發動機滑動軸承材料

發動機滑動軸承設計概述

汽車發動機中有許多軸承，其中最重要的是連桿大頭軸承和曲軸主軸承。經過多年的發展，發動機用潤滑軸承在結構上已基本定型。連桿小頭是壓人襯套，連桿大頭軸承和軸主軸承則一般都分為上、下兩半，各嵌人一片軸瓦。軸瓦壁厚一般不超過3mm，由「鋼背」覆蓋減摩合金層構成；還有在減摩合金層加軟合金鍍層構成三層薄壁軸瓦。

目前國內軸承合金原材料製造工藝是巴氏合金軸瓦制坯採用離心澆鑄工藝；銅基合金軸瓦大部分採用離心澆鑄，一部分廠家採用銅鉛合金粉末燒結工藝制坯；而鋁基合金軸瓦一般則由專業廠家供應雙金屬帶材。國外大量生產銅基合金軸瓦時均採用連續鑄造法以及連續粉末燒結法。軸瓦的機械加工都是在專業軸瓦廠進行，並朝著機械化、自動化、連續化的生產方式發展。

1．發動機滑動軸承設計一般步驟

(1) 結合總體設計，確定軸承結構型式和主要尺寸。

(2) 結合動力計算，確定軸承負荷，繪製負荷圖。

(3) 校核軸承比壓和線速度，確定軸承合金材料。

(4) 作流體動力性能計算，繪製軸心軌跡田和油膜壓力分布圖；選擇潤滑油；確定軸承間隙，潤滑油進口溫度，壓力以及其它有關參數的合理數值。

(5) 作軸瓦，軸套等零件的結構設計，繪製工作圖。

2．軸承設計中要考慮的主要問題

(1) 選用合適的軸承減摩合金材料和表面鍍層，使其具有足夠的抗疲勞強度，以抵抗油膜壓力所引起的脈衝載荷，確保軸承在正常使用情況下不至於發生疲勞損壞，擦傷和過快磨損。

(2) 選擇合理的軸瓦寬徑比、油槽、軸承間隙和進油孔位置等，以利寧形成流體動力潤滑。

(3) 選擇合理的過盈度和自由彈勢．保證軸瓦不會在座孔中轉動並能傳出摩擦熱。

(4) 確保薄壁軸瓦的鋼背具有很高的抗壓屈服極限，軸承座在周向上的剛度均勻，軸承螺栓的布置與設計能夠在所有工況下維持結合面足夠的預緊壓力。雖然有不少經驗數據、資料和一些理論計算可在設計時參考，但有些因素是難以設定的，有些因素又沒有納入理論分析範圍，因此時軸承設計的評價只能是發動機試驗。

(5）用三層軸瓦可以顯著提高抗穴蝕、抗咬合、耐振動的能力，因而其疲勞強度最高。表面鍍層選擇適當，能對初期過熱引起的合金表面流動、粘著起」熨平」的作用。合金層的應變具有阻尼振動的效果。

（6）薄壁軸瓦應當充分緊固，使瓦背緊貼在底孔中，以提高散熱效果和改善應力分布。

（7）在結構設計上改變不適合的油槽、油孔的位置及尺寸。

發動機滑動軸承材料

1．發動機對滑動軸承材料的主要要求

從發動機中軸承的工作條件考慮，對軸承材料的要求是多方面的，其中主要有下列幾條。

(1) 有足夠高的疲勞強度。作用在軸承上的載荷具有交變性和衝擊性。軸承減摩合金材料應具有與所受載荷相應的疲勞強度，以免龜裂和剝落；要求鋼背與合金層的粘結性能奸，具有足夠的結合強度。軸承合金的機械性能(強度和硬度)還應隨溫度變化較小，適應軸承在高溫下工作的性能要求。

另外，軸承合金的承載能力與軸承座和軸瓦的剛度都有關係，變形越小，合金層應力越小，承載能力越高。軸瓦之所以要有鋼背，並且減摩合金層的厚度小(不超過0．4 mm)，原因即在此。

(2) 有良好的減摩性能，包括抗咬台性、嵌藏性和順應性。抗咬合性是指油膜暫時間斷，軸承和軸頸表面有局部直接接觸，摩擦升溫高的情況下(起動和停車過程，突然斷油等)，軸承和軸頸不容易互相咬合而發生擦傷的性質，這與軸承合金的親油性確有關。親油性好，維持邊界油膜的能力強，油膜切斷後恢復也快，則軸承的抗咬合性就好。嵌藏性是指軸承合金允許少量硬質的塵砂、磨屑等細微顆粒嵌入合金層而避免刮傷秈頸和隨之傷及自身的能力。順應性是指軸承合金層適應軸頸幾何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的能力。

軸承的抗咬合性、嵌藏性和順應性好，軸承合金和配對軸頸就比較耐磨，壽命長：不過軸承的耐磨性還與其它因素有關，如軸承的硬度，軸頸的材料、硬度，表面粗糙度以及潤滑情況等

(3) 耐腐蝕性。使用中曲軸箱內機油不斷氧化變質，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的耐腐蝕性。

(4) 抗穴蝕性。承受軸承表面上潤滑油局部壓力降低而產生的氣泡爆裂破壞的能力。

(5) 瓦背材料應具有足夠的抗壓屈服極限。瓦背材料直接或通過中間層與減摩合金層結合，應具有足夠的粘結強度；另一方面，軸瓦要以足夠的過盈裝在軸承座孔內，瓦背材料必須具有足夠高的屈服極限。低碳鋼是符合上述要求的材料，我國常用08、10和15號優質碳素鋼。幾乎沒有一種軸承減摩合金能同時滿足以上要求。一般來說，較硬的材料具有較高的機械性能，較軟的材料則具有較好的表面減摩性能。之所以廣泛採用在基本合金層上面再加軟合金鍍層(厚0．013—0．03皿n)的三層式軸瓦結構，就是為了改善表面減摩性能而同時保持基本合金層較高的機械性能。

2． 軸承減摩合金材料

發動機軸承合金材料品種很多，可分為巴氏合金、銅基合金和鋁基合金三大類。

2．1 巴氏合金

巴氏合金分為錫基和鉛基兩種。在軟質的鎬基體或鉛基體中均布著硬質點(SnSb、

Cu6Sn6、銻固溶體等等)。軟基體決定了巴氏合金具有良好的親油性、抗咬合性、順應性和嵌

藏性，對機油濾清的要求也相對較低。軟基體中均布硬質點則使巴氏合金具有較好的耐磨性。巴氏合金的最大缺點是疲勞強度低。

2．2 銅基合金

鋼基合金以強韌的銅作為基體。按合金中第二主要成分區分為鉛青銅、錫青銅和鋁青銅。這些軸承材料具有疲勞強度離、承載能力大的突出優點，而且機械性能隨溫度變化較小，因此許用比壓和許用工作溫度都大於巴氏合金和鋁基合金。缺點是順應性和嵌藏性差，對零件加工、加工精度和機油濾清質量的要求高，並要求軸頸有較高的硬度。此外，合金中的鉛易受酸的腐蝕，要求機油中有抗腐蝕添加劑。為了改善軸瓦表面減摩性能和耐腐蝕性，在合金層上要電鍍一層較軟合金薄層，這一層提供了保證曲軸系統有效工作所需的柔順性。目前這種材料的軸瓦主要用在

高強化的增壓柴油機上。

錫青銅和鋁青銅的許用比壓和耐磨性比鉛青銅還高，主要用於連桿小頭襯套。

2．3 鋁基合金

以鋁為基本成分．並按其第二成分區分為鋁錫合金、鋁硅合金和鋁鉛合金，鋁整合金軸瓦的綜合性能好，其抗咬合性、嵌藏性、順應性、耐腐蝕性、工藝性和經濟性都優於銅鉛合金軸瓦，疲勞強度和承載能力則優於巴氏合金。因此，鋁基合金軸瓦可稱是居第一位的軸瓦材料(約佔75％)，其中鋁錫合金應用最廣。

軸承合金的成分及綜合性能見表1及表2。

表1 常用合金減摩合金的基本化學成分

表2 常用軸承及襯套合金材料的綜合性能和用途

表3 表面鍍層的化學成分

表4 鍍層厚度與疲勞強度的關係

2．4 表面鍍層材料

電鍍在銅鉛合金，低錫鋁合金和鋁硅合金軸瓦表面的軟合金材料，常用的見表3。鍍層主要作用是改善軸承的抗腐蝕性、抗咬合性、順應性和嵌藏性，同時還能提高軸承的疲勞強度和承載能力。滿足高速高負荷發動機對軸承性能的要求。鍍層厚度0．013—0．03mm，其厚度加大會使疲勞強度降低、軸瓦合金層容易剝落。鍍層厚度與疲勞強度的關係見表4。

2．5 連桿小頭襯套材料

一般採用全浮式活塞銷的連桿小頭孔內都以過盈配合裝有耐磨襯套．常用材料是CuPbl0Snl0。也有用QSn4-4-2.5錫青鋼材料(如CA6102汽油機連桿小頭襯套材料)。

小頭襯套的設計參考標準GBl2613(滑動軸承卷制軸套）

作者：吳工

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