姜正軍，馮戰(zhàn)勇，朱會娟

（1.安徽星瑞齒輪傳動有限公司，安徽 六安 237000；2.天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300387；3.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 測試裝備與技術(shù)研究所，天津 300300）

0 引言

軸承是機械傳動的基礎(chǔ)元件，被廣泛的應(yīng)用在各種機械傳動裝置中，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，滾動軸承在汽車變速器中得到更加廣泛的應(yīng)用，也給軸承提出更高的要求。其中潤滑作為滾動軸承使用中至關(guān)重要的一環(huán)，是滾動軸承使用壽命和可靠性的研究關(guān)鍵。國內(nèi)機械行業(yè)80%的滾動軸承采用潤滑脂潤滑。一般而言，適宜的裝脂量為軸承內(nèi)總空間間隙的1/3～1/2，低速、輕載荷時不超過2/3。軸承速度提高則要適當(dāng)減少裝脂量。國內(nèi)外研究學(xué)者也對軸承的注脂量進行了大量的研究[1～5]。

從目前的研究成果分析，滾動軸承的裝脂量過少或過多均會造成運行故障。注脂量的多少不僅影響軸承工作溫度且直接影響軸承壽命，因此，研究滾動軸承的溫升特性以及注脂量的最優(yōu)控制對汽車變速器的穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

深溝球軸承因具有摩擦因數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、制造精度較高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車變速器中[6]，因此，本文以汽車變速器用深溝球軸承為試驗對象，測試軸承在不同潤滑狀態(tài)下運行時的溫升特性，探究轉(zhuǎn)速和注脂量的變化對平衡溫度影響的規(guī)律，為汽車變速箱軸系和箱體設(shè)計提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。

1 溫升特性實驗

1.1 不同潤滑油量對軸承溫升特性分析

通過軸承試驗臺測量得到軸承的不同潤滑油量/流量下的的溫升特性曲線，建立以轉(zhuǎn)速為橫坐標、不同油量或者流量下溫升為縱坐標的溫升特性曲線[7]，圖1表示潤滑油在0.03L/minm、0.05L/minm、0.08L/minm的不同流量下平衡溫度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可以看出，不同的注脂量對軸承的溫升特性影響較大，因此，有必要進一步探究潤滑脂在汽車變速器中的用量控制，尋找適合寬轉(zhuǎn)速范圍汽車變速器軸系的軸承注脂量。

圖1 不同潤滑油量軸承溫升特性曲線Fig.1 Temperature rise characteristic curve of bearing w ith different lubricating oil quantity

1.2 不同注脂量溫升試驗

為了實驗結(jié)果的準確性，選用深溝球軸承各5套，共25套進行注脂量為10%、20%、25%、30%、50%不同注脂量下的溫升實驗，實驗分為5組，且每組實驗均在1000rpm、3000rpm、5000rpm不同轉(zhuǎn)速下進行。

通過整理實驗數(shù)據(jù)，建立以試驗時間為橫坐標、溫升為縱坐標的不同轉(zhuǎn)速下的溫升特性曲線，如圖2所示。

圖2 不同注脂量、不同轉(zhuǎn)速軸承溫升特性曲線

2 注脂量對軸承潤滑的影響分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下熱平衡溫度與注脂量的關(guān)系

對圖2的數(shù)據(jù)進行整理并利用均值法[5]計算可得如表1所示的不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度。

為了更清晰直觀的得到注脂量變化對平衡溫度的影響，分析出深溝球軸承熱平衡溫度在不同軸系 （不同轉(zhuǎn)速）下隨注脂量變化的線性相關(guān)度，對表1的數(shù)據(jù)以注脂量為變量進行自回歸分析，得到在不同轉(zhuǎn)速下平衡溫度隨注脂量變化的線性規(guī)律[6]。并建立數(shù)學(xué)模型。

表1 不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度

平衡溫度隨注脂量變化的線性關(guān)系：

式中：R2—平衡溫度與線性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)為1表示相關(guān)度最大。

圖3 不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度Fig.3 The equilibrium temperature of the bearing at different speeds and different amounts of grease

結(jié)合表1和圖3可以看出：

（1）不同轉(zhuǎn)速下，熱平衡溫度均隨注脂量的增加而升高。

（2）線性函數(shù)的斜率隨轉(zhuǎn)速升高而增大，說明注脂量對溫升的影響權(quán)重隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。

（3）隨轉(zhuǎn)速的升高R2逐漸增大并趨近與1，說明隨著轉(zhuǎn)速的升高，注脂量的增加對軸承溫升的影響程度（影響因子所占比重）增加，低速時注脂量對溫升的影響因子較小，相關(guān)度低，所以在1000rpm時，注脂量10%～25%平衡溫度變化不大。

（4）低轉(zhuǎn)速時，注脂量的變化對溫升的影響并不顯著，對于低速軸系軸承注脂量的要求可以適當(dāng)放寬，高轉(zhuǎn)速時，注脂量的變化對溫升的影響就很明顯，對于高速軸系軸承注脂量要求必須精確；由實際工況下的軸承工作環(huán)境分析其原因可能為：①轉(zhuǎn)速升高后摩擦損耗（摩擦功）增加，發(fā)熱量增加；②軸承滾動體潤滑拖動生熱（攪油發(fā)熱）整個在軸承總發(fā)熱中所占的比重隨轉(zhuǎn)速升高而升高。

2.2 不同注脂量下熱平衡溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

同理，對表1的數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)速為變量進行自回歸分析，得到在不同注脂量下熱平衡溫度隨轉(zhuǎn)速變化的線性規(guī)律。建立不同注脂量下轉(zhuǎn)速和平衡溫度的數(shù)學(xué)模型。

平衡溫度隨注脂量變化的線性關(guān)系：

圖4 不同轉(zhuǎn)速、不同注脂量狀態(tài)下軸承的平衡溫度Fig.4 The equilibrium temperature of the bearing at different speeds and different amounts of grease

從圖4可以看出：①不同注脂量下，熱平衡溫度均隨轉(zhuǎn)速的升高而升高；②不同注脂量下，平衡溫度與線性函數(shù)相關(guān)系數(shù)均高于0.988，說明平衡溫度與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性極大，因此在軸系設(shè)計時，一定不能忽視轉(zhuǎn)速的影響，一定要將轉(zhuǎn)速作為軸承選擇的一個重要參考指標；③從線性函數(shù)的斜率可以看出，在20%注脂量時，各轉(zhuǎn)速下平衡溫度都最低，且溫升隨轉(zhuǎn)速變化斜率最小。

2.3 深溝球軸承平衡溫度數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

由于平衡溫度隨轉(zhuǎn)速和注脂量的變化均成近似線性規(guī)律，因此可以假設(shè)平衡溫度t與轉(zhuǎn)速n和注脂量p的的函數(shù)滿足：

對試驗數(shù)據(jù)采用Matlab進行數(shù)據(jù)擬合可得到：

3 結(jié)論

圖5 平衡溫度與轉(zhuǎn)速、注脂量的關(guān)系Fig.5 Relationship between equilibrium temperature and speed，and grease injection

本文利用軸承試驗臺對汽車變速器常用的深溝球軸承溫升特性進行了實驗探究，并對試驗數(shù)據(jù)分別以注脂量和轉(zhuǎn)速為變量進行的自回歸分析，構(gòu)建了深溝球軸承平衡溫度隨注脂量和轉(zhuǎn)速變化的數(shù)學(xué)模型，得到如下結(jié)論：

（1）在轉(zhuǎn)速一定的情況下，平衡溫度隨注脂量的增加而升高。

（2）在注脂量一定的情況下，平衡溫度隨轉(zhuǎn)速的升高而升高。

（3）平衡溫度與注脂量的相關(guān)性隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，在1000rpm～6000rpm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高相關(guān)性越大，因此轉(zhuǎn)速越高的軸系，軸承的注脂量精度要求高。

（4）平衡溫度與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性很高，且相關(guān)系數(shù)與注脂量關(guān)系不大。

（5）從平衡溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系的線性函數(shù)可以看出，在20%注脂量時，函數(shù)斜率最小，平衡溫度隨轉(zhuǎn)速變化最平緩。

綜上所述，該系列軸承在20%注脂量時平衡溫度相對于轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性最好，效果較為理想，最適合寬轉(zhuǎn)速范圍軸系。