承實時摩擦力矩;試驗輪轂軸承及部分夾具置于高低溫環境箱內,一個溫度傳感器安裝在輪轂軸承非旋轉面上,用于測量輪轂軸承的實際溫度,另一個溫度傳感器懸空于高低溫環境箱內,用于測量環境溫度。試驗時輪轂軸承樣件安裝可使用輪轂軸承實車的原裝周邊件, 如原裝制動盤、 轉向支架、 鎖緊軸和螺桿等, 也可使用替代工裝,以盡量模擬真實車輛行駛狀態。

試驗過程中,需測量并記錄每個試驗程序階段輪轂軸承的摩擦力矩和溫度。試驗機需滿足信號低通濾波要求,試驗機軟件需能自動分析、識別并記錄穩定狀態下的試驗數據,穩定狀態的要求為:在同一個試驗程序階段內,當實時測量的摩擦力矩與3 min內摩擦力矩平均值保持在±0.02 N·m的偏差范圍內時,摩擦力矩達到穩定狀態;當實時測量的輪轂軸承溫度與3 min內軸承溫度平均值保持在±0.3 ℃的偏差范圍內時,輪轂軸承的溫度達到穩定狀態。

1.2 輪轂軸承摩擦能耗評估計算

為評估計算輪轂軸承的平均摩擦力矩或穩定狀態下的摩擦力矩τF以及在最新歐洲駕駛循環周期程序(New European Driving Cycle, NEDC)、全球通用輕型車輛測試程序(World Light Vehicle Test Procedure, WLTC)工況下輪轂軸承的總摩擦能耗、實時摩擦功率和累積行駛總距離,需進行輪轂軸承摩擦力矩及能耗臺架性能試驗,測量試驗過程中的實時摩擦力矩及轉速,則[4]

PF(t)=2πτF(t)n(t) ,

(1)

(2)

(3)

式中:PF(t)為實時摩擦功率,W;τF(t)為實時摩擦力矩,N·m;n(t)為實時轉速,r/min;WF為輪轂軸承總摩擦能耗,W·h;s為總摩擦能耗WF對應的汽車累積行駛總距離,m;t為時間,s。

為保障輪轂軸承能耗測量評估的準確性和可研究性,在每個試驗程序階段均需要控制并記錄試驗初始時軸承溫度TB0和環境溫度TA以及試驗結束時的軸承溫度TBt。

2 試驗與分析

2.1 試驗軸承

試驗軸承選擇國內某合資汽車主機廠乘用車配套的第3代輪轂軸承2套,分別記為軸承A和B,2套軸承型號相同,分別來自國內某供應商和國外某供應商。

2.2 試驗設備

利用德國SO190133型輪轂軸承摩擦力矩專用試驗機開展試驗,監控環境溫度、軸承溫度、徑向力、軸向力、轉速、摩擦力矩等參數。該試驗機的加載方式為氣動(氣囊)加載,扭矩傳感器采用液體靜壓軸承支承,試驗機自身的摩擦阻力可忽略不計。試驗機轉速變化率為300 r·min-1·s-1以上,扭矩傳感器最大量程為5 N·m,精度為滿量程的1%,環境箱溫度為-20～+100 ℃,溫度偏差為±0.5 ℃,信號采樣頻率為500 Hz。

2.3 試驗程序

試驗開始時靜態緩慢施加徑向載荷Fr和軸向載荷Fa,載荷貫穿整個試驗過程中并保持不變,Fr=4 500 N,Fa=225 N,rdyn=350 mm(也可根據實際車輪半徑選取),試驗機轉速n可由車速n0和動態滾動半徑rdyn換算得出。試驗轉速和溫度見表1,輪轂軸承順時針旋轉和逆時針旋轉各進行一次試驗。

表1 試驗程序載荷譜

WLTC和NEDC的工況路譜分別如圖2、圖3所示[5]:WLTC工況路譜分為低速、中速、高速和超高速4個階段,最大車速為131 km/h,平均速度為46.5 km/h,時間共計30 min,測試總里程為23.25 km;NEDC工況路譜包括4個市區道路駕駛循環(每個駕駛循環時間200 s且不同時間段車速不同)和1個市郊道路駕駛循環,市區道路行駛車速較低,郊區道路行駛車速較高,整個循環的最大車速為120 km/h,平均速度為33.35 km/h,時間共計20 min,測試總里程為10.93 km。

師：你講得非常好，一語道破了這一類問題的本質．這也就是我們有些輔導書上所講的“一線三等角”“一線三直角”問題，其實它還是證明勾股定理時的弦圖的一半的一個變式圖形(畫示意圖略)，所以有些資料上也稱之為“變式弦圖”．這一類圖形的共性就是有三個角相等，并由此產生一系列的全等或相似，在解題過程中我們要善于發現復雜圖形中的基本圖形，充分利用好基本圖形的性質，就能給解題帶來極大的方便．

圖2 WLTC工況路譜

圖3 NEDC工況路譜

2.4 試驗結果與分析

按表1程序試驗后,摩擦能耗等參數按照(1)—(3)式計算,下面給出主要試驗結果數據并以軸承A為例繪制試驗過程中的參數變化曲線。

第1次磨合試驗數據見表2,軸承A的參數變化曲線如圖4所示:汽車在恒速下行駛,輪轂軸承摩擦力矩從最初2.7 N·m左右緩慢降低并趨于穩定;隨著磨合試驗時間的增加,軸承溫度不斷升高。

表2 第1次磨合試驗數據

圖4 第1次磨合試驗中軸承A的參數變化曲線

EC滑行階段試驗數據見表3,軸承A的參數變化曲線如圖5所示:汽車EC滑行階段,車速從140 km/h勻減速至0,勻減速過程中輪轂軸承的摩擦力矩及溫度均比較穩定。

表3 EC滑行試驗數據

圖5 EC滑行試驗中軸承A的參數變化曲線

第2次磨合試驗數據見表4,軸承A的參數變化曲線如圖6所示。

表4 第2次磨合試驗數據

圖6 第2次磨合試驗中軸承A的參數變化曲線

因為WLTC和NEDC路譜下的試驗轉速是不斷變化的,摩擦力矩也是不斷變化的,無法確定穩態的摩擦力矩或平均摩擦力矩,此時可通過(2)式求得總摩擦能耗WF。

WLTC加熱環境試驗數據見表5,軸承A的參數曲線如圖7所示:摩擦功率曲線與車速曲線的趨勢比較吻合,這與(1)式一致,實時摩擦功率與實時摩擦力矩和實時轉速的乘積成正比,實時摩擦力矩的變化范圍很小,實時轉速變化很大且快,所以實時摩擦功率與實時轉速近似成正比。圖8和圖9中摩擦功率曲線與車速曲線也具有極大的相關性。

表5 WLTC加熱環境試驗數據

圖7 WLTC加熱環境試驗中軸承A的參數變化曲線

圖8 WLTC冷卻環境試驗中軸承A的參數變化曲線

圖9 NEDC試驗中軸承A的參數變化曲線

WLTC冷卻環境試驗數據見表6,軸承A的參數變化曲線如圖8所示。

表6 WLTC冷卻環境試驗數據

NEDC工況下的試驗數據見表7,軸承A的參數變化曲線如圖9所示。

表7 NEDC工況試驗數據

-10 ℃低溫環境、50 km/h恒定車速下的試驗數據見表8,軸承A的參數變化曲線如圖10所示:軸承溫度逐漸升高,摩擦力矩逐漸降低。

表8 低溫環境下試驗數據

圖10 低溫環境試驗中軸承A的參數變化曲線

40 ℃高溫環境、50 km/h恒定車速下的試驗數據見表9,軸承A的參數變化曲線如圖11所示。

表9 高溫環境下試驗數據

圖11 高溫環境試驗中軸承A的參數變化曲線

分析表2—表9數據可知:

1)對于摩擦力矩,同條件下軸承A的摩擦力矩大于軸承B,但二者非常接近,屬于同一水平;對于摩擦能耗, WLTC工況下綜合比較加熱和冷卻環境、順時針和逆時針旋轉數據,軸承B的摩擦能耗比軸承A低9.9%,NEDC工況下軸承B的摩擦能耗比軸承A低17.2%,即同條件下,國外供應商輪轂軸承的摩擦能耗略低于國內供應商。

2)同一套輪轂軸承順時針旋轉和逆時針旋轉時的摩擦力矩和能耗差異較小,可見駕駛條件相同的情況下,汽車前進和后退時輪轂軸承的摩擦力矩和能耗差異也較小。

3)由表2和表4可知,環境溫度相同、汽車行駛速度較大(大于50 km/h)的情況下,車速對輪轂軸承摩擦力矩的影響較小;由表8和表9可知,環境溫度對輪轂軸承摩擦力矩的影響較大,低溫環境下(-10 ℃)的摩擦力矩明顯大于高溫環境下(40 ℃);由表5和表6可知,WLTC工況,低溫環境下的摩擦能耗明顯大于高溫環境下的能耗,這也是汽車冬天單位里程油耗或電耗高于夏天的原因之一。

4)WLTC工況下分析輪轂軸承的摩擦能耗,汽車行駛30 min,包括低速、中速、高速和超高速,總行駛里程23.25 km,以軸承A為例,1套輪轂軸承的平均摩擦能耗為28.34 W·h(順時針旋轉、逆時針旋轉、冷卻環境和加熱環境4種情況的平均值),若行駛100 km,則1套輪轂軸承的平均摩擦能耗約0.12 kW·h,一輛車4套輪轂軸承,其總能耗約0.48 kW·h;NEDC工況下分析輪轂軸承的摩擦能耗,汽車行駛以低速城區道路為主,以軸承A為例,行駛100 km,1套輪轂軸承摩擦能耗約151.5 W·h,4套輪轂軸承總能耗約0.61 kW·h;即同樣行駛100 km,WLTC工況輪轂軸承摩擦能耗比NEDC工況下的低21%,說明汽車高速行駛時輪轂軸承的摩擦能耗比低速行駛時低,這也是汽車高速公路行駛時單位里程油耗或電耗比市區道路行駛時低的原因之一。

5)以電動汽車特斯拉Model X為參考,其100 km耗電約19.5 kW·h,WLTC工況下100 km輪轂軸承能耗約為特斯拉汽車總耗電的2.4%,NEDC工況下100 km輪轂軸承能耗約為特斯拉汽車總耗電的3.1%,可見輪轂軸承因摩擦力矩造成的能耗在汽車總能耗中的占比很大。

3 結束語

對汽車在不同環境下實車行駛時輪轂軸承運動工況進行模擬,測量輪轂軸承動態摩擦力矩并評估其能耗,結果表明,環境溫度對輪轂軸承摩擦力矩的影響較大且低溫環境下的摩擦力矩明顯大于高溫環境下,輪轂軸承因摩擦力矩造成的能耗在汽車總能耗中的占比很大,此結果可為研發低能耗軸承以及促使汽車節能降耗提供參考。