汽车发动机轴承设计

汽车发动机轴承设计

摘要

轴承作为发动机转子体系的核心件，在降低油耗、提升发动机效力与运转牢

靠性部分发挥了核心的效用。比起滑动轴承，滚动轴承在温度较高、速度较高等

一系列相关的特别情况下具备较高的牢靠性与较低的振动，另外还具备较高的轴

向载荷的性能，并且滚动轴承启动快、效率高，在提升动力方面具有优势，因此

增压器采用滚动轴承是今后发展的趋势，研究增压器用滚动轴承具有重要的理论

意义及应用前景。木文主要选择货车轴承为研究对象，以车辆的实际工况和工作

时得受力情况选择轴承的类型。以计算机辅助设计为主要的设计手段，其中用到

了三维建模的UG软件和二维作图的CAXA软件。由于人们对轴承的使用要求

越来越高，使用的范围也越来越大，这就要求设计人员应具备更高的技术水平。

其中轴承的使用寿命是人们对轴承关注的主要焦点，寿命的长短与其设计和加工

质量密切相关。这正是本论文要解决的主要问题。在论文的设计中，本着以实用

和简洁为原则，通过查阅手册和借鉴前人的设计经验，设计出符合使用要求和加

工要求的轴承。

关键词：汽车；发动机；轴承

目录

摘要..................................................................I

第一章绪论...........................................................1

1.1研究背景.....................................................1

1.2研究意义.....................................................1

1.3国内外研..............................................1

1.3.1国内汽车发动机滚动轴承的发展现状......................2

1.3.2国外汽车发动机滚动轴承的发展现状......................2

第二章相关概述.......................................................5

2.1轴承结构.....................................................5

2.2轴承的应用...................................................5

第二章汽车发动机滚动轴承的结构分析和参数设计........................7

3.1轴承材料.....................................................7

3.1.1套圈材料................................................7

3.1.2滚动体材料..............................................8

3.1.3保持架材料..............................................9

3.2轴承结构.....................................................10

3.3轴承主参数设计...............................................11

3.3.1接触角的选择..........................................11

3.3.2球径、球数的选择.......................................11

3.4外圈设计.....................................................12

3.5轴承保持架...................................................12

3.5.1保持架的运动..........................................12

3.5.2保持架的结构..........................................13

3.6轴承润滑方式.................................................15

第四章汽车发动机滚动轴承的动力学分析...............................16

4.1轴承分析模型的建立...........................................16

4.1.1轴承坐标系统的建立....................................16

4.1.2轴承内部结构元件间的相互作用..........................17

第五章汽车发动机轴承的设计..........................................19

5.1设计过程....................................................19

5.2设计的校核..................................................21

5.2.1轴承疲劳寿命的校核....................................21

5.2.2对B截面进行强度的校核................................22

5.3设计制造的工艺（工艺路线）..................................23

5.3.1法兰盆零件的加工过程。................................23

5.3.2轴承外圈的加工工艺过程................................26

结语.................................................................31

参考文献.............................................................32

致谢...............................................................34

第一章绪论

1.1研究背景

由于大家的节能认识持续加强，环保机构拟定的排放法律同样越来越严格，

因此汽车公司经过降低发动机的排量去提升平均油效，在全部的升压样式内，由

于废气涡轮升压没有消耗有用功因而被大家普遍使用［1-3］。升压器通常使用在高

原汽车与竞赛汽车方面，目前很多国家对于都市废气污染与噪声公害指出较高的

条件，进而推动了升压器的进展，并且顺利地把升压器使用到货卡与轿车中。

1.2研究意义

由于对于发动机的特性需求持续提升，指出汽车发动机在较高的温度与较高

的速度转动的条件下具备极佳的耐用特性。轴承是发动机转子体系的核心件，在

降低油耗、提升升压器的效力与运转牢靠性部分发挥了核心的效用C当前，公司

策划制造升压器的时候普遍选用了滑动轴承，然而滑动轴承同样具有部分缺陷，

比如:涡轮轴快速运行的阻力极大，对于机油的压力与质量的需求极高，对于涡

轮轴的实时调控不够平稳。比起滑动轴承，滚动轴承具有这些优点:运转的时候

摩擦力较弱，涡轮延迟的效应偏低;能够科学地调控涡轮轴的动态;提升涡轮的使

用寿命;其轴承的机械效力能够实现().95-0.970,然而它的缺陷是使用寿命低于浮

动轴承，通常78万Km便达到了寿命的终点，并且修理经费极高，修理起来比

较难。但是，因为滚动轴承具备较高的精密度，具备较高的转动速度等一系列相

关特征，在温度较高、速度较高等一系列相关的特别情况下具备较高的牢靠性，

具备较小的振动和较弱的噪音，并且具备较高的轴向载荷的实力，在提高动力上

具备一定的优点，因此车辆发动机的滚动轴承仍旧是日后开发的主导，具备极佳

的开发远景与意义。

1.3国内外研究现状

关于发动机而言，它的涡轮升压技术属于内燃机进展历史中的第2个转折点,

它经过发动机提升进气的密度，改良它的动力特性等一系列相关的整体特性，为

发动机灌入极强的动力。因为发动机在提升功率与减小油耗率部分具备极大优点,

结果柴油机一般会选用涡轮升压这种技术。当前欧、美等繁荣国家在重型柴油机

中均装设了升压器，在中、小规模的柴油机中装设升压器的比重同样达到八成，

我国境内东风汽车等一系列相关的规模较大的柴油机龙头公司均在选用与推行

涡轮升压这种技术，并且持续推介新式的升压柴油机。同时海外企业着手超越技

术阻碍，在汽油机中选用涡轮升压这种技术，确保发动机在动力方面与经济方面

均获得较高的提升。

发动机是确保其动力特性的核心装备，它经过使用废气的惯性冲力去带动涡

轮室中的涡轮进行极高速度的转动，与此同时涡轮推动轴上的叶轮通过相同的速

度进行转动，能够将较多的空气压入气缸内。这个时候，气缸中空气的密度与压

力升高能够焚烧较多的燃料，经过增大燃料量与调节发动机的转动速度，增大发

动机的导出功率，提升它的功率与扭矩,进而提升发动机的相关特性。与此同时，

涡轮升压这种技术能够确保发动机的燃油焚烧比较充足，便于提升燃油的经济特

性，并且便于减小废气的排出量。

1.3.1国内汽车发动机滚动轴承的发展现状

因为发动机的主轴转速较高;涡轮延时是发动机运行中极为关键的弊病。轴

承是发动机的中心构件，同样是导致涡轮延迟的中心构件，其效力与牢靠性干扰

了发动机的特性和使用寿命。当前，车辆发动机的轴承大部分会选用浮动型的轴

承，这种轴承其实是在轴上套圆环，确保圆环和轴还有圆环和轴承座间均生成一

层油膜。圆环会浮在轴和轴承座间，通常内层的间距是().()5mm,外层的间羽约

是0.1mm。轴承壁的厚度大概是3.5mm,通常使用锡铅青铜合金进行生产，表

层镀上一层金属锢或铅锡合金，厚度大概是0.00.008mmo车辆的发动机在运行

的时候，轴承在轴和轴承座间进行旋转，它的机械效力大概是0.8.88。因为浮动

型轴承具有磨损、密封等一系列相关的难题，这样会严重干扰发动机的使用。至

于升压器会选用滚动球轴承，这样能够提升5%-7%的总效力，如果流量较小，

那么也许会提升20%,对于速度较高的滚珠轴承，它的摩擦力较小，并无涡轮延

迟效应并且运行比较平稳。经过改良涡轮轴承的架构能够减弱惯性与涡轮延迟，

从而提升升压器的应用寿命。在我国境内，轮船中规模较大的发动机早已选用滚

动轴承，然而主轴的转动速度偏低，通常小于等于50000r/min。当前，车辆发动

机中依旧选用浮环轴承去支持，北京科技大学等一系列相关机构实施滚动轴承替

换浮环轴承去进行试验，中国对于滚动轴承型发动机的探究只是刚开始。

2

1.3.2国外汽车发动机滚动轴承的发展现状

公元1880年，德国人着手探究升压技术，并且把机械型升压器设备使用在

一战期间的飞机中。公元1885年，德国人戴姆勒指出车辆选用升压发动机的这

个构想，美国人在二战中早已把此类涡轮升压发动机使用到飞机中。轿车选用升

压汽油机是因为一战的时候在飞机中进行应用从而举世闻名，然而由于没有最大

限度发扬其优势从而快速衰败。公元1905年，瑞士人比齐得到了涡轮升压这个

专利;公元1917年，法国的拉图将这一构想实现;公元1937年产生了安装了机械

驱动的罗茨型升压器的柴油机;公元1938年，赛瑞尔企业首次尝试研制了汽车上

使用的升压柴油机。上个世纪五十年代末期，升压器的技术水准持续提升，升压

器的特性持续改良，尾气涡轮升压技术开始逐步在车辆发动机中进行使用。公元

1985年，丰田企业MR2型的内燃机装设了二叶直叶柱面的SC12型机械升压器;

公元1989年,美国的EATON企业早已制造搭配的内燃机排量由1.8L到5.8L这

4个系列的机械升压器，并且每年的产量实现上万台;公元2003年，德国奔驰E55

车型AMGS5型S.SL排量V8机械升压内燃机，它的功率是368kW/6100rpm;公

元2004年，德国宝马CooperS,1.6L的机械升压内燃机，它的功率是

125kW/6000rpm;公元2005年，英国陆虎SUV,4.2LV8机械升压内燃机，它

的功率是287kW/60()0rpm;公元2005年，德国大众高尔夫车型的GTFSI发匆机,

配置机械升压器与涡轮升压器的汽油发动机"Twincharger",这种车1.4L这个排

量就能完成125kW的导出功率还有13.8km/L的油耗;公元2005年，美国通用

CobaltSS的Ecotec2.0L机械升压发动机，它的功率是150kW/6000rpm,凯迪拉

克6.OLV型8缸OHV发动机搭配机械升压器，它的功率是377kW/6000rpm,它

的扭矩是705Nmo

在海外很多著名的升压器厂商都早已实施了滚动轴承型的发动机探究，并且

早口研发得到对应的商品。比如公元1993年，美国的Honeywell企业研发出

T25BB这种速度极高的滚动轴承发动机着手在Nissan企业的汽车中进行小批量

的试验应用。公元1994年，瑞士ABB企业着手在VTR.4系列规模较大的发动

机中使用滚动轴承。日本IHI企业这些年依次研发出适合轿车、客车、货卡使用

的RHB3,RHB5与RHB7等一系列相关的滚动轴承型的发动机。公元1994年，

美国的GaiTett企业着手对滚动轴承在发动机方面的使用探究，接着把探究成就

3

使用到商品研发中，目前其商品早己制造出约10万台。NSK企业经过对轴承内

在实施改良，顺利研制了发动机使用优质特性的盒式滚动轴承，企业期望通过这

种可以提升车辆平均油效的优质特性轴承作为契机增大在欧洲还有世界范围的

营销量，期望世界范围的营销额在2017年能够实现3()亿日元。这种发动机的滚

动轴承具备下列特征:1确保较低的磨耗与较长的寿命。使用运动摩擦解析这种技

术，改良轴承内在的参变量，完成较低的磨耗与较高的信赖。另外，这种轴承的

拼装具有较佳的精密度，具备较低的振动与较小的噪音。2选用耐热型的研发钢

材，提升了耐久特性。轴承选用独有的耐热钢材，极大程度上提升了轴承的耐咬

粘特性。此类耐热钢材即便在含有发动机润滑油的异物条件下下同样可以确保具

有较差的使用寿命。3选用耐热的树脂保持设备，提升发动机的响应性；目前国

外的汽车发动机有关滚动轴承的技术相对完善，车辆发动机的滚动轴承恰好处在

改良与推行使用环节.

4

第二章相关概述

2.1轴承结构

参照车辆发动机的架构，与此同时参照海外同种轴承，这种轴承选用双列角

的接触球轴承，2个内圈之间添加内隔圈。内圈带有斜坡，外圈的双挡边进行指

引，结果便于轴承在极高的速度下转动的时候确保它的平稳性。内圈和内隔弱并

未选用总体策划，方便对轴承实施装拆，而且方便修配预紧力。车辆发动机的滚

动轴承架构的展示图参见图2-1。

图2-1汽车发动机滚动轴承结构示意图

2.2轴承的应用

轴承可分为好多种，按照传力介质，可分为：球轴承、圆柱轴承、圆锥轴承

和滚针轴承。

依据运动的样式，能够划为滑动型和滚动型这两类轴承。

依据受力的样式，能够华划为向心型、推力型与向心推力型这三类轴承。

它的效用就是支持，然而这仅仅是其效用的一个构成方面，支持它的本质其

实是可以承受径向的载荷。同样能够对轴实施固定去完成运转，从而调控它在轴

向和径向方面的移动。

如果电机缺少轴承，那么最终基本无法运行。由丁轴也许会向任意方向进行

运动，然而电机运行的时候仅仅能实施旋转。

从思想方面分析，无法完成传动的效用，另外，轴承也会干扰到传动，想要

减小这些干扰在高速轴的轴承中务必完成优质的润滑，一些轴承自身早已具有润

滑，称为预润滑轴承，但是大部分的轴承务必具有润滑油，确保在以极高的速度

运行的时候，并未因为摩擦而增大能耗，甚至毁坏轴承。

5

将滑动摩擦转成滚动摩擦这种讲法是单方面的，由于有一类称为滑动轴承的

元件。

轴承在行业中的作用：

（1）冶炼厂、矿山、钢铁厂轧压机械装备的耐力轴承。

（2）发电厂、燃机、电机厂动力装备条件较高的轴承。这些装备大部分是

持续运行，轴承的受力极大，装拆比较繁琐，更换较难，因此需要轴承的品质非

常平稳，并且耐磨耐压，普通厂商大部分会选用进口，比如瑞典SKF轴承、KOYO

轴承等一系列相关的进口轴承的品牌。

（3）印刷、包装机械、食品机械、非凡轴承与外球面的轴承。

（4）塑料、化纤矶械、薄膜拉伸、非凡轴承与高温轴承。由于技术不断进

步，这些机械装备持续改良，改变突飞猛进；如果海外有，那么我国境内会以极

快的速度出现，和其搭配应用的轴承同样跟着叶故纳新.传输带大多是东莞TR

与南安台资FS牌的外球面轴承，极易进行装设，更换也比较便利，倍受客户的

喜爱。主机的核心方面有些会选用进口轴承。与此同时还有关节轴承、单向轴承、

BOPP、PVC拉伸薄膜装备烘干箱内的高温轴承等一系列相关部分。

（5）玩具、钟表、电子、音像装备的精巧轴零。

（6）纺织、洗染，制鞋、烟草机械选取轴承。这部分轴承比较小巧，有效

耐用，需要的转动速度较高，需要的噪声偏小，必须由实力庞大的厂商进行生产。

由于其装备具有极强的专用特性，各个厂家的策划不一样，选用轴承同样并不完

全一样，通常不能将现货准备齐全，有的时候同样极难找出（唯有频繁来往用户

方可具有一定的认识，用来应对紧急情况），因此提议客户能够用一备一，防止

暂停工作等待器件，由此干扰生产。

（7）啤泗、饮料装备、医药装备选取轴承。

（8）破碎、陶宽机械、精细化工机械选取粕承。这部分装备运行的条件较

弱，大部分会出现水雾、酸碱等一系列相关干扰要素，对于轴承的密封特性具有

极高的要求，最佳的办法就是能够适时放入油脂。

6

第三章汽车发动机滚动轴承的结构分析和参数设计

关于车辆发动机中的滚动轴承，它在运行过程中，具有较高的精密度，具有

较高的温度与运转速度等一系列相关特点，然而升压器对于轴承的条件为:在较

高的温度和速度等一系列相关的特别情况下具备较高的牢靠性，振动较弱，噪音

较小，并且具有较高的轴向载荷实力。所以应当对于干扰轴承特性的轴承物料、

架构等•一系列相关部分实施精细的解析，确认科学的策划参变量。

3.1轴承材料

关于轴承而言，它的特性首要由轴承物料确定，所以选取轴承物料这个环节

极为关键。由于车辆发动机技术以极快的速度不断进步，想要确保轴承得到较长

的使用寿命，较长久的高精密度与较小的摩擦还有特别情况下的独有特性，各个

国家均在研发制造新的能够耐高温并且具有较高的纯度的轴承物料。

3.1.1套圈材料

因为轴承需要运行在较高的温度与牢靠性等一系列相关的环境下，因此轴承

物料应当具备较高的强度，能够耐受磨损，在较高的温度下能够维持热硬度等一

系列相关特性。

(1)高温硬度

轴承物料的硬度其实就是轴承耐磨性的核心要素，如果硬度减小，那么耐磨

性会减小。轴承的套圈与滚动体准许的极小硬度是HRCS8,如果硬度偏小，那

么将干扰轴承的使用寿命。很多物料的硬度均会因为温度的增加而减小，所以选

取热硬度较高的物料。

(2)尺寸的平稳性

这种特性其实是轴承物料的一项核心特性。釉承钢通过过淬火与回火之后,

在钢结构内依旧具有较少的残留奥氏体。在应用流程内残留的奥氏体逐步细分,

体积膨大，进而引发时效的改变。由于温度不断提升从而推进奥氏体的细分，进

而引发较大的尺寸改变。表3.1给出了两类经常使用的物料，它们在差别温度下

维持1000小时之后的尺寸改变(10-6)尺寸平稳性实验信息为下。

表3.1尺寸平稳性实验信息

材料牌号204℃315℃426℃538℃

GCrl5+55+742+1030+1215

7

Cr4Mo4V+12+22+27+50

通过表3.1能够发现，比起GCr15这种物料，Cr4Mo4V这种物料在较高的

温度下在尺寸方面具有较高的平稳性。

（3）耐高温物料

经常使用的GCr15轴承钢，具备极高的强度、延展性与耐磨特性，然而硬

度和尺寸平稳特性会因为温度增加而快速减小，所以无法符合车辆发动机中有关

滚动轴承的相关条件。

①高速工具钢

这种钢具有优质的高温硬度（可以耐受3500度的温度）与疲劳强度，将其当

作轴承物料早己获得普遍的使用。这种钢能够划为铝系钢与铝系钢这两个类别,

因为各个国家的资源有别，各个国家普遍应用的钢的类型有所差别。俄、英等国

关于耐热轴承的物料广泛选用W18Cr4V这个规格的鸨系钢，美、法等国关于耐热

轴承物料广泛选用Cr4Mo4V这个规格的铝系钢，中国当前首要选用Cr4Mo4V。在

轴承钢冶炼部分，想要降低物料内的非金属夹杂物，大部分选用真空冶炼的办法,

结果能够极大程度上提升轴承的使用寿命。比如中国刚研发得到的双真空冶炼的

规格为8Cr4Mo4V的物料，它的氧含量指标是[0]}10X10-6,极大程度上提升了轴

承的纯度，提升了它的耐疲劳强度与物料自身的牢靠特性。

②高温表面渗碳轴承钢

部分轴承选用了高温表面渗碳钢，首要是高温渗碳钢的表层硬化之后，其硬

度能够实现HRC58-63,具有极高的耐磨特性，与此同时芯部具备极佳的韧性,

能够忍受极高的冲击载荷，即便轴承表层出现脱落与裂纹同样极难进行拓展，可

以耐受3500度的高温，一般应用在滚子轴承中。关于套圈含有装设边的轴承，

能够防止在装设边和轴承套圈的转接位置由于应力集中从而形成裂痕。经常使用

的物料包含电渣重熔的Cr4MoNi4V<MSONiL）轴承钢与中国刚研发出的双真空高温

渗碳轴承钢G13Cr4MoNi4V,这种钢的氧含量指标是15x10色能够大幅提升轴

承的纯度，同样提升了轴承抵抗疲劳的强度与物料自身的牢靠特性。

3.1.2滚动体材料

想要确保轴承在极高的温度下进行运作，当前早已顺利研发得到烧结碳化物

与陶瓷物料当作轴承滚动体的物料。大家对于碳化鸨、碳化钦、碳化硅、硅化铝，

8

特别是氮化硅这部分物料始终实施一定的探究。如果温度增加，那么此类物料依

旧具备较高的硬度和抗腐蚀性，并且具有部分独有的属性，当中部分属性是极为

有益的，比如氮化硅的具有较小的密度，它的化学平稳性较佳，并且和钢套圜亲

和力较小，摩擦偏弱，发热量较低，功耗较小，能够提升轴承的高速特性和耐温

升的实力。各类滚动体物料的特性在表3.2展示，氮化硅具备极低的密度与极高

的弹性模量。

表3.2滚动体物料的特性

材料硬度最高使密度/弹性模量/泊松热膨胀系数’

HRC用温度(gcm(103Mpa)比(IO-61D

/C3)

440C不锈钢622607.82000.2810.1

M50工具钢643207.61900.2812.3

M2工具钢664807.61900.2812.3

T5工具钢655608.81900.2811.3

T15工具钢675908.21900.2811.9

碳化钛陶瓷67800633900.2310.47

碳化鸨7881514.05330.245.9

氮化硅7812003.23100.262.9

碳化硅9012003.24100.255.0

硅化铝781300332880.233.0

3.1.3保持架材料

在速度极高的轴承内，轴承发生毁坏通常是因为维持架出现损坏等一系列相

关因素导致，所以维持架物料不仅需要能够抗高温，而且需要具备优质的抗磨特

性。因为维持架选用偏硬的物料将造成滚动体受损，所以对于维持架物料在硬度

方面没有太高的需求。维持架不但需要具备较高的抗磨性，而且应当具备极高的

抗疲劳特性。

想要降低轴承的摩擦损耗，维持架应当具有较小的重量，所以维持架应当选

取密度偏小的物料。另外由于维持架的架构极为繁杂，因此维持架物料的加工特

性极佳。

9

全面思考，对于维持架物料指出下列条件：

（1）在运作温度下具备极高的机械强度；

（2）优质的耐磨恃性；

（3）接近于套圈物料的热膨胀系数；

（4）优质的疲劳强度与延展特性；

（5）重量较小，密度偏低。

轴承维持架经常选用的物料包含黄铜、铝青铜QA110-3-1.5、硅锲青铜

QSil-3与钢。当中主要是青铜，由于它具备抵抗高温和氧化等一系列相关特性,

目前在轴承内正在逐步被普遍选用。

全面思考上述解析与轴承的运行环境，这个项目最后选取的轴承物料在表

3.3展示。

表3.3关于轴承物料的选取

项目材料

套圈真空感应十真空自耗融真空）8Cr4Mo4V

滚动体氮化硅Si3N4

保持架铝青铜QA110-3—1.5

3.2轴承结构

参照车辆发动机的架构，与此同时参照海外同种轴承，这种轴承选用双列角

接触球轴承，2个内圈之间添加内隔圈。内圈带有斜坡，外圈有双挡边的指弓I，

结果能够确保轴承在较高的速度下平稳运行。内圈和内隔圈没有选用总体策划,

方便轴承实施装拆，也方便对预紧力实施修配。

车辆发动机有关滚动轴承的架构展示图参见图3.1。

10

图3.1汽车发动机滚动轴承结构示意图

3.3轴承主参数设计

331接触角的选择

关于轴承的接触角，它是角接触球轴承的一项核心的性能参变量。接触角会

干扰轴承的轴向承受实力和轴向刚度，同样会干扰到轴承的负载布.设、应用寿命

等一系列相关部分。由于接触角不断增加，极大接触应力会降低，然而旋滚比会

增加，将增大发热与损耗，因此最后确认接触角是15o

3.3.2球径、球数的选择

球径和球数干扰了轴承的相关特性，如果球数确定，那么在这种状况下，球

径愈大，轴承的极大接触应力就愈低，旋滚比就会愈大。通过图3.2能够发现,

球径愈大，中心径的过梁将减小，过梁会变得特别单薄。如果球径确定，那么在

这种状况下，球数愈多，轴承的极大接触应力会愈小，旋滚比就会愈大，通过图

3.3发现，由于球径不断增加，中心径的过梁会减小，过梁会变得特别单薄。

U

T

U

I

、

条

n：

起

口

、

二

一

图3.2球径和中心径过梁的关联

11

-

-

-

-

-

-

-小,了施滑较轴内的施动重的

-极m置实速比，承架实活自高

-m

-间5设中快承中轴持架架靠较

-3.境。

-孔6中承于轴维持持依以

-兜槽轴由是环小良维维候在

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5-1径，扰。。

梁.1-1持转持毁现此言的结

5.-荷

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心0-系比5径性荷层而部击

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径色-关外，特载表。。加的冲

―-0滚是经部持速

球母-1的的，载速到的段动增近的

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-梁、承负。快受孔阶复

-触边相滑的心临

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-/挡列有载质心

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-目到系然且负的中

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-数流一轴而承架承

-体中接体会一轴扰引性，且

-孔等载轴持轴

-球与大动的主干指特转并21

-油油孔承为维至

-目极滚滑要了的的靠旋。动

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厚动油滑而遍的损构转程降度

壁滚进润动普承受架公过下速

3.5.2保持架的结构

（1）关于维持架的架构策划

在滚动轴承内，维持架能够发挥等间距分隔滚动体并且避免其滑落，指引并

且推动滚动体旋转的效用。策划维持架的架构过程中，应当思考确保其具备充足

的强度与极小的重量，外形架构同样需要便于冷却、润滑、降低振动与受力。

滚动轴承的维持架能够划为冲压型与实体型两个类别，关于升压器轴承，因

为温度较高、速度较高、负载较高这些运行环境，大部分选用实体型的维持架。

对于角接触球轴承的维持架，它的架构通常划为冠型维持架与浪型维持架。对于

前者，它是参照策划条件选取冲床把精密加工成的带状不锈钢通过总体冲压得到,

所以它维持了强度，在插入钢球轴承的时候没有发生变形，球袋位置加工好之后

能够和钢球球面比较平滑的进行对接。对于后者，它具备根据钢球形成的球型口

袋，它通过一对使用钢板冲压生成的元件拼装得到，经过某个元件中的爪子固定

至另外1个元件中。

如果符合强度条件，那么维持架在厚度方面应当最大限度的小，结果能够降

低重量，不会压坏指引面位置的油膜。

关于轴承的维持架，它通常在表层镀银，其效用为:1发动机开启的时候，降

低轴承在摩擦环境下维持架与滚动体的损坏，减弱摩擦力。如果发动机关停，因

为转子会具有惯性效用，润滑体系早已终止运行，比起日常运行，轴承腔内的温

度会提升50-1000C之上，轴承内腔的润滑油降低并且干枯，油膜遭到损坏，镀

银层会发挥润滑的效用。2减弱滚动体对于维持架的碰撞与接触应力。滚动体和

维持架的转动流程内，其实属于滑动接触。如果发动机的转子处在加速或是减速

的状态，维持架在惯性效用下，滚动体碰撞维持架将导致极大的接触应力与热量

聚集。确保维持架极易受损和发热。因为维持架的银层具有极小的硬度，在滚动

体碰撞的时候能够生成极大的凹沟，增加接触的面积，减小接触的应力，降低热

量的汇集。

（2）关于维持架指引样式的选取

关于轴承维持架的指引样式包含滚动体指引、内圈指引与外圈指引这3个类

别，选取指引样式的时候应当全面思考轴承架构与供油润滑的样式。初期的发动

13

机轴承有些会选用滚动体指引，然而因为在快速运行的时候，维持架的回转玦乏

平稳性，因此目前极少选用，大部分会选用内圈指引与外圈指引。

关于内、外圈的指引样式，它们均有自己的优势和劣势，比起内圈指引，外

圈指引的优点包含：1涧滑剂极易流入轴承内在，确保其获得优质的润滑;2由于外

圈的温度偏小，外指引面的摩擦形成的热量能够获得优良的拓展;3外指引能够确

保维持架指引面的磨损比较匀称，并且确保维持架的过梁尺寸偏大，极易保障维

持架的强度，并且维持架的振动偏低。其缺陷就是:1因为离心力与热膨胀的产生，

结果指引面间的间距降低，极易增加损耗;2轴承内在的杂物极难向外排放。3维

持架的尺寸增加，故而重量与惯性力会增加，强度和重量之比偏低。内圈指引刚

好与之相反，尤其是内指引可以对维持架供应推动力，便于降低或避免轴承形成

高速轻载打滑。缺陷就是务必具有充足的润滑油。外指引通常使用在高速、载荷

平稳的状况;内指引适宜使用在高速、负载不够平稳的状况.

总而言之，轴承的维持架指引样式会选用外圈指引。

(3)关于指引间距的选取

关于高速的滚动轴承而言，其极为严峻的受损部分是维持架的指引面与兜孔,

它们处在纯滑动形态下并且滑动的速率偏高。维持架的指引面和套圈指引挡边之

间的相对移动能够当作是长径极小的滑动轴承，维持架的偏心移动能够生成油楔,

然而由于长径极小，承受的实力偏低，所以维持架的指引面大部分处在临界润滑

或极限临界润滑的形态。轴承维持架策划的时候应当选取适宜的指引间距，力争

生成百分之百的油膜润滑，最大限度防止金属彼此间的碰触。

尽管指引间距较小便于降低作用在维持架中的力，然而间距过小将引发维持

架与套圈由于摩擦增强而遭到毁坏。确认指引间距的理想值务必思考:1高速转动

的时候因为离心力引发的维持架扭曲;2维持架与套圈引发的热扭曲;3轴承元件

与轴或轴承座的搭配尺寸;4润滑剂在流动过程中要求的间距等。中国目前执行的

策划规则界定，滚子轴承中指引间距值通常是0.15-0.Smm,外指引间距通常是

0.3-1.Omm。这种轴承的维持架的指引间距设为Q2mm。

(4)关于维持架的兜孔

想要降低维持架的冲击和振动，海外的维持架兜孔尺寸通常满足以下式子：

Ac=(l+5%)£>}v

14

其中，Ac代表维持架的兜孔尺寸;Dw代表滚动体的直径。

关于维持架，椭圆兜孔比起圆兜孔，滚动体和兜孔的碰触面积增加，降低了

接触应力和磨损。参照车辆发动机中滚动轴承的特征和所处的具体情况，轴承的

维持架会选用椭圆直兜孔的实体维持架，表层会镀银，外指引，周向间距设定为

0.4mm,轴向间距设定为0.2mm。

3.6轴承润滑方式

轴承在转动的时候，一来，在滚动体与轴承的内外套圈滚道间，润滑剂能够

生成润滑油膜;二来，滚动体将遭到润滑剂的摩擦力和油气混合物的阻力的干扰。

在以极高的速度运行的时候，润滑剂与润滑样式对于轴承的干扰极大。

参见图3.4,轴承承载联合负载（轴向载荷用Fa代表，径向载荷用Fr代表，

它们均为300N）,由低速至高速（转速。-80000r/min）,通过油雾进行润滑的时候

摩擦力矩极低，逋过脂进行润滑的时候，轴承的摩擦力矩极高。在进行高速转动

的时候，轴承的温度符显著提高，结果润滑脂会恶化，加重损坏的程度，毁坏轴

承，因此脂润滑并无法适于高速轴承。因此在高速转动的时候，供油量偏多或是

偏少均会产生不良的后果，通过油雾进行润滑的样式极其适合应用在高速轴承中。

(

u

r

u

n

)

£

7

里

W

图3.4差别润滑样式下摩擦力矩和转动速度的关联

15

第四章汽车发动机滚动轴承的动力学分析

4.1轴承分析模型的建立

4.1.1轴承坐标系统的建立

这个章节依次创建了轴承坐标系、球坐标系与接触面坐标系。经过这些坐标

系陈述轴承中各类器件在活动流程内的实时状况，还有在弹流接触面中的各类部

分作用力与速率。

（1）关于轴承坐标系

这种坐标系记作$={o;x,Y,z},在图4.1展示，因为这种坐标系在空间内

会固定不变，所以也叫做静坐标系。将轴承某个端面的中心当作轴承坐标系s的

原点，x轴和轴承的轴线方向能够重合。在动力学的解析模块内，轴承中各个器

件的方位、速率、加速度还有彼此的作用力均在这种坐标系内进行展示.

蝌林中C

图4.1轴承坐标系

（2）关于球坐标系

这种坐标系其实就是动坐标系，记作为={。切;X,），/},在图4.1展示，球坐

标系％的原点。包在受测滚动体的球心位置，打代表球的方位角;Y轴和静坐标系

轴X一直保持平行;x轴会从球心位置引出，和静坐标系的X轴一直保持垂直，

并且指向轴承内在;z轴通过右手法则进行确认，方向和球的滚动导向重合。球的

自转速率与维持架的兜孔中心相较于球中心的位移都会在球坐标系与内衡量。

下标j代表受测球的标号;在这个章节内想要方便书写，展示图内均省掉了下标。

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（3）关于接触面的坐标系

关于接触面的部分坐标系能够记作S/“（2）j={。〃彳,〃},在图4.2展示。

图4.2接触面的坐标系

这种坐标系的原点设置在受测接触面的中心位置，J轴代表接触椭圆的短轴,

并且指向碰触物的滚动方向；"轴代表接触椭圆的长轴，并且指向受压元件内。

卜标“1（2）”代表球和外滚道⑴或内滚道⑵的接触面（卜.同）。

4.1.2轴承内部结构元件间的相互作用

探究轴承内在作用模块非常繁杂，这种模块在下列2个假定情况下创建形

成：1外圈保持固定不变，内圈绕着它的轴线进行旋转并且能够实施三维平动，维

持架与球能够随意运转与平动;2模块内各类刚性器件几何扭曲只是出现在部分

接触部位，并且接触扭曲能够满足赫兹理论。

球和滚道间在百分之百弹流润滑的形态下会被弹流的油膜分隔，然而这并未

干扰轴承内在负载的布设和接触面中的应力和应变特点，因此依旧使用赫兹理论

进行解析。

第J个球和滚道间的法向接触力e1（2）y能够展示为二者的弹性趋近量a⑵）的

函数：

Q（2）J=K|（2〃♦*小N）（4-1）

其中，Kl（2）j代表球与滚道接触部位的负载一扭曲常量。

（1）负载一变形常量匕⑵,

•⑵广吟⑵产新⑵心如/（4.5「：⑵p（N/加5）（4-2）

《=q如仙例•=1.0339（%）/%图）03（4-3）

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E'=[0.5（1-孑/g+（1-岐）/旦）]-1（4-4）

我1⑵j=凶（2环/⑵〃j/（为⑵仃+&2切）]（加）（4-5）

R^=0.5Dw（dm+Dwcosa02）/<„（w）（4-6）

=0.5Dw（Jm4-Dwcosa01）/d,n（m）（4-7）

勺2M"⑵4，/（2力⑵-1）（M（4-8）

%）j=»-0003+0.5968/（/?1（2）^./用⑵赘）（4-9）

[⑵/=1.5277+0.6023ln（&2M/&2切）（4-10）

其中，为代表球和外滚道的原始接触角，rad;%2代表球和内滚道的原始接

触角，rad;£）“,代表球的直径，m；4”代表轴承节圆的直径，m;/⑵代表沟曲率的

半径系数，下标1、2依次代表外滚道和内滚道。

通过式子（3-1）发现，确认之后,仅用求得折⑵,•，便能够获得法向接触

力Q（2）J°

（2）球和滚道的弹性趋近量6⑵,

关于％2）,，能够通过滚道沟曲率中心相较于球中心的位置矢量嬴卯进行确

认，参见图4.3的展示。想要方便书写，图中的2标符省掉了对应的下标。

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第五章汽车发动机轴承的设计

5.1设计过程

（1）当受到较大的径向载荷和较小的轴向载荷时，宜选用带有一定接触角

的轴承，接触角越大，轴承所能承受的轴向力越大。

（2）有冲击载荷时宜选用滚子轴承。

（3）高速运转的轴承，滚动体越小，轴承所能承受的极限转速越高。

综上所述，由轴承的安装和受力的需要，把轴承设计成（图一）所示的结构：

轴承的设计中，因其承受能力和疲劳寿命的长短与滚动体以及与滚动体接触

的零部件密切相关。因此，轴承的设计以滚动体的设计主导，其他零部件的设计

则以配合滚动体的安装为准则，再通过必要的力学性能的校核。

由轴承服务的对象是由10个轮组成的载重货车，并且货车的额定载重为20

吨。

得每个轴承所需承担的载荷的能力为：FN=2x2,。。=40KN（2为安全

系数）。

所设计轴承的基本额定静载荷Cor=175.5KN基本额定动载荷Cr=251KN

则一列滚动体所承受的基本额定动载荷Cr=125.5KN

因轴承由两列滚动体承担，则每一列滚动体所受到的当量静载荷为F=4（）+

2=20KN由于圆锥滚子轴承的接触角为15.5°

故径向载荷/7r=20xcosl5.5=19.41K7V轴向载荷扛二

20xsinl5.5=4.82/W

查手册可知e=0.416

确定径向载荷和轴向载荷的载荷系数X、Y

F/sinl5.5r

1VL=------=0.227<e=0.416

/rrcosl5.5

所以X取1,Y®1.6

则轴承的当量动载荷p=