汽车水泵轴承的装配设计及工艺研究

罗泽青(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州510640)

汽车水泵轴承的装配设计及工艺研究

罗泽青
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州510640)

旨在探讨从装配设计和装配工艺方面提高轴承寿命的方法.从装配设计方面，分析了轴承的不同装配位置对其寿命的影响，得到了满足轴承寿命要求的可装配区间;从装配工艺方面，分析了轴承装配工艺和夹具对其寿命的影响，提出了夹具设计要点.

汽车水泵;轴连轴承;轴承寿命;装配工艺

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

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

轴承的寿命计算公式为:

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.

结合表1、图2、图3和公式(1)(2)(3)(4)，可以得到图4所示轴承装配位置L和轴承寿命Lh之间的关系曲线:

图4 轴承装配位置与轴承寿命关系曲线

汽车水泵轴承的设计寿命一般要求不小于5000h，从图4可以得出，当载荷的位置L在7.7－14.0mm的区间内，轴承的寿命可以满足不小于5000h的要求，根据该结果就可以确定轴承的允许装配区间，再根据其它的尺寸约束确定轴承的具体装配位置.

如果因结构的限制，轴承无法装配在上述位置区间，就意味着轴承的寿命达不到设计要求，必须更换轴承型号或者选用一列滚子一列球结构的轴承.

在设计方面还有其它因素影响轴承的寿命，泄水孔的位置就是其中的一个.泄水孔的作用是及时排出从水封泄漏出来的冷却液，所以应该开设在水泵装配后的泵体下部，并在泵体的中部或上部开设另外一个孔以平衡泵体内部压力.如果在设计阶段没有考虑水泵的装配方向，就有可能出现泄水孔开错位置的问题.如图4所示，水泵安装后泄水孔在泵体的中部，这样冷却液就不能及时排出，积在泵体中而渗入到轴承内部，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.正确的泄水孔开设位置如图5所示，该位置可使冷却液及时排出泵体，避免因冷却液侵蚀导致轴承寿命缩短.

图5 错误的泄水孔位置

图6 正确的泄水孔位置

2 水泵轴承的装配工艺

轴承的装配工艺是影响轴承寿命的另一个重要因素.轴承在装配过程中，必须保证轴向中心线与装配孔对中，如果轴承压装倾斜，将会产生不平衡载荷，使钢球的载荷与滚道轨迹不重合，保持架产生额外应力，油脂搅拌加剧，从而使轴承的温度升高，同时钢球的当量载荷增大，这些因素都缩短轴承的使用寿命.

水泵轴承与泵体过盈配合，使用液压或者气动压力机压装，为监控压装情况，一般在设备上有压力监控仪器，轴承压装力如果超出设定范围，监控仪器就会自动报警，提示压装力异常，这种情况可能是压装过盈量太大，也可能是轴承在压装过程中发生倾斜，通过这种方法可以发现一些轴承压装异常情况.但因该方法的压力设定范围较大，以及设备压力检测精度等问题，对于一般的压装偏差设备很难发现，在实际生产中，压装过盈量靠泵体的加工精度保证，而压装对中要靠工装夹具保证.

下面以某款水泵为例，分析轴承压装工艺及夹具设计要点.

该款水泵的主要压装工艺如下:

(1)在轴承压装前，泵体先加热到100℃，使轴承孔因热胀内径增大，以减小压装力;

(2)因该款轴承外圈长度较短，为增大轴承的拉脱力，轴承压装时涂胶;

(3)因泵体壁厚小，压装时使用轴承孔壁做支撑，可防止壳体变形或压裂;

(4)压装机的压头压在轴承外圈，夹具上有压装行程限位;

(5)压装过程中，夹具上有导套套入轴承内轴，起到压装导向作用.

轴承的压装夹具如图6所示，在水泵的设计验证阶段，按上述工艺进行压装调试，并拿调试状态的水泵做1000h的单品试验，试验后轴承松动，转动时发出较大噪音，拆解后发现轴承的其中一列钢球表面已出现异常磨损，按照该状态，轴承不能达到5000h的寿命要求.经过全面调查，结论是轴承压装工艺的问题，在实物上可以看出轴承压装不对中，出现明显的压装倾斜.通过多次的工艺试验，以及对压装夹具的分析后认为，轴承压装不对中是压装夹具的问题:

(1)压装导套与定位块的同轴度太大，实测同轴度为0.07mm;

(2)导套与轴承内轴的间隙太大，实测为0.05－0.08 mm;

(3)压装开始时，导套套入轴承内轴的长度太小，为8mm.

以上3个因素都会使轴承在压装过程中定位精度不够而导致轴承压装倾斜.

对以上问题进行改善:

(1)保证压装导套与定位块的同轴度为0.01;

(2)调整导套内径，使其与轴承内轴的间隙在0.02以内;

(3)加长导套的长度，使导套在压装前套入内轴的长度为25mm，在压装时随着弹簧的压缩向下运动，起到良好的导向作用.

根据以上改善项目，修改夹具后重新压装，无再发现轴承压装倾斜的问题，改善后的样件通过水泵单品试验、发动机及整车耐久试验.

轴承压装工艺的首要目标就是保证轴承对中，通过上述的压装夹具改善案例可以看出，合适的压装夹具是轴承压装对中的保证，在设计夹具时，轴承的定位精度和导套的导向精度是重点确认项目.

图7 轴承压装夹具

3 结语

装配设计方面，在轴承型号和载荷确定的情况下，轴承的寿命随着装配位置的变化而变化，如果先得出轴承寿命与装配位置的关系曲线，就得到轴承的可接受装配区间，为水泵的结构设计提供输入及参考;装配工艺方面，压装夹具是轴承压装对中的保证，在夹具设计时必须考虑轴承的定位精度和导套的导向精度.

随着汽车技术的发展，水泵稳定性和寿命的要求也越来越高，轴承作为水泵的重要组成部分和薄弱环节，不仅要从其自身设计上提高寿命，也要从使用方法上使轴承保持最佳运转状态，从而提高轴承的寿命.

［1］翁祖亮.冷却水泵实用技术［M］.上海:上海交通大学出版社，2004.

［2］机械工业出版社编著.JB/T 8563－2010.滚动轴承.水泵轴连轴承［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［3］蔡亚新.国外水泵轴承的设计与应用［J］.轴承，1999，(6):37～39.

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