摘　要：为降低对进口石油的依赖，国家制定了GB27999-2014和GB19578-2014法规：要求2020年我国乘用车企业CAFC（企业平均燃料消耗量）降至5.0L/100km。因前置后驱车比前驱车传动链长，油耗压力高，故后驱车需加快使用低摩擦力矩轴承等措施提高传动系统效率、降低整车油耗。文章从传动系统关键部件（后桥总成）内阻研究着手，探索出轴承摩擦力矩是主要内阻之一，并分析出轴承摩擦力矩产生机理及其对应的降摩擦力矩措施，Z后通过效率台架和整车油耗测试结果表明：低摩擦力矩轴承具有工程应用价值。
关键词：后桥；内阻；轴承；低摩擦力矩
为降低对进口石油的依赖度，我国大力支持新能源汽车产业，同时鼓励传统燃油汽车应用节能技术：涡轮增压、缸内直喷、制动能量回收、减少传动系统摩擦阻力、低滚阻轮胎、减少风阻系数等。本文从研究传动系统后桥内阻着手，论述内阻产生机理及降低阻力对整车油耗影响。
1　后桥内阻分布
1.1后桥结构
半浮式后桥总体结构分为主减总成、半轴总成和桥壳总成三部分（如图1所示），其中主减主要功能是对扭矩进行90°换向并降速增扭，属传动驱动部件；半轴总成除承受整车轴荷外，还传递动力驱动车轮，属于驱动承载综合部件；桥壳主要用于承载，并为驱动部件提供支撑和反作用力矩，属承载部件。1.2阻力分布
后桥阻力主要来源于其旋转件（半轴总成和主减总成），半轴总成的内阻主要集中在轮毂轴承，其内部润滑脂的黏度显著影响着轮毂轴承的摩擦力矩及其使用性能，进而影响整车性能和油耗^[1]。主减总成的内阻分为三个部分：轴承旋转阻力、齿轮搅油阻力和风阻、齿轮啮合阻力，通过试验测试和理论计算（参考ISO14179和DIN732标准）发现：（1）扭矩越大，主减传动效率越高；（2）油温越高，油粘度越低、主减效率越高；（3）低负荷工况下（输入扭矩≤80N.m），转速越高，效率越低；高负荷工况效率则基本不受转速影响。图2列出了主减在两种不同工况下三种内阻分布比例。研究图2可以发现：在主齿扭矩和转速分别为60N.m和2000rpm时，轴承内阻占比高达37%；随着转速提高到4000rpm，齿轮搅油阻力和风阻显著提高，同时轴承内阻和齿轮啮合阻力因润滑系统的完善及流体润滑油膜的形成快速降低，但轴承内阻降幅远低于齿轮啮合阻力，故需要对轴承内阻形成机理进行分析研究，挖掘降阻空间。
2　主减轴承内阻产生机理分析
2.1轴承结构类型
后桥主减主要采用圆锥滚子轴承（如图3所示），但部分的欧洲汽车厂商已采用了成角度接触球轴承（如图4所示）。
根据轴承公司的测试数据，因成角度接触球轴承不存在“滚子与内圈挡边的滑动摩擦”，阻力大幅降低。主减主齿内端轴承若采用成角度接触球轴承，相对普通双列锥轴承可降低58%左右的内阻；外端轴承若采用成角度接触球轴承，可降低15%左右的内阻。但成角度接触球轴承尚未在国内量产，成本高且对主减装配要求非常苛刻，故采用低摩擦力矩的圆锥滚子轴承更符合当前国内工程应用需求。2.2圆锥滚子轴承内阻形成机理
根据图3可以发现：圆锥滚子轴承主要由外圈、内圈、滚子和保持架四部分组成。主减工作时，主齿和差壳分别带动主齿轴承和差速器轴承的内圈旋转，内圈带动滚子自转和公转、保持架自转，从而在零件接触部位形成阻力：（1）内圈挡边和滚子大头端面形成滑动阻力；（2）内端滚道与滚子形成滚动阻力；（3）滚子与外圈滚道形成滚动阻力；（4）滚子与保持架形成滑动阻力。除配合接触部位有阻力外，润滑油对旋转零件也有阻滞，从而产生：（1）滚子搅油阻力；（2）保持架搅油阻力；（3）内圈搅油阻力。以上7种阻力综合组成轴承内阻。
3　轴承低摩擦力矩设计方案
根据圆锥滚子轴承内阻形成机理进行结构优化设计，方案如下：（1）滚子大头端面由平面调整为曲面，减小滚子端面与内圈挡边接触面积（如图5），同时利于在接触面形成流体润滑油膜，从而有效降低摩擦力矩（如图6）。
（2）根据负载与应力关联变化趋势，采用对数凸度优化设计内外圈滚道和滚子圆锥面，消除边缘应力；同时采用特殊热处理提高轴承抗杂质颗粒物能力，并提升接触面的表面精度，从而使轴承寿命提升，摩擦滚动阻力降低，如图7所示。（3）提高保持架精度并进行结构优化，使保持架与滚子的线面接触变成两点与面接触，有利于在接触面形成流体润滑油膜，如图8所示。（4）综合以上三个优化方案，评估是否可以优化减少滚子数量，在保证强度、刚度和寿命前提下，重新设计减小轴承规格，进一步降低摩擦阻力。
4　轴承低摩擦设计应用价值测试
4.1后桥效率对比测试
为满足平台化和互换性需求，轴承规格和接口参数没有变化，仅对轴承使用了上文前三种优化方案，优化后按相同轴向预紧载荷装配，并进行效率对比测试。测试方法参照SAEJ1266-2001测试程序，测试过程中后桥齿轮油温控制在40±3℃，选择不同速度段加速工况点测试，测试前按60%Z大驱动扭矩磨合1.5h，考虑到主减生产一致性因素，优化前后均选3个后桥样件进行对比测试，测试后对数据一致性进行评估，如无异常对三个后桥效率求平均值。优化前三个后桥效率平均值见表1。

表1 优化前三个后桥效率均值

优化后三个后桥效率平均值请见表2，与优化前对比差值计算：效率提升（0.19-0.77）%。

表2 优化后三个后桥效率均值

4.2整车油耗对比测试
后桥效率检测后，分别装车参照国家标准GB18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ）》和GB/T12545.5—2008《汽车燃油消耗量试验方法第1部分》在底盘测功机上按NEDC循环工况进行油耗测试，试验车型为前置后驱车型，轴承优化前一个后桥装车测试各阶段油耗如图9所示。

图9 轴承优化前油耗测试结果

轴承优化后一根后桥装车测试各阶段油耗如图10所示。对比各阶段燃油经济性可以发现：在阶段城市工况（ECE-1）燃油经济性提升明显。其他阶段基本持平（整车油耗测试误差约为0.2L/100km），说明优化后的后桥轴承在车辆启动阶段能更快速地形成流体润滑油膜，轴承内阻显著降低（图5），进而降低整车油耗。

图10 轴承优化后油耗测试结果

5　结论
（1）轴承摩擦力矩与其结构设计、热处理方式和表面制造精度紧密关联。
（2）轴承摩擦力矩是后桥内阻重要组成部分，圆锥滚子轴承低摩擦化设计可使后桥效率提升（0.19-0.77）%；若采用成角度接触球轴承，理论上可消除滚子端面与内圈挡边滑动摩擦，效率提升更为显著。
（3）轴承低摩擦设计可使轴承工作时快速形成流体润滑油膜，在车辆刚启动阶段显著降低整车油耗。
参考文献
[1]莫易敏，雷志丹，李丹阳，任良顺，黄一鸣.润滑脂对轮毂轴承摩擦力矩和整车油耗影响的试验研究[J].汽车工程，2017，39（5）：588-592.

来源：《汽车实用技术》2019年第12期