汽車水泵軸承的裝配設(shè)計及工藝研究

羅澤青(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州510640)

汽車水泵軸承的裝配設(shè)計及工藝研究

羅澤青
(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州510640)

旨在探討從裝配設(shè)計和裝配工藝方面提高軸承壽命的方法.從裝配設(shè)計方面，分析了軸承的不同裝配位置對其壽命的影響，得到了滿足軸承壽命要求的可裝配區(qū)間;從裝配工藝方面，分析了軸承裝配工藝和夾具對其壽命的影響，提出了夾具設(shè)計要點.

汽車水泵;軸連軸承;軸承壽命;裝配工藝

汽車發(fā)動機(jī)工作時，燃料燃燒所釋放出來的能量推動曲軸連桿機(jī)構(gòu)運動，同時也使發(fā)動機(jī)溫度迅速升高，如果發(fā)動機(jī)的溫度過高，就會出現(xiàn)摩擦副磨損加劇、零件的機(jī)械性能下降等問題，為使發(fā)動機(jī)正常工作，并使之保持一定的熱力狀態(tài)，需要通過冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行適度的冷卻.

水泵為汽車的冷卻系統(tǒng)提供動力，它通過軸承帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，使冷卻液獲得壓力和速度，從而克服冷卻系統(tǒng)流道的阻力把冷卻液輸送到相關(guān)部位.水泵一般由泵體、葉輪、軸承、水封和帶輪等組成.汽車水泵結(jié)構(gòu)緊湊，工況較為惡劣，穩(wěn)定性及壽命要求高，這些因素對汽車水泵的設(shè)計提出更高的要求.

軸承失效是水泵失效的一個主要原因，軸承的失效，輕者使發(fā)動機(jī)停止工作，重者損壞發(fā)動機(jī)，因此，必須對軸承的裝配設(shè)計和裝配工藝進(jìn)行全面分析，消除設(shè)計及工藝上的隱患，提高軸承的使用壽命.

1 水泵軸承的裝配設(shè)計

受發(fā)動機(jī)零件布置的限制，汽車水泵結(jié)構(gòu)緊湊，一般使用軸連軸承，它在內(nèi)軸上開溝槽，鋼球或滾子直接在內(nèi)軸的滾道中運轉(zhuǎn)，節(jié)省了軸承的內(nèi)圈.從結(jié)構(gòu)上劃分，軸連軸承主要有雙列球結(jié)構(gòu)(WB型，如圖1a所示)和一列滾子一列球結(jié)構(gòu)(WR型，如圖1b所示).WB型軸承結(jié)構(gòu)簡單，適用于徑向載荷較小的場合，WR型軸承適用于滾子列承受較大徑向載荷的場合.

圖1 軸連軸承的結(jié)構(gòu)

軸連軸承在國外已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，國內(nèi)的軸承廠也生產(chǎn)出很多不同規(guī)格的產(chǎn)品.在水泵設(shè)計時，可以直接選用，以減少開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間.這種情況下軸承的壽命校核尤為重要，因為軸承的壽命不僅跟自身設(shè)計有關(guān)，還跟使用方法也有很大的關(guān)系.軸承在水泵中的裝配位置，決定了水泵所受載荷在兩排鋼球或滾子之間的分配關(guān)系，從而導(dǎo)致不同列的鋼球或滾子壽命的差異，而軸承的壽命是由壽命最短的那列鋼球決定的.在做水泵的裝配位置設(shè)計時，要盡量讓載荷分配后不同列的鋼球或滾子的壽命相近.下面以某款水泵為例子，分析軸承裝配位置對其壽命的影響.

該款水泵的皮帶張緊力和水泵受力如表1所示:

表1 皮帶張緊力和水泵受力

該款水泵通過正時皮帶帶動，在正時輪系的設(shè)計方案確定后，水泵所受徑向載荷的大小和位置也確定了，但在保證水泵外圍尺寸不變的情況下，軸承的裝配位置是可以調(diào)整的.如圖2所示，軸承受到的徑向載荷為Fr，為方便表示軸承與載荷的相對位置，載荷Fr到軸承外圈邊緣的距離表示為L，軸承的受力如圖3所示，以內(nèi)軸為受力分析對象，它受到徑向載荷Fr、鋼球A的支撐力Fa和鋼球B的支撐力Fb的作用，根據(jù)力的平衡和力矩平衡原理，可以得到以下方程式:

從以上(1)(2)(3)式可以看出，隨著軸承裝配位置L的變化，鋼球的受力也隨之變化.取軸承裝配的不同位置，即L的不同值，可以得到各個位置下兩列鋼球所受的力Fa和Fb.

圖2 水泵所受載荷示意圖

圖3 軸承內(nèi)軸受力示意圖

軸承的壽命計算公式為:

式中，n為軸承轉(zhuǎn)速;Cr為軸承的基本額定載荷;P為軸承的當(dāng)量動載荷，是Fa和Fb中的較大值與水泵軸向力的合力.

結(jié)合表1、圖2、圖3和公式(1)(2)(3)(4)，可以得到圖4所示軸承裝配位置L和軸承壽命Lh之間的關(guān)系曲線:

圖4 軸承裝配位置與軸承壽命關(guān)系曲線

汽車水泵軸承的設(shè)計壽命一般要求不小于5000h，從圖4可以得出，當(dāng)載荷的位置L在7.7－14.0mm的區(qū)間內(nèi)，軸承的壽命可以滿足不小于5000h的要求，根據(jù)該結(jié)果就可以確定軸承的允許裝配區(qū)間，再根據(jù)其它的尺寸約束確定軸承的具體裝配位置.

如果因結(jié)構(gòu)的限制，軸承無法裝配在上述位置區(qū)間，就意味著軸承的壽命達(dá)不到設(shè)計要求，必須更換軸承型號或者選用一列滾子一列球結(jié)構(gòu)的軸承.

在設(shè)計方面還有其它因素影響軸承的壽命，泄水孔的位置就是其中的一個.泄水孔的作用是及時排出從水封泄漏出來的冷卻液，所以應(yīng)該開設(shè)在水泵裝配后的泵體下部，并在泵體的中部或上部開設(shè)另外一個孔以平衡泵體內(nèi)部壓力.如果在設(shè)計階段沒有考慮水泵的裝配方向，就有可能出現(xiàn)泄水孔開錯位置的問題.如圖4所示，水泵安裝后泄水孔在泵體的中部，這樣冷卻液就不能及時排出，積在泵體中而滲入到軸承內(nèi)部，影響軸承潤滑，使油膜不能充分形成，甚至產(chǎn)生銹蝕，滾動表面疲勞會提前出現(xiàn)，軸承壽命急驟下降.正確的泄水孔開設(shè)位置如圖5所示，該位置可使冷卻液及時排出泵體，避免因冷卻液侵蝕導(dǎo)致軸承壽命縮短.

圖5 錯誤的泄水孔位置

圖6 正確的泄水孔位置

2 水泵軸承的裝配工藝

軸承的裝配工藝是影響軸承壽命的另一個重要因素.軸承在裝配過程中，必須保證軸向中心線與裝配孔對中，如果軸承壓裝傾斜，將會產(chǎn)生不平衡載荷，使鋼球的載荷與滾道軌跡不重合，保持架產(chǎn)生額外應(yīng)力，油脂攪拌加劇，從而使軸承的溫度升高，同時鋼球的當(dāng)量載荷增大，這些因素都縮短軸承的使用壽命.

水泵軸承與泵體過盈配合，使用液壓或者氣動壓力機(jī)壓裝，為監(jiān)控壓裝情況，一般在設(shè)備上有壓力監(jiān)控儀器，軸承壓裝力如果超出設(shè)定范圍，監(jiān)控儀器就會自動報警，提示壓裝力異常，這種情況可能是壓裝過盈量太大，也可能是軸承在壓裝過程中發(fā)生傾斜，通過這種方法可以發(fā)現(xiàn)一些軸承壓裝異常情況.但因該方法的壓力設(shè)定范圍較大，以及設(shè)備壓力檢測精度等問題，對于一般的壓裝偏差設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)，在實際生產(chǎn)中，壓裝過盈量靠泵體的加工精度保證，而壓裝對中要靠工裝夾具保證.

下面以某款水泵為例，分析軸承壓裝工藝及夾具設(shè)計要點.

該款水泵的主要壓裝工藝如下:

(1)在軸承壓裝前，泵體先加熱到100℃，使軸承孔因熱脹內(nèi)徑增大，以減小壓裝力;

(2)因該款軸承外圈長度較短，為增大軸承的拉脫力，軸承壓裝時涂膠;

(3)因泵體壁厚小，壓裝時使用軸承孔壁做支撐，可防止殼體變形或壓裂;

(4)壓裝機(jī)的壓頭壓在軸承外圈，夾具上有壓裝行程限位;

(5)壓裝過程中，夾具上有導(dǎo)套套入軸承內(nèi)軸，起到壓裝導(dǎo)向作用.

軸承的壓裝夾具如圖6所示，在水泵的設(shè)計驗證階段，按上述工藝進(jìn)行壓裝調(diào)試，并拿調(diào)試狀態(tài)的水泵做1000h的單品試驗，試驗后軸承松動，轉(zhuǎn)動時發(fā)出較大噪音，拆解后發(fā)現(xiàn)軸承的其中一列鋼球表面已出現(xiàn)異常磨損，按照該狀態(tài)，軸承不能達(dá)到5000h的壽命要求.經(jīng)過全面調(diào)查，結(jié)論是軸承壓裝工藝的問題，在實物上可以看出軸承壓裝不對中，出現(xiàn)明顯的壓裝傾斜.通過多次的工藝試驗，以及對壓裝夾具的分析后認(rèn)為，軸承壓裝不對中是壓裝夾具的問題:

(1)壓裝導(dǎo)套與定位塊的同軸度太大，實測同軸度為0.07mm;

(2)導(dǎo)套與軸承內(nèi)軸的間隙太大，實測為0.05－0.08 mm;

(3)壓裝開始時，導(dǎo)套套入軸承內(nèi)軸的長度太小，為8mm.

以上3個因素都會使軸承在壓裝過程中定位精度不夠而導(dǎo)致軸承壓裝傾斜.

對以上問題進(jìn)行改善:

(1)保證壓裝導(dǎo)套與定位塊的同軸度為0.01;

(2)調(diào)整導(dǎo)套內(nèi)徑，使其與軸承內(nèi)軸的間隙在0.02以內(nèi);

(3)加長導(dǎo)套的長度，使導(dǎo)套在壓裝前套入內(nèi)軸的長度為25mm，在壓裝時隨著彈簧的壓縮向下運動，起到良好的導(dǎo)向作用.

根據(jù)以上改善項目，修改夾具后重新壓裝，無再發(fā)現(xiàn)軸承壓裝傾斜的問題，改善后的樣件通過水泵單品試驗、發(fā)動機(jī)及整車耐久試驗.

軸承壓裝工藝的首要目標(biāo)就是保證軸承對中，通過上述的壓裝夾具改善案例可以看出，合適的壓裝夾具是軸承壓裝對中的保證，在設(shè)計夾具時，軸承的定位精度和導(dǎo)套的導(dǎo)向精度是重點確認(rèn)項目.

圖7 軸承壓裝夾具

3 結(jié)語

裝配設(shè)計方面，在軸承型號和載荷確定的情況下，軸承的壽命隨著裝配位置的變化而變化，如果先得出軸承壽命與裝配位置的關(guān)系曲線，就得到軸承的可接受裝配區(qū)間，為水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供輸入及參考;裝配工藝方面，壓裝夾具是軸承壓裝對中的保證，在夾具設(shè)計時必須考慮軸承的定位精度和導(dǎo)套的導(dǎo)向精度.

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，水泵穩(wěn)定性和壽命的要求也越來越高，軸承作為水泵的重要組成部分和薄弱環(huán)節(jié)，不僅要從其自身設(shè)計上提高壽命，也要從使用方法上使軸承保持最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而提高軸承的壽命.

［1］翁祖亮.冷卻水泵實用技術(shù)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2004.

［2］機(jī)械工業(yè)出版社編著.JB/T 8563－2010.滾動軸承.水泵軸連軸承［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］蔡亞新.國外水泵軸承的設(shè)計與應(yīng)用［J］.軸承，1999，(6):37～39.

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