汽车水泵用非对称双列角接触球轴承设计

林 波

（舍弗勒贸易（上海）有限公司，上海 201804）

1 前言

随着汽车工业的发展，以大众EA888为代表的新一代汽车发动机也越来越追求产品的大功率和高效率，而发动机的多样性的设计也对水泵轴承提出了更高的性能要求。如具有较高的抗热性能、更大的承载能力以及良好的密封性能等。汽车水泵轴承就是经过不断的优化和发展，目前产品最为主流的设计是双列球结构和一球一柱结构的模式。

2 水泵轴承载荷的分析

双列对称球轴承结构的水泵轴承主要用于承受径向和部分轴向载荷较小的场合，不适合较大轴向载荷工况；一球一柱结构则适用于皮带轮端有高载荷和有冲击载荷的场合。该结构不适用于皮带载荷偏心工况。而对于皮带载荷偏心，又没有较大冲击的场合，舍弗勒公司提出了非对称角接触双列球设计结构，这种结构不但大大提高双列球轴承的皮带轮偏心承载能力，又能承受较大的叶轮轴向载荷，是一种更先进的设计方案。发动机的载荷曲线如下图1。

图1 发动机的载荷曲线

3 非对称双列角接触球轴承结构设计

非对称双列角接触球轴承设计结构如图2 所示。

（1）外形结构上，轴承同样根据发动机要求的尺寸设计，径向载荷重心作用于轴承靠近皮带轮的一端。

（2）两列钢球采用同中心径和钢球直径设计，靠近叶轮的一列，采用填球装配角接触球轴承设计方式，而在承载力较大的皮带轮端的一列，钢球的个数根据载荷的要求及内部空间计算得出；曲率上，外圈沟道都采用0.53～0.54的曲率系数，轴上的沟道采用0.51～0.52的曲率系数。

图2 非对称双列角接触球轴承结构

（3）由于皮带轮端钢球列的钢球个数较多，实现不了填球角装配，为了便于轴承的装配，靠近皮带轮的外圈沟道采用无挡边设计，磨削时采用金刚砂轮一次磨削成型。

（4）皮带轮端钢球列的球保持架采用全锁的锁球设计，装配时，先将钢球安装到保持架上，再将带钢球的保持架压装到已经选配装好游隙的轴承上。

（5）设计轴承的接触角度根据轴向游隙一般设计为20°～25º。

（6）设计径向游隙采用标准设计的0.015～0.030mm。

（7）轴承独特的密封设计

水泵轴承的密封不仅要防止油脂的泄漏，还要能防止水和水蒸气进入轴承内部。舍弗勒公司根据各种不同的工况，开发了单唇、单唇加抛油环、双唇和R-SAFE四种不同结构的密封圈（见图3）。其中单唇结构是最经济的方案，单唇带抛油环结构具有经济的反弹保护能力，双唇结构比单唇结构具有更好的防水汽进入和油脂泄露的能力，R-SAFE结构是拥有专利保护的新型机构，不仅能有效的防止密封的渗水，也能有效的防止密封对接面的锈蚀，能提供更长的水泵质保期。

图3 非对称双列角接触球轴承的密封方案

（8）轴承油脂的选用

水泵轴承的油脂不仅需要有良好的耐热性和耐水性，还要综合考虑油脂与尼龙保持 架的相容性和油脂对金属的腐蚀性能，舍弗勒公司的水泵轴承油脂选用klueber的petamo GHY 133N 聚尿脂，该油脂的工作温度范围为-30℃到160℃，不但具有良好的耐温耐水性能，在发动机的工作环境中还具有超长的寿命性能。在水泵轴承中，油脂的填充量为轴承内部空间的25%～45%。

4 非对称双列角接触球轴承的寿命计算

水泵轴承的寿命取决于两列滚动体的寿命，每列滚动体相当于一个单独的轴承，需要分别计算两列滚动体各自的寿命，可用球轴承或者滚子轴承的寿命计算方法来分别计算。舍弗勒公司利用自行开发的BearinX软件通过模拟载荷进行轴承的寿命计算和应力分析。

图4 所示为非对称双列角接触球轴承参数化寿命Lh的计算，由图可知轴承的承载能力的在两列钢球的中心线上呈正态分布，所以载荷的重心加载在正态分布的交集的位置才能得到最长的水泵轴承使用寿命。

图5 所示为非对称双列角接触球轴承的接触应力分析的可视化视图，可以根据应力的分布规律改进轴承的设计结构，提高轴承的应用寿命。

图4 非对称双列角接触球轴承寿命L h计算

图5 非对称双列角接触球轴承应力分析

5 结束语

舍弗勒公司通过多年的经验积累和创新思路，设计了全新的非对称双列角接触球水泵轴承。这种结构不但能优化轴承的承载形式，而且 能提高轴承的使用寿命，是一种低成本的经济可行的设计方案。

[1]蔡亚新，等．国外水泵轴承的设计与应用[J]．轴承，1998，（6）．