內燃機結構與設計13軸承內燃機構造與設計軸承第1頁13.1概述滑動軸承——金屬瓦背與減摩合金層組成。它使發(fā)動機工作可靠運轉平穩(wěn)，使用維修方便，對發(fā)動機可靠性、使用壽命有很大影響。伴隨發(fā)動機不停強化，對軸承要求也越來越苛刻。為了提升軸承使用性能，須從材料、制造工藝及設計上加以改進。13.1.1

軸承工作條件1、在很大交變負荷作用下，會在合金層內形成疲勞應力狀態(tài)，使合金層產生微小裂紋，甚至疲勞剝落。2、因軸承與軸頸之間高速相對運動，產生大量摩擦熱，使軸瓦工作表面溫度升高，一旦破壞了液體潤滑或油膜潤滑，就會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、機油不停被氧化，形成有機酸，對軸承表面有腐蝕作用，再有油中雜質，破壞潤滑，使軸承和軸頸表面遭受擦傷。內燃機構造與設計軸承第2頁13.1概述4、連桿、曲軸、機體等制造誤差，使軸承與軸頸之間間隙不均勻，產生局部負荷集中，加速磨損。13.1.2

軸承結構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，瓦背確保整個軸瓦機械強度，而薄減摩合金層確保良好摩擦性能。13.1.3軸承設計中要考慮主要問題1、選取適當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、軸承間隙和進油孔位置等，以利于形成流體動力潤滑。3、選擇合理過盈度和自由彈勢，確保軸瓦不在座孔中轉動并能傳出摩擦熱.內燃機構造與設計軸承第3頁13.2軸承材料13.2.1對發(fā)動機用軸承材料主要要求1、有足夠機械強度——疲勞強度，承受交變載荷，預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度，以承受高溫時負荷;有足夠結合強度，減摩合金層應與鋼背結合牢靠，不但不會因沿結合面可能作用剪切力而脫殼，而且不因由溫度升高產生熱應力而脫殼，結合強度不足會造成軸承過早疲勞破壞。2、有良好減摩性能，包含抗咬合性、嵌藏性和順應性?？挂Ш闲允侵冈谳S承油膜暫時間斷軸承和軸頸不輕易相互咬合而發(fā)生擦傷性質。這與軸承合金親油性相關。親油性好，維持邊界油膜能力強，油膜切斷后恢復也快，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塵砂、磨屑等細微顆粒嵌入合金層而防止刮傷軸頸和隨之傷及本身能力。順應性是指軸承合金層適應軸頸幾何內燃機構造與設計軸承第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、嵌藏性和順應性好，軸承合金和配對軸頸就比較耐磨（不會快速磨損）。3、耐腐蝕—使用中曲軸箱內機油不停氧化變質，生成有機酸和過氧化合物，對軸承表面有腐蝕作用，故要求軸承合金有良好耐腐蝕性。幾乎沒有一個軸承減摩合金能同時滿足以上這些要求。普通說來，較硬材料含有較高機械性能，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)動機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。但使用時可分為兩種：硬基體加軟質點或軟基體加硬質點。內燃機構造與設計軸承第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。在軟質錫基體或鉛基體中均布著硬質點。軟基體決定了巴氏合金含有良好親油性、抗咬合性、順應性和嵌藏性，對機油濾清要求也相對較低，含有很好耐磨性。巴氏合金最大缺點是疲勞強度低。減薄合金層厚度能夠提升巴氏合金軸瓦疲勞強度。巴氏合金機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在只有強化程度較低汽油機和小型柴油機中才用巴氏合金軸瓦。內燃機構造與設計軸承第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度高、承載能力大突出優(yōu)點，而且機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。缺點是順應性和嵌藏性差，對零件加工精度和機油濾清質量要求高，并要求軸頸有較高硬度。另外，合金中鉛易受酸腐蝕，要求機油中有抗腐蝕添加劑。為改進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。當前這種材料軸瓦主要用在高強化增壓柴油機上。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。內燃機構造與設計軸承第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、順應性、耐腐蝕性、工藝性和經濟性都優(yōu)于銅鉛合金軸瓦，疲勞強度和承載能力則優(yōu)于巴氏合金。鋁錫合金應用最廣。含錫20%左右高錫鋁合金雙層軸瓦廣泛用于中等負荷柴油機和中、高負荷汽油機。而在一些高負荷柴油機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

電鍍在鉛青銅（含銅鉛合金）、低錫鋁合金和鋁硅合金軸瓦表面軟合金材料，使軸瓦形成三層結構，以改進軸承表面性能。內燃機構造與設計軸承第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，其厚度加大會使疲勞強度降低，軸瓦合金層輕易剝落。內燃機構造與設計軸承第9頁13.2軸承材料為了使軸瓦在裝配時正確定位，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。外徑周長也略大于座孔周長，稱為軸瓦過盈度。內燃機構造與設計軸承第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。因為錫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度，從而能夠加大活塞銷座承壓面積，使機械載荷分配合理，對應零件使用壽命都能得到確保。連桿小頭襯套厚度，對于汽油機普通為0.6-1.5mm，對于柴油機普通為2-3mm。內燃機構造與設計軸承第11頁13.3軸承結構設計13.3.1.若干結構細節(jié)13.3.1.1軸瓦定位汽車發(fā)動機大生產工藝適合采有薄壁軸瓦。這種軸瓦通常在瓦口沖壓出一個定位唇，安裝時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，其軸向位置應確保上、下軸瓦軸向端面對齊。斜切口連桿大頭分界面正處于高負荷區(qū)，假如軸瓦對口面也在此處，會影響承載能力（通常軸瓦在靠近瓦口處削薄）。所以有些發(fā)動機斜切口連桿中軸瓦是“直切”安裝，其對口面垂直于連桿大小頭中心線。在這種設計中軸瓦用定位銷定位。內燃機構造與設計軸承第12頁13.3軸承結構設計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化柴油機上出現了一些新軸瓦內孔形狀。雙曲面軸瓦和兩端有微錐面軸瓦——軸向變厚度，可克服邊緣負荷。當高強化發(fā)動機受重量限制不能用加粗軸頸來確保高彎曲剛度時，用雙曲面軸瓦比較適應。兩端有微錐面軸瓦也有類似作用。內燃機構造與設計軸承第13頁13.3軸承結構設計橢圓軸瓦——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，現有利于潤滑油流過軸承改進散熱，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。內燃機構造與設計軸承第14頁13.3軸承結構設計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潤滑油孔和油槽油孔位置：潤滑油進入軸承位置應在軸承低負荷區(qū)，也就是厚油膜區(qū)。此區(qū)域可依據軸承負荷極坐標圖大致判斷。普通說來，主軸承進油孔在其上半部，連桿軸承在下半部。油槽：便于潤滑油充滿和流過軸承間隙，使?jié)櫥湍懿婚g斷地經過曲軸中油道進入連桿軸承，所以在主軸瓦上要開油槽。不過開油槽會降低軸承承載能力，所以，受載荷大而時間長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。內燃機構造與設計軸承第15頁13.3軸承結構設計內燃機構造與設計軸承第16頁13.3軸承結構設計

13.3.1.4止推軸承曲軸設置止推軸承目標是確保曲軸軸向定位，承受軸向推力（如正時斜齒輪傳動軸向分力，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，用四個止推片結構應用最廣泛，用兩個止推片結構只適合用于軸向力小曲軸。止推環(huán)和止推片相對于主軸承座是不能轉動，能夠用定位銷或定位舌定位。為改進止推片（環(huán)）與主軸頸間潤滑，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。內燃機構造與設計軸承第17頁13.3軸承結構設計內燃機構造與設計軸承第18頁13.3軸承結構設計內燃機構造與設計軸承第19頁13.3軸承結構設計

13.3.2軸瓦主要尺寸及過盈度確實定13.3.2.1軸瓦內徑與寬度軸瓦內徑為軸承座孔直徑減去兩倍軸瓦厚度（對變厚度軸瓦取其最大厚度）d=D0-2t。若不計公差，則軸瓦內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確實定實際上并不決定于軸承最正確設計考慮，而是決定于發(fā)動機缸心距、曲軸強度和剛度、發(fā)動機重量等方面考慮。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，油膜承載能力也會降低，同時寬軸瓦邊緣負荷較大，對壽命有不利影響。普通認為取b/d=0.4-0.6時，軸瓦承載能力最大。內燃機構造與設計軸承第20頁13.3軸承結構設計在實際使用時為使結構緊湊，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b/d=0.3。在初步設計中通常要驗算最大軸承載荷pmax下軸承比壓pmax=Pmax/bd，并與條件相同先進發(fā)動機軸承最大比壓相比較。所謂條件相同是指軸承潤滑條件、軸頸剛度及表面質量、b/d等相同且軸承材料相同。內燃機構造與設計軸承第21頁13.3軸承結構設計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。許多國家已在工業(yè)標準中要求軸瓦名義壁厚和公差系列，鋼背厚度與公差，以及對應合金層厚度與公差。表13-3中給出了美國SAE和日本標準中壁厚尺寸，它們都有輕、重兩個系列。SAE推薦轎