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内燃机构造与设计13轴承13.轴承13.1概述滑动轴承——金属瓦背与减摩合金层组成。它使发动机工作可靠运转平稳，使用维修方便，对发动机的可靠性、使用寿命有很大影响。随着发动机的不断强化，对轴承的要求也越来越苛刻。为了提高轴承的使用性能，须从材料、制造工艺及设计上加以改进。13.1.1轴承的工作条件1、在很大的交变负荷作用下，会在合金层内形成疲劳应力状态，使合金层产生微小裂纹，甚至疲劳剥落。2、因轴承与轴颈之间的高速相对运动，产生大量摩擦热，使轴瓦工作表面温度升高，一旦破坏了液体润滑或油膜润滑，就会使轴承与轴颈直接接触，发生干摩擦，加速磨损，甚至表面熔化，咬粘在一起，发生破坏。3、机油不断被氧化，形成有机酸，对轴承表面有腐蚀作用，再有油中的杂质，破坏润滑，使轴承和轴颈表面遭受擦伤。13.轴承13.1概述4、连杆、曲轴、机体等的制造误差，使轴承与轴颈之间的间隙不均匀，产生局部的负荷集中，加速磨损。13.1.2轴承的结构要求轴承既能承受交变载荷，又具有良好的耐磨性。曲轴轴瓦——连杆轴瓦、主轴瓦一般由瓦背与减摩合金层组合而成，瓦背保证整个轴瓦的机械强度，而薄的减摩合金层保证良好的摩擦性能。13.1.3轴承设计中要考虑的主要问题1、选用合适的轴承减摩合金和表面镀层，使轴承在正常使用情况下不至于发生疲劳损坏、擦伤和过快磨损。2、选择合理的轴瓦宽度-直径比、轴承间隙和进油孔位置等，以利于形成流体动力润滑。3、选择合理的过盈度和自由弹势，保证轴瓦不在座孔中转动并能传出摩擦热.13.轴承13.2轴承材料13.2.1对发动机用轴承材料的主要要求1、有足够的机械强度——疲劳强度，承受交变载荷，防止减摩层从钢背上脱落;有足够的耐磨性，有较高的热硬度和热强度，以承受高温时的负荷;有足够的结合强度，减摩合金层应与钢背结合牢固，不仅不会因沿结合面可能作用的剪切力而脱壳，而且不因由温度升高产生的热应力而脱壳，结合强度不足会导致轴承过早疲劳破坏。2、有良好的减摩性能，包括抗咬合性、嵌藏性和顺应性。抗咬合性是指在轴承油膜暂时间断轴承和轴颈不容易互相咬合而发生擦伤的性质。这与轴承合金的亲油性有关。亲油性好，维持边界油膜的能力强，油膜切断后恢复也快，则轴承的抗咬合性就较好。嵌藏性是指轴承合金允许少量硬质的尘砂、磨屑等细微颗粒嵌入合金层而避免刮伤轴颈和随之伤及自身的能力。顺应性是指轴承合金层适应轴颈几何13.轴承13.2轴承材料形状偏差或变形而减小边缘载荷和磨损、使载荷和磨损均匀化的能力。一般说来，轴承的抗咬合性、嵌藏性和顺应性好，轴承合金和配对轴颈就比较耐磨（不会迅速磨损）。3、耐腐蚀—使用中曲轴箱内机油不断氧化变质，生成有机酸和过氧化合物，对轴承表面有腐蚀作用，故要求轴承合金有良好的耐腐蚀性。几乎没有一种轴承减摩合金能同时满足以上这些要求。一般说来，较硬的材料具有较高的机械性能，较软的材料则具有较好的表面减摩性能。13.2.2轴承减摩合金材料发动机轴承减摩合金材料品种很多，可分为巴氏合金、铜基合金和铝基合金三大类。但使用时可分为两种：硬基体加软质点或软基体加硬质点。13.轴承13.2轴承材料13.2.2.1巴氏合金巴氏合金分为锡基和铅基两种。锡基巴氏合金含锑4%-14%，铜3%-8%，其余为锡。铅基巴氏合金含锑10%-15%，锡4%-7%，其余为铅。在软质的锡基体或铅基体中均布着硬质点。软基体决定了巴氏合金具有良好的亲油性、抗咬合性、顺应性和嵌藏性，对机油滤清的要求也相对较低，具有较好的耐磨性。巴氏合金的最大缺点是疲劳强度低。减薄合金层厚度可以提高巴氏合金轴瓦的疲劳强度。巴氏合金的机械性能随着温度升高明显降低。铅基巴氏合金的成本比锡基巴氏合金低些，其承载能力和耐腐蚀性都不及锡基巴氏合金。现在只有强化程度较低的汽油机和小柴油机中才用巴氏合金轴瓦。13.轴承13.2轴承材料13.2.2.2铜基合金铅青铜含铅5%-25%，锡3%-10%，其余为铜;铜铅合金含铅25%-35%，其余为铜;锡青铜和铝青铜。这些轴承材料具有疲劳强度高、承载能力大的突出优点，而且机械性能随温度的变化较小，因此许用比压和许用工作温度都大于巴氏合金和铝锡合金。缺点是顺应性和嵌藏性差，对零件加工精度和机油滤清质量的要求高，并要求轴颈有较高的硬度。此外，合金中的铅易受酸的腐蚀，要求机油中有抗腐蚀添加剂。为改善轴瓦表面减摩性能和耐腐蚀性，在铅青铜层或铜铅合金层上要电镀一层软合金薄膜。目前这种材料的轴瓦主要用在高强化的增压柴油机上。锡青铜和铝青铜许用比压和耐磨性比铅青铜高，主要用于连杆小头衬套。13.轴承13.2轴承材料13.2.2.3铝基合金以铝为基本成分，并按其第二成分区分为铝锡合金、铝硅合金和铝锑镁合金。铝基合金轴瓦的综合性能好，其抗咬合性、嵌藏性、顺应性、耐腐蚀性、工艺性和经济性都优于铜铅合金轴瓦，疲劳强度和承载能力则优于巴氏合金。铝锡合金应用最广。含锡20%左右的高锡铝合金双层轴瓦广泛用于中等负荷的柴油机和中、高负荷汽油机。而在一些高负荷柴油机中则采用承载能力更高的低锡铝合金（含锡6%）或铝硅合金，在这些轴瓦表面要加软合金镀层。13.2.2.4表面镀层材料电镀在铅青铜（含铜铅合金）、低锡铝合金和铝硅合金轴瓦表面的软合金材料，使轴瓦形成三层结构，以改善轴承的表面性能。13.轴承13.2轴承材料镀层材料常用铅、锡或铅、锡、铜或铅、锡、锑或铅、铟等。电镀层厚度一般为0.02-0.03mm，其厚度加大会使疲劳强度降低，轴瓦合金层容易剥落。13.轴承13.2轴承材料13.2.2.5连杆小头衬套材料一般采用全浮式活塞销的连杆小头孔内都以过盈配合装有耐磨衬套。常用的连杆小头衬套材料有锡青铜。由于锡青铜的许用比压高于其它轴承合金，在活塞销直径一定的条件下可以减短连杆小头轴向长度，从而可以加大活塞销座的承压面积，使机械载荷分配合理，相应零件的使用寿命都能得到保证。连杆小头衬套的厚度，对于汽油机一般为0.6-1.5mm，对于柴油机一般为2-3mm。13.轴承13.2轴承材料13.2.3瓦背的材料及要求内燃机的工作条件对瓦背所提出的要求为：1、瓦背与合金层的粘结性能良好，即应有足够的粘结强度。2、轴瓦必须以过盈装入轴承座孔内，因此瓦背材料应有足够的屈服极限。瓦背材料（曲轴主轴瓦及连杆轴瓦钢背材料）为08，10，15号钢，即低碳钢。瓦背的作用：承受机械负荷。13.轴承13.3轴承的结构设计13.3.1.若干结构细节13.3.1.1轴瓦的定位汽车发动机大生产工艺适合采有薄壁轴瓦。这种轴瓦通常在瓦口冲压出一个定位唇，安装时将定位唇嵌入座孔的定位沟中，轴瓦在轴承座中就轴向定位了；上、下轴承座孔的定位沟开在同一侧，其轴向位置应保证上、下轴瓦的轴向端面对齐。斜切口连杆大头的分界面正处在高负荷区，如果轴瓦对口面也在此处，会影响承载能力（通常轴瓦在接近瓦口处削薄）。因此有些发动机的斜切口连杆中轴瓦是“直切”安装的，其对口面垂直于连杆大小头中心线。在这种设计中轴瓦用定位销定位。13.轴承13.3轴承的结构设计13.3.1.2工作表面的几何形状最普通的轴瓦工作表面在装配状态为正确的圆柱形。这种形状在轴颈变形的情况下有较大边缘载荷，影响寿命；在轴承座变形情况下失圆，影响承载能力。因此近年来在一些强化柴油机上出现了一些新的轴瓦内孔形状。双曲面轴瓦和两端有微锥面的轴瓦——轴向变厚度，可克服边缘负荷。当高强化发动机受重量限制不能用加粗轴颈来保证高弯曲刚度时，用双曲面轴瓦比较适应。两端有微锥面的轴瓦也有类似作用。13.轴承13.3轴承的结构设计椭圆轴瓦——径向变厚度轴瓦，使轴瓦厚度由其中央截面向瓦口逐渐减小，在装配状态轴瓦工作表面即成椭圆。这样，在连杆和主轴承受力大的垂直方向轴承的径向间隙较小，不影响承载；而在受力小的水平方向间隙较大，既有利于润滑油流过轴承改善散热，又可以避免在高垂直载荷下轴承水平方向变形缩小到“碰上”轴颈。13.轴承13.3轴承的结构设计有许多轴瓦在瓦口附近局部削薄，这主要是为了避免瓦口在装配时受压鼓出，也在一定程度上起着与椭圆轴瓦类似的作用。13.3.1.3润滑油孔和油槽油孔位置：润滑油进入轴承的位置应在轴承的低负荷区，也就是厚油膜区。此区域可根据轴承负荷极坐标图大致判断。一般说来，主轴承进油孔在其上半部，连杆轴承在下半部。油槽：便于润滑油布满和流过轴承间隙，使润滑油能不间断地通过曲轴中的油道进入连杆轴承，所以在主轴瓦上要开油槽。但是开油会降低轴承的承载能力，因此，受载荷大而时间长的轴瓦最好避免开油槽，可以在主轴颈上打一贯穿油孔，就可以连续向连杆轴瓦供油而不需要在主轴承下瓦上开油槽了。13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.3.1.4止推轴承曲轴设置止推轴承的目的是保证曲轴的轴向定位，承受轴向推力（如正时斜齿轮传动的轴向分力，离合器轴向推力等等）。轴向游隙一般不超过0.2mm。定位元件：止推片、止推环或翻边轴瓦。其中止推环只能用于第一道主轴颈，而半圆环形的止推片和翻边轴瓦则可用于任何一道主轴颈，用四个止推片结构应用最广泛，用两个止推片的结构只适用于轴向力小的曲轴。止推环和止推片相对于主轴承座是不能转动的，可以用定位销或定位舌定位。为改善止推片（环）与主轴颈间的润滑，在止推片的工作面上铣出存油坑，上、下两片的分界面附近也局部削薄。13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.3.2轴瓦主要尺寸及过盈度的确定13.3.2.1轴瓦的内径与宽度轴瓦的内径为轴承座孔直径减去两倍的轴瓦厚度（对变厚度轴瓦取其最大厚度）d=D0-2t。若不计公差，则轴瓦内径的名义值就是轴颈的名义直径。轴瓦的宽度为轴颈宽度减去两倍的轴颈的过渡圆角半径b=B-2r。d和b的确定实际上并不决定于轴承最佳设计的考虑，而是决定于发动机的缸心距、曲轴的强度和刚度、发动机的重量等方面的考虑。从轴承的承载能力来说，其宽度-直径比b/d过小，则润滑油易向两端流出，同一油膜厚度下油膜压力较低，承载能力较低。b/d过大，则流过轴承的润滑油量较少，带走热量少，使油膜的温度提高而油粘度降低，油膜的承载能力也会降低，同时宽轴瓦的边缘负荷较大，对寿命有不利影响。一般认为取b/d=0.4-0.6时，轴瓦的承载能力最大。13.轴承13.3轴承的结构设计在实际使用时为使结构紧凑，尽量缩短气缸缸心距，故轴承缩短。连杆轴承缩短到b/d=0.4，主轴承缩短到b/d=0.35-0.4，无油槽时b/d=0.3。在初步设计中通常要验算最大轴承载荷pmax下的轴承比压pmax=Pmax/bd，并与条件相似的先进发动机的轴承最大比压相比较。所谓条件相似是指轴承润滑条件、轴颈刚度及表面质量、b/d等相似且轴承材料相同。13.轴承13.3轴承的结构设计13.3.2.2轴瓦厚度轴瓦厚度包括钢背厚度、合金层厚度和表面镀层的厚度。许多国家已在工业标准中规定轴瓦的名义壁厚和公差系列，钢背厚度与公差，以及对应的合金层的厚度与公差。表13-3中给出了美国SAE和日本标准中的壁厚尺寸，它们都有轻、重两个系列。SAE推荐轿车和轻型货车用汽油机的连杆轴瓦用轻系列，重型货车汽油机和柴油机以及的连杆轴瓦用重系列，各种发动机的主轴瓦都用重系列。理由是壁厚（钢背）稍大有利于抗疲劳，但连杆瓦的尺寸受限制较大，所以推荐载荷较轻的连杆瓦用轻系列。但实际上可以看到有些高负荷柴油机的连杆瓦也用轻系列。表13-4中给出了不同来源的合金层厚度推荐值。13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.3.2.3轴瓦的自由弹势和过盈度自由弹势：自由状态下的轴瓦两瓦口外缘的距离大于轴承座孔直径D0，按照D0的公差上限值D0max计算此大出量。过盈度：一片轴瓦的周长大于1/2π，按照D0max来计算此大出量，就是轴瓦的过盈度。13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计13.轴承13.3轴承的结构设计hV13.轴承13.3轴承的结构设计hVε