內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)13軸承內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第1頁13.1概述滑動(dòng)軸承——金屬瓦背與減摩合金層組成。它使發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用維修方便，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、使用壽命有很大影響。伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)不停強(qiáng)化，對(duì)軸承要求也越來越苛刻。為了提升軸承使用性能，須從材料、制造工藝及設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)。13.1.1

軸承工作條件1、在很大交變負(fù)荷作用下，會(huì)在合金層內(nèi)形成疲勞應(yīng)力狀態(tài)，使合金層產(chǎn)生微小裂紋，甚至疲勞剝落。2、因軸承與軸頸之間高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生大量摩擦熱，使軸瓦工作表面溫度升高，一旦破壞了液體潤(rùn)滑或油膜潤(rùn)滑，就會(huì)使軸承與軸頸直接接觸，發(fā)生干摩擦，加速磨損，甚至表面熔化，咬粘在一起，發(fā)生破壞。3、機(jī)油不停被氧化，形成有機(jī)酸，對(duì)軸承表面有腐蝕作用，再有油中雜質(zhì)，破壞潤(rùn)滑，使軸承和軸頸表面遭受擦傷。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第2頁13.1概述4、連桿、曲軸、機(jī)體等制造誤差，使軸承與軸頸之間間隙不均勻，產(chǎn)生局部負(fù)荷集中，加速磨損。13.1.2

軸承結(jié)構(gòu)要求軸承既能承受交變載荷，又含有良好耐磨性。曲軸軸瓦——連桿軸瓦、主軸瓦普通由瓦背與減摩合金層組合而成，瓦背確保整個(gè)軸瓦機(jī)械強(qiáng)度，而薄減摩合金層確保良好摩擦性能。13.1.3軸承設(shè)計(jì)中要考慮主要問題1、選取適當(dāng)軸承減摩合金和表面鍍層，使軸承在正常使用情況下不至于發(fā)生疲勞損壞、擦傷和過快磨損。2、選擇合理軸瓦寬度-直徑比、軸承間隙和進(jìn)油孔位置等，以利于形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑。3、選擇合理過盈度和自由彈勢(shì)，確保軸瓦不在座孔中轉(zhuǎn)動(dòng)并能傳出摩擦熱.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第3頁13.2軸承材料13.2.1對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用軸承材料主要要求1、有足夠機(jī)械強(qiáng)度——疲勞強(qiáng)度，承受交變載荷，預(yù)防減摩層從鋼背上脫落;有足夠耐磨性，有較高熱硬度和熱強(qiáng)度，以承受高溫時(shí)負(fù)荷;有足夠結(jié)合強(qiáng)度，減摩合金層應(yīng)與鋼背結(jié)合牢靠，不但不會(huì)因沿結(jié)合面可能作用剪切力而脫殼，而且不因由溫度升高產(chǎn)生熱應(yīng)力而脫殼，結(jié)合強(qiáng)度不足會(huì)造成軸承過早疲勞破壞。2、有良好減摩性能，包含抗咬合性、嵌藏性和順應(yīng)性?？挂Ш闲允侵冈谳S承油膜暫時(shí)間斷軸承和軸頸不輕易相互咬合而發(fā)生擦傷性質(zhì)。這與軸承合金親油性相關(guān)。親油性好，維持邊界油膜能力強(qiáng)，油膜切斷后恢復(fù)也快，則軸承抗咬合性就很好。嵌藏性是指軸承合金允許少許硬質(zhì)塵砂、磨屑等細(xì)微顆粒嵌入合金層而防止刮傷軸頸和隨之傷及本身能力。順應(yīng)性是指軸承合金層適應(yīng)軸頸幾何內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第4頁13.2軸承材料形狀偏差或變形而減小邊緣載荷和磨損、使載荷和磨損均勻化能力。普通說來，軸承抗咬合性、嵌藏性和順應(yīng)性好，軸承合金和配對(duì)軸頸就比較耐磨（不會(huì)快速磨損）。3、耐腐蝕—使用中曲軸箱內(nèi)機(jī)油不停氧化變質(zhì)，生成有機(jī)酸和過氧化合物，對(duì)軸承表面有腐蝕作用，故要求軸承合金有良好耐腐蝕性。幾乎沒有一個(gè)軸承減摩合金能同時(shí)滿足以上這些要求。普通說來，較硬材料含有較高機(jī)械性能，較軟材料則含有很好表面減摩性能。13.2.2軸承減摩合金材料發(fā)動(dòng)機(jī)軸承減摩合金材料品種很多，可分為巴氏合金、銅基合金和鋁基合金三大類。但使用時(shí)可分為兩種：硬基體加軟質(zhì)點(diǎn)或軟基體加硬質(zhì)點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第5頁13.2軸承材料13.2.2.1巴氏合金巴氏合金分為錫基和鉛基兩種。錫基巴氏合金含銻4%-14%，銅3%-8%，其余為錫。鉛基巴氏合金含銻10%-15%，錫4%-7%，其余為鉛。在軟質(zhì)錫基體或鉛基體中均布著硬質(zhì)點(diǎn)。軟基體決定了巴氏合金含有良好親油性、抗咬合性、順應(yīng)性和嵌藏性，對(duì)機(jī)油濾清要求也相對(duì)較低，含有很好耐磨性。巴氏合金最大缺點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度低。減薄合金層厚度能夠提升巴氏合金軸瓦疲勞強(qiáng)度。巴氏合金機(jī)械性能伴隨溫度升高顯著降低。鉛基巴氏合金成本比錫基巴氏合金低些，其承載能力和耐腐蝕性都不及錫基巴氏合金?，F(xiàn)在只有強(qiáng)化程度較低汽油機(jī)和小型柴油機(jī)中才用巴氏合金軸瓦。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第6頁13.2軸承材料13.2.2.2銅基合金鉛青銅含鉛5%-25%，錫3%-10%，其余為銅;銅鉛合金含鉛25%-35%，其余為銅;錫青銅和鋁青銅。這些軸承材料含有疲勞強(qiáng)度高、承載能力大突出優(yōu)點(diǎn)，而且機(jī)械性能隨溫度改變較小，所以許用比壓和許用工作溫度都大于巴氏合金和鋁錫合金。缺點(diǎn)是順應(yīng)性和嵌藏性差，對(duì)零件加工精度和機(jī)油濾清質(zhì)量要求高，并要求軸頸有較高硬度。另外，合金中鉛易受酸腐蝕，要求機(jī)油中有抗腐蝕添加劑。為改進(jìn)軸瓦表面減摩性能和耐腐蝕性，在鉛青銅層或銅鉛合金層上要電鍍一層軟合金薄膜。當(dāng)前這種材料軸瓦主要用在高強(qiáng)化增壓柴油機(jī)上。錫青銅和鋁青銅許用比壓和耐磨性比鉛青銅高，主要用于連桿小頭襯套。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第7頁13.2軸承材料13.2.2.3鋁基合金以鋁為基本成份，并按其第二成份區(qū)分為鋁錫合金、鋁硅合金和鋁銻鎂合金。鋁基合金軸瓦綜合性能好，其抗咬合性、嵌藏性、順應(yīng)性、耐腐蝕性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于銅鉛合金軸瓦，疲勞強(qiáng)度和承載能力則優(yōu)于巴氏合金。鋁錫合金應(yīng)用最廣。含錫20%左右高錫鋁合金雙層軸瓦廣泛用于中等負(fù)荷柴油機(jī)和中、高負(fù)荷汽油機(jī)。而在一些高負(fù)荷柴油機(jī)中則采取承載能力更高低錫鋁合金（含錫6%）或鋁硅合金，在這些軸瓦表面要加軟合金鍍層。13.2.2.4表面鍍層材料

電鍍?cè)阢U青銅（含銅鉛合金）、低錫鋁合金和鋁硅合金軸瓦表面軟合金材料，使軸瓦形成三層結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)軸承表面性能。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第8頁13.2軸承材料鍍層材料慣用鉛、錫或鉛、錫、銅或鉛、錫、銻或鉛、銦等。電鍍層厚度普通為0.02-0.03mm，其厚度加大會(huì)使疲勞強(qiáng)度降低，軸瓦合金層輕易剝落。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第9頁13.2軸承材料為了使軸瓦在裝配時(shí)正確定位，并緊密地與軸承座孔貼合，軸瓦在自由狀態(tài)下并非呈真正半圓形，彈開尺寸比直徑稍大些（大于座孔直徑），超出量稱為自由彈勢(shì)。外徑周長(zhǎng)也略大于座孔周長(zhǎng)，稱為軸瓦過盈度。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第10頁13.2軸承材料13.2.2.5連桿小頭襯套材料普通采取全浮式活塞銷連桿小頭孔內(nèi)都以過盈配合裝有耐磨襯套。慣用連桿小頭襯套材料有錫青銅。因?yàn)殄a青銅許用比壓高于其它軸承合金，在活塞銷直徑一定條件下能夠減短連桿小頭軸向長(zhǎng)度，從而能夠加大活塞銷座承壓面積，使機(jī)械載荷分配合理，對(duì)應(yīng)零件使用壽命都能得到確保。連桿小頭襯套厚度，對(duì)于汽油機(jī)普通為0.6-1.5mm，對(duì)于柴油機(jī)普通為2-3mm。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第11頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13.3.1.若干結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)13.3.1.1軸瓦定位汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大生產(chǎn)工藝適合采有薄壁軸瓦。這種軸瓦通常在瓦口沖壓出一個(gè)定位唇，安裝時(shí)將定位唇嵌入座孔定位溝中，軸瓦在軸承座中就軸向定位了；上、下軸承座孔定位溝開在同一側(cè)，其軸向位置應(yīng)確保上、下軸瓦軸向端面對(duì)齊。斜切口連桿大頭分界面正處于高負(fù)荷區(qū)，假如軸瓦對(duì)口面也在此處，會(huì)影響承載能力（通常軸瓦在靠近瓦口處削?。?。所以有些發(fā)動(dòng)機(jī)斜切口連桿中軸瓦是“直切”安裝，其對(duì)口面垂直于連桿大小頭中心線。在這種設(shè)計(jì)中軸瓦用定位銷定位。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第12頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13.3.1.2工作表面幾何形狀最普通軸瓦工作表面在裝配狀態(tài)為正確圓柱形。這種形狀在軸頸變形情況下有較大邊緣載荷，影響壽命；在軸承座變形情況下失圓，影響承載能力。所以近年來在一些強(qiáng)化柴油機(jī)上出現(xiàn)了一些新軸瓦內(nèi)孔形狀。雙曲面軸瓦和兩端有微錐面軸瓦——軸向變厚度，可克服邊緣負(fù)荷。當(dāng)高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)受重量限制不能用加粗軸頸來確保高彎曲剛度時(shí)，用雙曲面軸瓦比較適應(yīng)。兩端有微錐面軸瓦也有類似作用。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第13頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橢圓軸瓦——徑向變厚度軸瓦，使軸瓦厚度由其中央截面向瓦口逐步減小，在裝配狀態(tài)軸瓦工作表面即成橢圓。這么，在連桿和主軸承受力大垂直方向軸承徑向間隙較小，不影響承載；而在受力小水平方向間隙較大，現(xiàn)有利于潤(rùn)滑油流過軸承改進(jìn)散熱，又能夠防止在高垂直載荷下軸承水平方向變形縮小到“碰上”軸頸。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第14頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有許多軸瓦在瓦口附近局部削薄，這主要是為了防止瓦口在裝配時(shí)受壓鼓出，也在一定程度上起著與橢圓軸瓦類似作用。13.3.1.3潤(rùn)滑油孔和油槽油孔位置：潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承位置應(yīng)在軸承低負(fù)荷區(qū)，也就是厚油膜區(qū)。此區(qū)域可依據(jù)軸承負(fù)荷極坐標(biāo)圖大致判斷。普通說來，主軸承進(jìn)油孔在其上半部，連桿軸承在下半部。油槽：便于潤(rùn)滑油充滿和流過軸承間隙，使?jié)櫥湍懿婚g斷地經(jīng)過曲軸中油道進(jìn)入連桿軸承，所以在主軸瓦上要開油槽。不過開油槽會(huì)降低軸承承載能力，所以，受載荷大而時(shí)間長(zhǎng)軸瓦最好防止開油槽，能夠在主軸頸上打一貫通油孔，就能夠連續(xù)向連桿軸瓦供油而不需要在主軸承下瓦上開油槽了。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第15頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第16頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

13.3.1.4止推軸承曲軸設(shè)置止推軸承目標(biāo)是確保曲軸軸向定位，承受軸向推力（如正時(shí)斜齒輪傳動(dòng)軸向分力，離合器軸向推力等等）。軸向游隙普通不超出0.2mm。定位元件：止推片、止推環(huán)或翻邊軸瓦。其中止推環(huán)只能用于第一道主軸頸，而半圓環(huán)形止推片和翻邊軸瓦則可用于任何一道主軸頸，用四個(gè)止推片結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛，用兩個(gè)止推片結(jié)構(gòu)只適合用于軸向力小曲軸。止推環(huán)和止推片相對(duì)于主軸承座是不能轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠用定位銷或定位舌定位。為改進(jìn)止推片（環(huán)）與主軸頸間潤(rùn)滑，在止推片工作面上銑出存油坑，上、下兩片分界面附近也局部削薄。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第17頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第18頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第19頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

13.3.2軸瓦主要尺寸及過盈度確實(shí)定13.3.2.1軸瓦內(nèi)徑與寬度軸瓦內(nèi)徑為軸承座孔直徑減去兩倍軸瓦厚度（對(duì)變厚度軸瓦取其最大厚度）d=D0-2t。若不計(jì)公差，則軸瓦內(nèi)徑名義值就是軸頸名義直徑。軸瓦寬度為軸頸寬度減去兩倍軸頸過渡圓角半徑b=B-2r。d和b確實(shí)定實(shí)際上并不決定于軸承最正確設(shè)計(jì)考慮，而是決定于發(fā)動(dòng)機(jī)缸心距、曲軸強(qiáng)度和剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)重量等方面考慮。從軸承承載能力來說，其寬度-直徑比b/d過小，則潤(rùn)滑油易向兩端流出，同一油膜厚度下油膜壓力較低，承載能力較低。b/d過大，則流過軸承潤(rùn)滑油量較少，帶走熱量少，使油膜溫度提升而油粘度降低，油膜承載能力也會(huì)降低，同時(shí)寬軸瓦邊緣負(fù)荷較大，對(duì)壽命有不利影響。普通認(rèn)為取b/d=0.4-0.6時(shí)，軸瓦承載能力最大。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第20頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際使用時(shí)為使結(jié)構(gòu)緊湊，盡可能縮短氣缸缸心距，故軸承縮短。連桿軸承縮短到b/d=0.4，主軸承縮短到b/d=0.35-0.4，無油槽時(shí)b/d=0.3。在初步設(shè)計(jì)中通常要驗(yàn)算最大軸承載荷pmax下軸承比壓pmax=Pmax/bd，并與條件相同先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承最大比壓相比較。所謂條件相同是指軸承潤(rùn)滑條件、軸頸剛度及表面質(zhì)量、b/d等相同且軸承材料相同。內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)軸承第21頁13.3軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13.3.2.2

軸瓦厚度軸瓦厚度包含鋼背厚度、合金層厚度和表面鍍層厚度。許多國(guó)家已在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求軸瓦名義壁厚和公差系列，鋼背厚度與公差，以及對(duì)應(yīng)合金層厚度與公差。表13-3中給出了美國(guó)SAE和日本標(biāo)準(zhǔn)中壁厚尺寸，它們都有輕、重兩個(gè)系列。SAE推薦轎