国外水泵轴承的设计与应用

水泵轴承的寿命取决于两列滚动体的寿命, 每列滚动体相当于一个单独的轴承。因此, 水泵轴 承的寿命可按球轴承或滚子轴承寿命计算方法计
算, 其计算式如下:
L 10 =
(C )Ε P
或
Lh
=
106 ( C ) Ε 60n P
带有偏心和回转载荷的组件在运动方向上都不是 静止的, 而是与轴一起转动。这种情况如果严重将 改变滚道的加载模式, 成为主轴滚道点加载, 外圈 滚道 360°圆周加载。而通常水泵轴承外圈滚道为 点加载情况, 主轴滚道为整个圆周加载。
为了避免在安装过程中划伤轻合金轴承座孔 和叶片孔等装配件的配合表面, N SK 等将轴承心
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轴及外圈的装配倒角设 计为 15°圆滑过渡大倒 角。
N SK 等轴承公司通过对水泵轴承采取的以 上重点设计, 从而确保了汽车水泵轴承的高耐久 性和高可靠性, 完全满足了高性能发动机的要求。
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叙词: 关节轴承 自润滑轴承 铝合金 磨损试验 磨损试验机
(1) 是一种增稠的尿素混合物, 有较高的抗水、耐
P 当量动载荷, N
热功能, 因而在很长时间内保持其固有的润滑性 能; (2) 该脂的基础油是多聚初级烯族烃, 有较高 的抗氧化能力和高热稳定性, 轴承温升时, 可防止 油脂质量变坏或轴承产生滞塞现象; (3) 该脂有防 止轴承生锈的功能。 将W PH 脂、高温润滑脂 (合 成碳氢化合物) 和万能润滑脂 (锂基脂) 分别填充 到水泵轴承后进行抗水性试验 (试验条件: 每天注 入轴承内部 0. 5 m l 水, 温度 80 ℃, 在离开外圈端 面 10 mm 处心轴上加载 171. 5 N , 其他条件和方 法同密封圈耐久性试验) 和耐高温性试验 (试验条 件: 温度 140 ℃, 其余条件和方法同密封圈耐久性 试验) , 结果表明, 高温脂耐高温性好, 但抗水性 差; 万能润滑脂抗水性好但耐高温性差, 而W PH
参考文献
1 H igh D u rab ility N SK W ater Pum p Bearings. 1992 2 Koyo W ater Pum p Bearings. 1987. 3 FA G W ater Pum p Bearings. 4 SKF W ater Pum p Sp indle A ssem b lies. 1978.
的影响。 采用这些程序可大大提高水泵轴承寿命
的计算精度, 尤其是当皮带力作用在主轴一端从
而引起相当大的轴弯曲时。
脂的抗水、耐高温性均好于这两种脂。 FA G 公司 采用可耐 250°F 温度的润滑脂, 但特别强调油脂 必须有高的洁净度, 以提高轴承寿命。 SKF 公司 采用高质量的锂基润滑脂, 这种脂不溶于水, 甚至 在有水的情况下也可防止腐蚀, 并能适用于较大 的温度范围。 国外轴承公司对水泵轴承的填脂量 规定为占轴承内部空间的 30◊ ～ 50◊ 。
第一作者: 蔡亚新 该厂轴研所副所长, 工程师
(收稿日期: 1998211226) (编Байду номын сангаас: 吕成银)
采用 МДА292 自动超精机 加工球轴承内圈沟道
洛阳轴承研究所 (河南洛阳 471039) 邓流芳摘译 哈尔滨轴承股份有限公司 (黑龙江哈尔滨 150036) 马 纯 校
轴承的精度与寿命主要取决于套圈和滚动体 的滚动表面的几何形状精度、波纹度和粗糙度[ 1 ]。 当套圈在 МДА292[2] 型自动超精机上采用多油石 超精沟道时, 上述精度指标与加工过程中的下列 参数有关: 套圈的圆周速度、油石旋转频率及其在 加工表面上的压力、加工时间。改变上述参数值以 及变更油石的特性, 可以制定超精研工艺规范, 以 便获得高的加工质量, 实现最高的生产效率。
水泵轴承装配时一次性填脂后不再更换, 因
n 轴承转速, r m in
此润滑脂的选用十分重要, 脂质量的高低直接影
Ε 指数, 对于球轴承, Ε= 3; 对于滚子
响轴承性能和寿命。N SK 公司研制开发了适用于
轴承, Ε= 10 3
水泵轴承的 W PH 润滑脂, 该脂具有以下特点:
C 基本额定载荷, N
KO YO 公司采用晴橡胶制造的 R S 型密封 圈, 密封圈内径也为双唇结构, 具有良好的抗浸水 性和稳定的抗漏脂性。 SKF 公司则采用防油、防 水的丙烯酸晴丁二烯橡胶作为密封圈材料。
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图1
4 水泵轴承润滑脂的选用
式中 L 10
Lh
基本额定寿命, ×106 转 基本额定寿命, h
5 水泵轴承的寿命
6 水泵轴承的安装
水泵轴承的安装需十分小心, 因为一旦灰尘 或碎屑进入轴承滚道时, 将增大噪声和振动, 甚至 失效。 安装前, 单元组件必须一直放在原始包装 内, 不要除去防尘防腐包装。
如果安装过程中, 被安装部件带有偏心或在 配合表面产生偏心, 将产生不平衡载荷。偏心组件 在旋转中将产生倾斜摆动, 会形成回转力矩。所有
因此, 在水泵轴承的安装中, 必须强调各组件 应以主轴轴线为中心对中, 然后再使用压力机安 装。 在任何时候都不能直接敲击外圈或轴。
7 其他方面的设计
N SK 等轴承公司水泵轴承的标准设计均采 用塑料保持架, 保持架最大容许温度 120 ℃, 具有 重量轻、装配方便等优点。在特殊场合使用的水泵 轴承, 也采用碳钢板冲压保持架。
3 高性能的密封圈
水泵轴承装配时一次性填脂, 终生润滑, 使用 环境潮湿有水, 而漏脂和水 (或水+ 冷却剂) 进入 轴承内部均会影响轴承润滑, 使油膜不能充分形 成, 甚至产生锈蚀, 滚动表面疲劳会提前出现, 轴 承寿命急骤下降。 因而各轴承公司均把水泵轴承 的密封作为设计的关键。N SK 公司根据轴承不同 的使用环境, 先后开发设计出了 R 型、HR 型和 W HR 型三种密封结构 (见图 1) , 均具有良好的防 漏脂和防水侵入功能。其中 HR 型是 R 型的改进 型, 密封圈外径处橡胶与外圈牙口凹槽紧配合, 完 全阻止了油脂的外泄和水的浸入; 密封圈内径采 用双唇结构, 主唇的防水渗入能力较强, 第二唇可 有效防止润滑脂的泄露, 尤其适用于发动机有振 动和心轴承受不平衡力而产生跳动的情形。W RH 型密封结构除具有 HR 型密封圈的特点外, 由于 第三唇和不锈钢抛油环的作用, 水不能进入主唇 处, 从而避免了 HR 型因主唇处的锈蚀而产生密 封唇的磨损, 提高了密封可靠性和轴承的使用寿 命。
每一批试样由三个工件组成。 超精研前后均 在 T a ly rond 73 型测量仪上, 测量每一工件 ( 沟 道) 的圆度、波纹度, 并计算其平均值, 同时算出批 平均值。 轴向截面内的沟道半径用装有微处理器 的M PR T 220C 测量仪进行测量。
能保证沟道表面粗糙度 R a 在 0. 08～ 0. 12 Λm 内的工艺规范是: 采用 63CM 7CM 1 油石, 压 力 F = 60～ 80 N , 加工持续时间 t= 15～ 20 s, 油 石旋转频率 100～ 120 r m in, 工件轴转速 3 000 r m in。在采用上述规范时, 沟道表面粗糙度为 0. 05～ 0. 1 Λm (允许值为 0. 2 Λm ) , 圆度为 0. 6～ 1. 2 Λm (允许值为 2 Λm )。油石旋转频率在上述规定
2 水泵轴承径向游隙的设计
由于水泵轴承工作时承受偏置的、不平衡的 载荷, 心轴易产生倾斜、振动, 因此轴承原始内部
径向游隙直接影响轴承的性能和寿命。 国外各轴 承 公 司 对 水 泵 轴 承 径 向 游 隙 的 设 计 非 常 重 视。 N SK 认为, 当径向游隙为微小的负数时, 可期望 得到最长的轴承寿命, 但要达到这种理想的情况 是极为困难的, 而过量的负游隙将极大缩短轴承 寿命, 因此应选择一个稍大于零的游隙值为标准 游隙。N SK 公司标准游隙值为 0. 01～ 0. 04Λm ; FA G 和 KO YO 公司标准游隙值为 0. 01～ 0. 035 Λm ; 而 SKF 公司则根据使用要求和安装条件分 0. 01～ 0. 025 Λm、0. 015～ 0. 030 Λm 和 0. 020～ 0. 035 Λm 三组径向游隙。
P = X F r+ Y F a
Fr
径向载荷, N
Fa
轴向载荷, N
X
径向载荷系数
Y 轴向载荷系数
上述公式只考虑了载荷对寿命的影响, 通常
这对于某种轴承的粗略计算是十分必要的, 但在
许多情况下, 也应适当考虑其他因素对寿命的影
响。为此, SKF 开发了一套计算机程序, 可以考虑
主轴弯曲度和内部游隙以及其他因素对主轴单元
油石的最佳特性和超精研规范, 只有在具体 的工件加工过程的调整中加以选择, 从而保证滚 动表面的精度、最大生产率以及油石的最少消耗。
在 МДА292 型自动超精机上加工 36211 球轴
承内圈沟道的研究表明, 某些参数已发生变化, 如 油石特性、油石压力、加工持续时间和油石旋转频 率等, 按下述方式改变: 油石压力的调整→加工循 环持续时间的变化→力的变化→加工循环持续时 间的变化等, 参见图 1。 例如, 当油石压力 F = 40 ～ 100 N , 并以变化幅度 ∃F = 20 N 而改变时, 加 工循环持续时间 t 相应为 10～ 30 s, 相应的变化 幅度为 ∃ t= 5 s。
在 МДА292 型自动超精机上实现多油石超精 圆柱滚子轴承套圈的方法[3], 可以在更换部件的 情况下加工深沟球轴承和角接触球轴承内圈沟 道, 但在实际超精研时将有一定的困难, 因为, 如 果主轴床头架相对于工件头的转角超过一定大小 时, 可能引起油石破损, 除此之外, 在超精沟道时, 油石压力比超精滚子轴承滚道时大 2～ 3 倍, 也可 导致油石损坏[5 ]。
在这种情况下, 就会产生滚子边缘应力和单 列球轨迹不对中, 从而使保持架产生应力, 润滑剂 搅拌加强, 使轴承工作温度升高同时由于每列滚
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动体上增加了当量载荷, 将缩短轴承疲劳寿命。 为分析判断这些问题的严重性, FA G 公司应
用工程部研究了一套计算机服务系统, 以评估不 平衡 回转载荷的程度及其对寿命的影响。
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国外水泵轴承的设计与应用
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海红轴承厂
(陕西西安 710100)
蔡亚新 王金玉 编译
洛阳轴承研究所 (河南洛阳 471039) 肖 晖 张 葵
目前, 国际汽车工业的发展速度越来越快, 作 为汽车的“心脏” 发动机也随之向更强力、更 高效的方向发展, 因此对发动机水泵轴承的性能 提出了更高的要求。为了适应这种变化, 国际上许 多轴承公司如N SK、SKF 等纷纷成系列地研制开 发出了高寿命和高可靠性的汽车发动机水泵轴 承。 这种轴承一般设计为两种类型, 一种是双列 球型, 它结构简单, 适用于承受较小径向、轴向载 荷的大部分场合; 另一种是一列球一列滚子型, 这 类轴承既具有球轴承的特点 (可承受径向载荷, 又 可承受轴向载荷) , 又具有滚子轴承的优点 (可承 受高的径向载荷) , 尤其适用于高载荷和有冲击载 荷的场合。 一般在滚子一端的心轴上装有可能产 生不平衡载荷的皮带轮和风扇, 以提高轴承的寿 命。N SK 等公司把这两种类型水泵轴承的以下几 个方面作为设计重点。
1 高质量的材料和合理的结构
N SK 公司水泵轴承的外圈和滚动体材料选 用低含氧量、高洁净度的高碳铬轴承钢; 滚子设计 为带凸度滚子, 即使在偏置载荷下, 也可以避免边 缘应力的产生。心轴采用渗碳钢, 通过特殊的热处 理方法淬硬后, 心轴有一个“软”的心部, 有一定的 弹性, 预防心轴在安装和使用中断裂。在心轴的结 构设计中强调心轴台阶处必须圆滑过渡, 以防止 应力集中。FA G 公司水泵轴承的外圈及滚动体采 用高质量的、用真空脱气方法冶炼的 SA E52100 碳铬钢, 整体淬火, 淬透至 59～ 65 HRC; 而心轴 则采用 SA E (美国汽车工程师协会) 的 1070 钢制 造, 高频感应淬火后, 表面硬度为 58～ 64 HRC。 以上设计使轴承有高的疲劳寿命和稳定的抗断裂 性。