汽车发动机工作时,燃料燃烧所释放出来的能量推动曲轴连杆机构运动,同时也使发动机温度迅速升高,如果发动机的温度过高,就会出现摩擦副磨损加剧、零件的机械性能下降等问题,为使发动机正常工作,并使之保持一定的热力状态,需要通过冷却系统对发动机进行适度的冷却。
水泵为汽车的冷却系统提供动力,它通过轴承带动叶轮旋转,使冷却液获得压力和速度,从而克服冷却系统流道的阻力把冷却液输送到相关部位,水泵一般由泵体、叶轮、轴承、水封和带轮等组成,汽车水泵结构紧凑,工况较为恶劣,稳定性及寿命要求高,这些因素对汽车水泵的设计提出更高的要求。
轴承失效是水泵失效的一个主要原因,轴承的失效,轻者使发动机停止工作,重者损坏发动机,因此,必须对轴承的装配设计和装配工艺进行全面分析,消除设计及工艺上的隐患,提高轴承的使用寿命。
1 水泵轴承的装配设计
受发动机零件布置的限制,汽车水泵结构紧凑,一般使用轴连轴承,它在内轴上开沟槽,钢球或滚子直接在内轴的滚道中运转,节省了轴承的内圈.从结构上划分,轴连轴承主要有双列球结构(WB型,如图1a所示)和一列滚子一列球结构(WR型,如图1b所示).WB型轴承结构简单,适用于径向载荷较小的场合,WR型轴承适用于滚子列承受较大径向载荷的场合。
图1 轴连轴承的结构
轴连轴承在国外已经标准化了,国内的轴承厂也生产出很多不同规格的产品.在水泵设计时,可以直接选用,以减少开发成本、缩短开发时间.这种情况下轴承的寿命校核尤为重要,因为轴承的寿命不仅跟自身设计有关,还跟使用方法也有很大的关系.轴承在水泵中的装配位置,决定了水泵所受载荷在两排钢球或滚子之间的分配关系,从而导致不同列的钢球或滚子寿命的差异,而轴承的寿命是由寿命最短的那列钢球决定的.在做水泵的装配位置设计时,要尽量让载荷分配后不同列的钢球或滚子的寿命相近.下面以某款水泵为例子,分析轴承装配位置对其寿命的影响。
该款水泵的皮带张紧力和水泵受力如表1所示:
表1 皮带张紧力和水泵受力
注:水泵与发动机的转速比为0.898,表中q为各转速下的运转时间占发动机总运转时间的百分比。
该款水泵通过正时皮带带动,在正时轮系的设计方案确定后,水泵所受径向载荷的大小和位置也确定了,但在保证水泵外围尺寸不变的情况下,轴承的装配位置是可以调整的.如图2所示,轴承受到的径向载荷为Fr,为方便表示轴承与载荷的相对位置,载荷Fr到轴承外圈边缘的距离表示为L,轴承的受力如图3所示,以内轴为受力分析对象,它受到径向载荷Fr、钢球A 的支撑力Fa和钢球B的支撑力Fb的作用,根据力的平衡和力矩平衡原理,可以得到以下方程式:
从以上(1)(2)(3)式可以看出,随着轴承装配位置L的变化,钢球的受力也随之变化.取轴承装配的不同位置,即L的不同值,可以得到各个位置下两列钢球所受的力Fa和Fb。
图2 水泵所受载荷示意图
图3 轴承内轴受力示意图
式中,n为轴承转速;Cr为轴承的基本额定载荷;P为轴承的当量动载荷,是Fa和Fb中的较大值与水泵轴向力的合力。