汽車水泵軸承載荷計算方法及壽命計算

2010-07-27 00:35:00李正美唐建平

軸承 2010年5期

李正美，唐建平，安琦

(1.華東理工大學，上海 200237；2.江蘇容天樂機械股份有限公司，江蘇常州 213000)

符號說明

bm1，bm2——滾子軸承和球軸承的額定系數

CD——基本額定動載荷，N

Dw1，Dw2——滾子直徑和球直徑，mm

F1H,F1V,F2H,F2V——皮帶緊邊和松邊拉力的水平分量及豎直分量

Fr1H,Fr1V,Fr2H,Fr2V——滾子和球軸承徑向載荷的水平分量及豎直分量

fc1,fc2——與軸承零件幾何形狀、制造精度及材料有關的系數

fs——葉輪蓋板面積缺失率

g——重力加速度，m/s2

Gb——帶輪的重量，N

Gf——風扇的重量，N

Gs——軸承的重量，N

Hp——水泵勢揚程，m

i1,i2——滾子列數和球列數

Lwe——滾子長度，mm

L10——基本額定壽命

P——水泵帶輪名義傳動功率，kW

Peq——當量動載荷，N

Pf——作用在單位厚度翼型上的升力，N

q——皮帶線密度，kg/m

Q1——水泵理論流量，m3/s

R1——水泵殼入口孔半徑，m

R2——水泵葉輪出口半徑，m

Ra——水泵轉軸小端半徑，m

Rb——風扇葉輪輪轂半徑，m

Rf——風扇葉片半徑，m

Rh——水泵葉輪輪轂半徑，m

Rm——水泵葉片底部半徑，m

vb——帶速，m/s

V1,V2——進、出口液流的絕對速度，m/s

Vm0,Vm3——水泵葉片進口稍前及出口稍后的軸面速度，m/s

w∞——無窮遠來流的相對速度，m/s

Z1,Z2——滾子數及球數

α——帶輪包角，(°)

β1,β2——軸承公稱接觸角

β∞——無窮遠來流的相對速度與圓周速度反方向的夾角

ε——壽命指數

μv——V形帶傳動當量摩擦系數

θ——水泵葉輪出口軸面速度與軸線方向的夾角,(°)

ρ——水密度，kg/m3

ρ′——空氣密度，kg/m3

ω——水泵轉軸旋轉角速度，rad/s

ω′——風扇旋轉角速度，rad/s

汽車冷卻水泵滾動軸承在實際工況下受載情況較為復雜，其載荷和壽命的精確計算是實際應用中的難點之一，長期以來大多采用經驗算法，準確性不高。根據Lundberg-Palmgren滾動軸承壽命理論[1]，軸承的壽命與其承受的載荷息息相關，因此精確計算軸承載荷是高質量軸承設計的前提。此外，滾動軸承的壽命還受結構、潤滑、材料、環境、可靠度等多種因素影響[2-4]。下文在結合汽車水泵實際工況的基礎上，全面考慮各種影響軸承載荷的因素，以WR3258152型汽車水泵軸承為例，對汽車水泵軸承承受的載荷及壽命進行了計算分析。

1 水泵軸系受力分析

WR3258152型汽車水泵軸承兩列滾動體中，一列為圓柱滾子，另一列為鋼球。軸承外圈通過過盈配合裝在冷卻水泵殼體內，充當軸承內圈的轉軸經皮帶傳動由發動機曲軸驅動。轉軸一端連接冷卻水泵的葉輪；另一端與皮帶輪相連，皮帶輪外又連接了冷卻風扇。圖1a為水泵軸承的裝配圖；圖1b表示水泵軸承傳動輪系。

(a)汽車水泵軸承裝配關系圖(b)傳動輪系1—水泵帶輪；2—風扇離合器；3—風扇；4—水泵軸承；5—泵殼；6—水泵葉輪；7—吸水室；8—軸承轉軸；9—壓水室；10—充電機帶輪；11—曲軸帶輪圖1 水泵軸承工況圖

汽車正常行駛過程中，冷卻水的溫度一般維持在60～80 ℃。如圖2所示，正常工作時，水泵轉軸承受的外部載荷可分為5個組成部分：(1)風扇轉動時產生的軸向力Faf以及轉動阻力矩Mf(軸流式風扇，無徑向力)；(2)帶輪上的皮帶拉力F1，F2；(3)水泵葉輪產生的軸向力Faw、徑向力Frw以及轉動阻力矩Mw；(4)兩列滾動體提供的徑向支承反力Fr1，Fr2和軸向反力Fa2；(5)各零部件自身重量。