汽車水泵用非對稱雙列角接觸球軸承設(shè)計

林 波

（舍弗勒貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201804）

1 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，以大眾EA888為代表的新一代汽車發(fā)動機也越來越追求產(chǎn)品的大功率和高效率，而發(fā)動機的多樣性的設(shè)計也對水泵軸承提出了更高的性能要求。如具有較高的抗熱性能、更大的承載能力以及良好的密封性能等。汽車水泵軸承就是經(jīng)過不斷的優(yōu)化和發(fā)展，目前產(chǎn)品最為主流的設(shè)計是雙列球結(jié)構(gòu)和一球一柱結(jié)構(gòu)的模式。

2 水泵軸承載荷的分析

雙列對稱球軸承結(jié)構(gòu)的水泵軸承主要用于承受徑向和部分軸向載荷較小的場合，不適合較大軸向載荷工況；一球一柱結(jié)構(gòu)則適用于皮帶輪端有高載荷和有沖擊載荷的場合。該結(jié)構(gòu)不適用于皮帶載荷偏心工況。而對于皮帶載荷偏心，又沒有較大沖擊的場合，舍弗勒公司提出了非對稱角接觸雙列球設(shè)計結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不但大大提高雙列球軸承的皮帶輪偏心承載能力，又能承受較大的葉輪軸向載荷，是一種更先進的設(shè)計方案。發(fā)動機的載荷曲線如下圖1。

圖1 發(fā)動機的載荷曲線

3 非對稱雙列角接觸球軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

非對稱雙列角接觸球軸承設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

（1）外形結(jié)構(gòu)上，軸承同樣根據(jù)發(fā)動機要求的尺寸設(shè)計，徑向載荷重心作用于軸承靠近皮帶輪的一端。

（2）兩列鋼球采用同中心徑和鋼球直徑設(shè)計，靠近葉輪的一列，采用填球裝配角接觸球軸承設(shè)計方式，而在承載力較大的皮帶輪端的一列，鋼球的個數(shù)根據(jù)載荷的要求及內(nèi)部空間計算得出；曲率上，外圈溝道都采用0.53～0.54的曲率系數(shù)，軸上的溝道采用0.51～0.52的曲率系數(shù)。

圖2 非對稱雙列角接觸球軸承結(jié)構(gòu)

（3）由于皮帶輪端鋼球列的鋼球個數(shù)較多，實現(xiàn)不了填球角裝配，為了便于軸承的裝配，靠近皮帶輪的外圈溝道采用無擋邊設(shè)計，磨削時采用金剛砂輪一次磨削成型。

（4）皮帶輪端鋼球列的球保持架采用全鎖的鎖球設(shè)計，裝配時，先將鋼球安裝到保持架上，再將帶鋼球的保持架壓裝到已經(jīng)選配裝好游隙的軸承上。

（5）設(shè)計軸承的接觸角度根據(jù)軸向游隙一般設(shè)計為20°～25o。

（6）設(shè)計徑向游隙采用標準設(shè)計的0.015～0.030mm。

（7）軸承獨特的密封設(shè)計

水泵軸承的密封不僅要防止油脂的泄漏，還要能防止水和水蒸氣進入軸承內(nèi)部。舍弗勒公司根據(jù)各種不同的工況，開發(fā)了單唇、單唇加拋油環(huán)、雙唇和R-SAFE四種不同結(jié)構(gòu)的密封圈（見圖3）。其中單唇結(jié)構(gòu)是最經(jīng)濟的方案，單唇帶拋油環(huán)結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟的反彈保護能力，雙唇結(jié)構(gòu)比單唇結(jié)構(gòu)具有更好的防水汽進入和油脂泄露的能力，R-SAFE結(jié)構(gòu)是擁有專利保護的新型機構(gòu)，不僅能有效的防止密封的滲水，也能有效的防止密封對接面的銹蝕，能提供更長的水泵質(zhì)保期。

圖3 非對稱雙列角接觸球軸承的密封方案

（8）軸承油脂的選用

水泵軸承的油脂不僅需要有良好的耐熱性和耐水性，還要綜合考慮油脂與尼龍保持 架的相容性和油脂對金屬的腐蝕性能，舍弗勒公司的水泵軸承油脂選用klueber的petamo GHY 133N 聚尿脂，該油脂的工作溫度范圍為-30℃到160℃，不但具有良好的耐溫耐水性能，在發(fā)動機的工作環(huán)境中還具有超長的壽命性能。在水泵軸承中，油脂的填充量為軸承內(nèi)部空間的25%～45%。

4 非對稱雙列角接觸球軸承的壽命計算

水泵軸承的壽命取決于兩列滾動體的壽命，每列滾動體相當于一個單獨的軸承，需要分別計算兩列滾動體各自的壽命，可用球軸承或者滾子軸承的壽命計算方法來分別計算。舍弗勒公司利用自行開發(fā)的BearinX軟件通過模擬載荷進行軸承的壽命計算和應(yīng)力分析。

圖4 所示為非對稱雙列角接觸球軸承參數(shù)化壽命Lh的計算，由圖可知軸承的承載能力的在兩列鋼球的中心線上呈正態(tài)分布，所以載荷的重心加載在正態(tài)分布的交集的位置才能得到最長的水泵軸承使用壽命。

圖5 所示為非對稱雙列角接觸球軸承的接觸應(yīng)力分析的可視化視圖，可以根據(jù)應(yīng)力的分布規(guī)律改進軸承的設(shè)計結(jié)構(gòu)，提高軸承的應(yīng)用壽命。

圖4 非對稱雙列角接觸球軸承壽命L h計算

圖5 非對稱雙列角接觸球軸承應(yīng)力分析

5 結(jié)束語

舍弗勒公司通過多年的經(jīng)驗積累和創(chuàng)新思路，設(shè)計了全新的非對稱雙列角接觸球水泵軸承。這種結(jié)構(gòu)不但能優(yōu)化軸承的承載形式，而且 能提高軸承的使用壽命，是一種低成本的經(jīng)濟可行的設(shè)計方案。

[1]蔡亞新，等．國外水泵軸承的設(shè)計與應(yīng)用[J]．軸承，1998，（6）．