汽車水泵用非對稱雙列角接觸球軸承設計

林 波

（舍弗勒貿易（上海）有限公司，上海 201804）

1 前言

隨著汽車工業的發展，以大眾EA888為代表的新一代汽車發動機也越來越追求產品的大功率和高效率，而發動機的多樣性的設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過不斷的優化和發展，目前產品最為主流的設計是雙列球結構和一球一柱結構的模式。

2 水泵軸承載荷的分析

雙列對稱球軸承結構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；一球一柱結構則適用于皮帶輪端有高載荷和有沖擊載荷的場合。該結構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計結構，這種結構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，是一種更先進的設計方案。發動機的載荷曲線如下圖1。

圖1 發動機的載荷曲線

3 非對稱雙列角接觸球軸承結構設計

非對稱雙列角接觸球軸承設計結構如圖2 所示。

（1）外形結構上，軸承同樣根據發動機要求的尺寸設計，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計，靠近葉輪的一列，采用填球裝配角接觸球軸承設計方式，而在承載力較大的皮帶輪端的一列，鋼球的個數根據載荷的要求及內部空間計算得出；曲率上，外圈溝道都采用0.53～0.54的曲率系數，軸上的溝道采用0.51～0.52的曲率系數。

圖2 非對稱雙列角接觸球軸承結構

（3）由于皮帶輪端鋼球列的鋼球個數較多，實現不了填球角裝配，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選配裝好游隙的軸承上。

（5）設計軸承的接觸角度根據軸向游隙一般設計為20°～25o。

（6）設計徑向游隙采用標準設計的0.015～0.030mm。

（7）軸承獨特的密封設計

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部。舍弗勒公司根據各種不同的工況，開發了單唇、單唇加拋油環、雙唇和R-SAFE四種不同結構的密封圈（見圖3）。其中單唇結構是最經濟的方案，單唇帶拋油環結構具有經濟的反彈保護能力，雙唇結構比單唇結構具有更好的防水汽進入和油脂泄露的能力，R-SAFE結構是擁有專利保護的新型機構，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，在發動機的工作環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的BearinX軟件通過模擬載荷進行軸承的壽命計算和應力分析。

圖4 所示為非對稱雙列角接觸球軸承參數化壽命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分布，所以載荷的重心加載在正態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力分析的可視化視圖，可以根據應力的分布規律改進軸承的設計結構，提高軸承的應用壽命。

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力分析

5 結束語

舍弗勒公司通過多年的經驗積累和創新思路，設計了全新的非對稱雙列角接觸球水泵軸承。這種結構不但能優化軸承的承載形式，而且 能提高軸承的使用壽命，是一種低成本的經濟可行的設計方案。

[1]蔡亞新，等．國外水泵軸承的設計與應用[J]．軸承，1998，（6）．