發動機水泵軸承與泵體匹配研究

段昭

摘要：汽車發動機運行工況復雜，特別是在全速全負荷、冷熱交變等惡劣環境下，水泵容易產生故障，水泵軸承與泵體匹配不合理，過盈量設計不合適，是水泵漏水的潛在原因。本文以三種方案的泵體軸承孔，與相同型號軸連軸承匹配的案例，通過理論計算、CAE仿真、生產工藝評估、臺架試驗驗證等環節，說明選擇水泵軸承過盈量的重要性，推薦滿足發動機工況的水泵軸承過盈量。

Abstract： The operation condition of automobile engine is complex， especially in the bad environment of full speed， full load， cold and hot alternation， the pump is prone to failure， the pump bearing and pump body matching is unreasonable， the interference design is not appropriate， which are the potential causes of water pump leakage. In this paper， three schemes of pump body bearing bore matching with the same type of water pump bearing are used. Through theoretical calculation， CAE simulation， production process evaluation， bench test verification and other links， the importance of selecting the interference amount of pump bearing is explained， and the interference amount of pump bearing meeting the engine working condition is recommended.

關鍵詞：軸連軸承;過盈量;徑向游隙;熱膨脹量;壓入力;推出力

Key words： water pump bearing;interference;radial clearance;thermal expansion;press in force;pull out force

中圖分類號：U464.03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0022-03

0? 引言

水泵是發動機的核心零件，其功用是對冷卻液進行加壓，促使循環流動，活塞、缸蓋和缸體等高溫零件能夠得到及時的冷卻，保證發動機正常運轉。汽車售后問題中，水泵漏水故障率較高，主要原因有：密封墊（膠）失效;水封選型不當或損壞;水泵軸承脫落等[1]。水泵軸承脫落根源是軸承與泵體軸承孔匹配不合理，失效時軸承外圈從泵體拔脫，使軸承跳動增大，從而破壞水封的密封性能，導致冷卻液從水封處溢出，進入儲水室產生泄漏。因此水泵軸承過盈量直接影響水泵的性能和耐久，本文以三種方案的泵體軸承孔，與相同型號軸連軸承匹配的案例，作分析、驗證和總結，推薦滿足發動機工況的水泵軸承過盈量。

1? 水泵結構

近年來各大主機廠主要采用軸連類水泵，結構由帶輪、泵體、軸連軸承、水封、葉輪、密封裝置組成，見圖1。其中軸連軸承是水泵中重要部件，它由泵軸和兩個軸承及軸套組成，按結構形式分為WB型（兩列球）和WR型（一列滾子一列球）[2]，市場上WR型居多。軸連軸承是精密零件，軸承與軸承孔的匹配是水泵設計最關鍵的步驟。

2? 水泵軸承與泵體軸承孔設計方案

水泵軸承與泵體軸承孔間為過盈配合，過盈量過小會導致軸承推出力偏小，工作時容易與泵體產生相對運動，特別在高溫下，由于材料的熱膨脹屬性，使過盈量進一步減小，嚴重時導致軸承從泵體中脫落;過盈量過大對軸承壓裝設備要求高，泵體變形量會偏大，生產報廢率高，并且導致軸承徑向游隙過小，影響軸承壽命[3]。水泵軸承一般為標準件，主機廠根據現有的軸承，設計泵體上軸承孔。

以下是某發動機水泵設計方案，軸連軸承材料鋼JIS G3131 SPHC，外圈直徑D2=Ф30mm，寬度L=38.8mm;泵體材料鋁合金，軸承孔壁厚H=9mm，粗糙度Ra=0.8μm。軸承與三種軸承孔配合方案，見表1。

3? 方案可行性分析

3.1 最小過盈量分析? 在常溫下，以上三種方案的過盈量均滿足要求，發動機運轉時，水泵的工作溫度是不斷變化的。由于材料具有熱脹冷縮屬性，不同的材料熱膨脹量有差異，見計算公式（1）[4]，因此，工作時水泵軸承與軸承孔之間的過盈量也是變化的。

金屬熱膨脹量：（1）

其中：α——金屬平均熱膨脹系數（/℃）;L——金屬長度（mm）;t1——周圍空氣溫度（℃）;t2——金屬溫度（℃）。

發動機工作時，溫度發生變化，軸承實際過盈量為：

（2）

其中：δ0——常溫下軸承與軸承孔過盈量（mm）;ΔL1——泵體軸承孔熱膨脹量（mm）;ΔL2——軸承外圈熱膨脹量（mm）。

由公式（1）、公式（2）計算水泵軸承與軸承孔最小過盈量：

（3）

其中：α1——泵體鋁合金材料平均熱膨脹系數 （/℃）;α2——軸承鋼材料平均熱膨脹系數（/℃）;L1——泵體軸承孔最大直徑（mm）;L2——軸承外圈最小直徑 （mm）;t1——常溫，取20℃;t2——水泵工作溫度 （℃）。

查機械設計手冊：α1=（1.881～2.36）*10-5/℃，取極限狀態下2.36*10-5/℃;α2=1.294*10-5/℃。

根據公式（3），計算三種方案在不同溫度t2下，水泵軸承與泵體軸承孔最小過盈量δmin，結果見圖2。

發動機工作時，冷卻液溫度一般為-30～115℃，極限狀態可達125℃，從圖2可知，當冷卻液高于83℃，方案1軸承與軸承孔最小過盈量為0，二者為間隙配合，軸承會從泵體脫落，導致水泵損壞漏水;當冷卻液達到120℃時，方案2軸承與軸承孔最小過盈量也接近0，軸承也可能脫落，水泵也存在損壞漏水的風險;方案3在極限溫度125℃下，軸承與軸承孔仍保持過盈配合，軸承不會從泵體脫落，水泵運行安全可靠。

3.2 最大過盈量分析? 根據3.1分析可以看出三種方案在最大過盈量δmax時，極限溫度125℃下，水泵軸承與軸承孔始終是過盈配合，軸承從泵體中脫落概率很小，因此水泵不會因軸承的最大過盈量設計值偏小而引起水泵失效漏水。

但是水泵軸承與泵體的過盈量過大，也會產生諸多不良影響。壓裝時軸承壓入力將增大，對壓裝設備要求更高、投入成本增加;更大的壓裝力導致軸承與泵體貼合時發生較大的變形，軸承徑向游隙變小，對軸承的疲勞壽命、溫升、噪音、振動等性能均不利，泵體因變形量過大容易產生疲勞裂紋，零件失效，產品報廢率也會偏高。

為保證水泵在軸承壓裝時，減少軸承和泵體故障，提高產品出廠合格率，需計算三種方案的軸承在最大過盈量時軸承壓入泵體的壓入力，并分析計算結果，評估水泵生產工藝安全性和可靠性。

圖3為該水泵方案的軸承與泵體簡化模型，并標注了與計算相關的軸承和泵體的名義尺寸。

根據機械設計手冊[4]，計算水泵軸承的壓入力F，利用模型和公式計算軸承壓入泵體的壓入力時需滿足以下要求：①不得損傷零件;②壓入時應平穩，水泵軸承應準確到位;③在壓裝時涂清潔的潤滑劑;④根據零件的材料和配合尺寸，計算所需的壓入力F。壓力機的壓力一般應為所需壓入力的3～3.5倍。

壓入力計算：（4）

式中：F——水泵軸承壓入力（N）;pfmax——水泵軸承與泵體結合表面承受的最大單位壓力（N/mm2）;df——結合直徑 （mm）;Lf——結合長度 （mm）;μ——結合表面摩擦系數，取0.15。

最大壓力pfmax的計算：

（5）

（6）

（7）

式中：δmax——最大過盈量（mm）;Ea——泵體鋁合金材料彈性模量（N/mm2），取6.9*104N/mm2;Ei——軸承鋼材料彈性模量（N/mm2），取2*105N/mm2;Ca，Ci——系數;da——泵體軸承孔外徑（mm）;di——水泵軸承外圈內徑 （mm）;ν——泊松比，取0.3。

通過公式（4）、公式（5）、公式（6）、公式（7）及圖3尺寸分別計算三種方案在最大過盈量時壓入力，見表2。

三種方案的水泵軸承與軸承孔在最大過盈量時，計算的軸承壓入力范圍14.5～18.2kN，滿足供應商指導值在常溫20℃下4～20kN的要求。理論計算認為三種方案的最大過盈量值均可行。

3.3 仿真計算軸承推出力? 借助Abaqus仿真軟件，計算水泵在不同溫度下的軸承推出力。先建立模型，將軸承過盈裝配至泵體軸承孔中;然后給軸承賦推力，當軸承發生位移時（取位移s=1mm），瞬時推力即軸承的推出力;接著改變環境溫度，計算不同溫度下的軸承推出力[5]。

基于仿真模型圖4，記錄三種方案的最小過盈量和最大過盈量分別在低溫、常溫和高溫下軸承推出力F，如表3，并繪制軸承推出力F與溫度T的關系，如圖5。

在高溫115℃下，供應商建議軸承推出力范圍2～10kN，根據CAE仿真結果，方案1在最小過盈量時軸承無推出力，將會從泵體中脫落;方案2在最小過盈量時軸承推出力為1104N，小于指導值，仍存在分離風險。方案3在最小過盈量時，軸承推出力2555N，滿足供應商建議的設計要求，軸承與泵體不會相對運動，保證水泵正常工作。

3.4 工藝驗證? 為了驗證理論計算和CAE仿真的分析結果，確保水泵的可靠性，取6個水泵樣本對軸承進行壓入力和推出力試驗。將6件水泵泵體逐一編號，測量泵體軸承孔內徑D1、軸承外圈直徑D2，在常溫20℃下以1mm/s的速度將軸承壓入泵體內，記錄軸承的壓入力F1，接著將軸承從壓裝方向的反方向推出，記錄軸承推出力F2，記錄結果見表4。

所選的6個水泵樣本已覆蓋表1中三種方案，測得實際壓入力范圍為6.24～15.05kN，滿足供應商指導值在常溫20℃下4～20kN的要求。水泵軸承在不同過盈量下，測量的軸承壓入力和推出力的變化趨勢[6]，見圖6，其結果與理論計算、CAE仿真分析基本吻合。

從生產工藝方面評估，方案3因過盈量最大，軸承壓裝時，難度最大，軸承和泵體報廢率也最高，所以只需驗證方案3生產工藝性。要求水泵供應商按方案3作小批量生產，檢測下線的100件水泵樣件，質量均完好，無報廢件。

根據水泵樣本的軸承壓入力和推出力實際測量的試驗結果和小批量生產結果，可以得知三種方案的水泵軸承與泵體，在生產工藝上是可行的。

3.5 軸承徑向游隙與軸承壽命? 由水泵軸承供應商計算出三種方案的軸承徑向游隙均滿足0.015～0.030mm設計要求，動態的受力和循環負載下的軸承壽命均約為8400h，也滿足軸承壽命大于5000h的設計要求。

4? 臺架試驗驗證

三種方案中，分別選取最小過盈量的軸承與泵體配合的水泵，裝機，選取的水泵方案如表5。依次進行臺架冷熱沖擊試驗[7]。試驗結果：方案1有冷卻液滲出，試驗不通過，方案不可行;方案2和方案3，無冷卻液滲漏，通過試驗驗證。

5? 結論

綜上分析，水泵軸承與泵體的匹配，方案3最優，方案2有失效風險，方案1不可行。因此二者匹配時需要考慮以下因素：①由于軸承與泵體材料不同，導致冷熱膨脹量不同，實際過盈量隨著冷卻液的溫度升高而減小，所以必須校核冷卻液在高溫時軸承和泵體配合狀態，從而設計出滿足溫度要求的軸承最小過盈量;②水泵軸承與軸承孔過盈量越大，軸承的壓入力就越大，產品的合格率就會降低，建議匹配時作計算分析、CAE仿真驗算和實物驗證，設計合理的軸承最大過盈量;③軸承的徑向游隙和壽命與過盈量關系密切，匹配設計也需計算校核。

參考文獻：

[1]張弘.內燃機車冷卻水泵漏水案例分析及處理[J].機車車輛工藝，2012（5）：45-46.

[2]機械工業出版社編著.JB/T 8563-2010，滾動軸承.水泵軸連軸承[S].北京：機械工業出版社，2010.

[3]潘健智，曹登慶，初世明，等.熱膨脹誘導的轉子軸向竄動與摩擦振動[J].航空動力學報，2013，28（5）：712-718.

[4]成大先主編.機械設計手冊第五版，第一卷，常用基礎資料和公式[M].北京：化學工業出版社，2008.

[5]石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]關醒凡.現代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011：74.

[7]國家標準化管理委員會編著.GB/T 19055-2003，汽車發動機性能檢驗標準[S].2003.