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作者简介
吴工：IND4汽车人资深注册用户。拥有大型国企和外企二十余年工作经验的资深内燃机设计工程师，擅长系统完整地介绍原理及设计经验。
发动机滑动轴承设计概述
汽车发动机中有许多轴承，其中最重要的是连杆大头轴承和曲轴主轴承。经过多年的发展，发动机用润滑轴承在结构上已基本定型。连杆小头是压人衬套，连杆大头轴承和轴主轴承则一般都分为上、下两半，各嵌人一片轴瓦。轴瓦壁厚一般不超过3mm，由“钢背”覆盖减摩合金层构成；还有在减摩合金层加软合金镀层构成三层薄壁轴瓦。
目前国内轴承合金原材料制造工艺是巴氏合金轴瓦制坯采用离心浇铸工艺；铜基合金轴瓦大部分采用离心浇铸，一部分厂家采用铜铅合金粉末烧结工艺制坯；而铝基合金轴瓦一般则由专业厂家供应双金属带材。国外大量生产铜基合金轴瓦时均采用连续铸造法以及连续粉末烧结法。轴瓦的机械加工都是在专业轴瓦厂进行，并朝着机械化、自动化、连续化的生产方式发展。
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发动机滑动轴承设计一般步骤
(1) 结合总体设计，确定轴承结构型式和主要尺寸。
(2) 结合动力计算，确定轴承负荷，绘制负荷图。
(3) 校核轴承比压和线速度，确定轴承合金材料。
(4) 作流体动力性能计算，绘制轴心轨迹田和油膜压力分布图；选择润滑油；确定轴承间隙，润滑油进口温度，压力以及其它有关参数的合理数值。
(5) 作轴瓦，轴套等零件的结构设计，绘制工作图。
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轴承设计中要考虑的主要问题
(1) 选用合适的轴承减摩合金材料和表面镀层，使其具有足够的抗疲劳强度，以抵抗油膜压力所引起的脉冲载荷，确保轴承在正常使用情况下不至于发生疲劳损坏，擦伤和过快磨损。
(2) 选择合理的轴瓦宽径比、油槽、轴承间隙和进油孔位置等，以利宁形成流体动力润滑。
(3) 选择合理的过盈度和自由弹势．保证轴瓦不会在座孔中转动并能传出摩擦热。
(4) 确保薄壁轴瓦的钢背具有很高的抗压屈服极限，轴承座在周向上的刚度均匀，轴承螺栓的布置与设计能够在所有工况下维持结合面足够的预紧压力。虽然有不少经验数据、资料和一些理论计算可在设计时参考，但有些因素是难以设定的，有些因素又没有纳入理论分析范围，因此时轴承设计的评价只能是发动机试验。
(5) 用三层轴瓦可以显著提高抗穴蚀、抗咬合、耐振动的能力，因而其疲劳强度最高。表面镀层选择适当，能对初期过热引起的合金表面流动、粘着起”熨平”的作用。合金层的应变具有阻尼振动的效果。
(6) 薄壁轴瓦应当充分紧固，使瓦背紧贴在底孔中，以提高散热效果和改善应力分布。
(7) 在结构设计上改变不适合的油槽、油孔的位置及尺寸。
发动机滑动轴承材料
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发动机对滑动轴承材料的主要要求
从发动机中轴承的工作条件考虑，对轴承材料的要求是多方面的，其中主要有下列几条。
(1) 有足够高的疲劳强度。作用在轴承上的载荷具有交变性和冲击性。轴承减摩合金材料应具有与所受载荷相应的疲劳强度，以免龟裂和剥落；要求钢背与合金层的粘结性能奸，具有足够的结合强度。轴承合金的机械性能(强度和硬度)还应随温度变化较小，适应轴承在高温下工作的性能要求。
另外，轴承合金的承载能力与轴承座和轴瓦的刚度都有关系，变形越小，合金层应力越小，承载能力越高。轴瓦之所以要有钢背，并且减摩合金层的厚度小(不超过0．4 mm)，原因即在此。
(2) 有良好的减摩性能，包括抗咬台性、嵌藏性和顺应性。抗咬合性是指油膜暂时间断，轴承和轴颈表面有局部直接接触，摩擦升温高的情况下(起动和停车过程，突然断油等)，轴承和轴颈不容易互相咬合而发生擦伤的性质，这与轴承合金的亲油性确有关。亲油性好，维持边界油膜的能力强，油膜切断后恢复也快，则轴承的抗咬合性就好。嵌藏性是指轴承合金允许少量硬质的尘砂、磨屑等细微颗粒嵌入合金层而避免刮伤籼颈和随之伤及自身的能力。顺应性是指轴承合金层适应轴颈几何形状偏差或变形而减小边缘载荷和磨损，使载荷和磨损均匀化的能力。
轴承的抗咬合性、嵌藏性和顺应性好，轴承合金和配对轴颈就比较耐磨，寿命长：不过轴承的耐磨性还与其它因素有关，如轴承的硬度，轴颈的材料、硬度，表面粗糙度以及润滑情况等
(3) 耐腐蚀性。使用中曲轴箱内机油不断氧化变质，生成有机酸和过氧化合物，对轴承表面有腐蚀作用，故要求轴承合金有良好的耐腐蚀性。
(4) 抗穴蚀性。承受轴承表面上润滑油局部压力降低而产生的气泡爆裂破坏的能力。
(5) 瓦背材料应具有足够的抗压屈服极限。瓦背材料直接或通过中间层与减摩合金层结合，应具有足够的粘结强度；另一方面，轴瓦要以足够的过盈装在轴承座孔内，瓦背材料必须具有足够高的屈服极限。低碳钢是符合上述要求的材料，我国常用08、10和15号优质碳素钢。几乎没有一种轴承减摩合金能同时满足以上要求。一般来说，较硬的材料具有较高的机械性能，较软的材料则具有较好的表面减摩性能。之所以广泛采用在基本合金层上面再加软合金镀层(厚0．013—0．03皿n)的三层式轴瓦结构，就是为了改善表面减摩性能而同时保持基本合金层较高的机械性能。
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轴承减摩合金材料
发动机轴承合金材料品种很多，可分为巴氏合金、铜基合金和铝基合金三大类。
2．1 巴氏合金
巴氏合金分为锡基和铅基两种。在软质的镐基体或铅基体中均布着硬质点(SnSb、
Cu6Sn6、锑固溶体等等)。软基体决定了巴氏合金具有良好的亲油性、抗咬合性、顺应性和嵌
藏性，对机油滤清的要求也相对较低。软基体中均布硬质点则使巴氏合金具有较好的耐磨性。巴氏合金的最大缺点是疲劳强度低。
2．2 铜基合金
钢基合金以强韧的铜作为基体。按合金中第二主要成分区分为铅青铜、锡青铜和铝青铜。这些轴承材料具有疲劳强度离、承载能力大的突出优点，而且机械性能随温度变化较小，因此许用比压和许用工作温度都大于巴氏合金和铝基合金。缺点是顺应性和嵌藏性差，对零件加工、加工精度和机油滤清质量的要求高，并要求轴颈有较高的硬度。此外，合金中的铅易受酸的腐蚀，要求机油中有抗腐蚀添加剂。为了改善轴瓦表面减摩性能和耐腐蚀性，在合金层上要电镀一层较软合金薄层，这一层提供了保证曲轴系统有效工作所需的柔顺性。目前这种材料的轴瓦主要用在
高强化的增压柴油机上。
锡青铜和铝青铜的许用比压和耐磨性比铅青铜还高，主要用于连杆小头衬套。
2．3 铝基合金
以铝为基本成分．并按其第二成分区分为铝锡合金、铝硅合金和铝铅合金，铝整合金轴瓦的综合性能好，其抗咬合性、嵌藏性、顺应性、耐腐蚀性、工艺性和经济性都优于铜铅合金轴瓦，疲劳强度和承载能力则优于巴氏合金。因此，铝基合金轴瓦可称是居第一位的轴瓦材料(约占75％)，其中铝锡合金应用最广。
轴承合金的成分及综合性能见表1及表2。
表1 常用合金减摩合金的基本化学成分
表2 常用轴承及衬套合金材料的综合性能和用途
表3 表面镀层的化学成分
表4 镀层厚度与疲劳强度的关系
2．4 表面镀层材料
电镀在铜铅合金，低锡铝合金和铝硅合金轴瓦表面的软合金材料，常用的见表3。镀层主要作用是改善轴承的抗腐蚀性、抗咬合性、顺应性和嵌藏性，同时还能提高轴承的疲劳强度和承载能力。满足高速高负荷发动机对轴承性能的要求。镀层厚度0．013—0．03mm，其厚度加大会使疲劳强度降低、轴瓦合金层容易剥落。镀层厚度与疲劳强度的关系见表4。
2．5 连杆小头衬套材料
一般采用全浮式活塞销的连杆小头孔内都以过盈配合装有耐磨衬套．常用材料是CuPbl0Snl0。也有用QSn4-4-2.5锡青钢材料(如CA6102汽油机连杆小头衬套材料)。
小头衬套的设计参考标准GBl2613(滑动轴承卷制轴套）
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>讲师：Nicolas Gu
本科毕业于华中科技大学，硕士毕业于南昌大学热能与动力工程，先后供职于多家国内著名合资及独资乘用车企业从事整车制造管理工作。
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