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摘要：在发动机布置中，通过水泵轴承转轴悬挂风扇是一种常见现象。轴承转轴的强度不足会导致水泵轴承转轴断裂，产生发动机拉缸和皮带轮系不工作的现象，导致安全事故。因此，轴承转轴是否满足悬载风扇及传递扭矩的强度要求，研究此问题尤为重要。
关键词：汽车水泵；轴承转轴；强度校核；方法
1水泵轴承转轴的功用
在汽车行驶中，水泵通过叶轮转动给与冷却液一定的压力，驱使冷却液在发动机水道中循环，循环的过程中带走部分发动机产生的热量，保证发动机处于一个合适的工作温度，利于燃烧室的燃烧。轴承转轴是水泵的重要组件，起着从曲轴到水泵叶轮的扭矩传导作用。发动机布置中，水泵轴承转轴前端一般悬挂风扇总成，同时承受由皮带传递过来的扭矩，因此要求轴承转轴有着较高的承载能力，需要具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性，高的接触疲劳性能。随着发动机对动力性和经济性的要求提高，对于发动机冷却性能有着更高的要求，比如增加喷油量，加大风扇扇叶直径等，都间接着提高了水泵轴承转轴的实际承载。
2影响汽车水泵轴承因素分析
汽车水泵使用的轴承大多为滚动轴承，下面将以滚动轴承为例来进行说明。轴连轴承为一个组装件，是由滚动体、保持架、轴、套圈、润滑脂和密封等部件组装在一起的单元部件。相对传统的0类轴承，其有密封性好不易污染、减少重量和体积等优点，符合目前汽车行业的发展趋势，因此得到了广泛的应用。一般来说，汽车水泵使用的轴连轴承有两列滚动体的组合，配置为一列钢球+一列滚柱或两列钢球的结构，相当于两列0类轴承的组合安装。轴连轴承在轴和套圈的沟道之间形成滚动体的安装和工作空间，并利用保持架对滚动体进行固定，避免出现大的轴向位移，然后填充合适分量的润滑脂保证滚动体的正常工作，最后在套圈的两端安装密封件，保证轴承滚动体的工作环境不受污染，从而提升轴承的可靠性。行业中普遍认为滚动接触面的金属疲劳磨损是滚动轴承损坏的主要原因。因此轴承的运转速度、承受负荷的大小、运转的稳定性和润滑性都会对轴承的寿命产生很大的影响。并且在考虑轴承可靠性的时候需要把轴承作为一个系统来进行分析，整个系统中涉及的如保持架、密封、润滑脂等，这些部件对轴承的可靠性同样起着重要的作用，也就是说只有这些关键零部件同时达到轴承的计算寿命，才有可能使实际的使用寿命负荷设计寿命。但在实际应用中，金属疲劳还是轴承失效最主要的因素，在国际标准ISO281和国家标准GB/T6391中就是以滚动接触面的金属疲劳作为基础。因此我们在实际应用过程中，进行轴承的理论可靠性计算，即为轴承的滚动接触面的金属疲劳寿命。
3汽车水泵轴承转轴的强度校核方法
3.1水泵轴承转轴受力分析
通过水泵法兰与风扇离合器的装配，在发动机工作时，水泵轴承转轴带动风扇转动，推动空气以中心轴平行的方向向发动机吹去。由相互作用力可知，在风扇扇叶推动空气时，空气会给扇叶一个反向作用力。因风扇属于轴流风扇，关于中心轴对称，认为风扇转动时气流无对轴承转轴的径向载荷，因此轴承转轴在风扇位置承受轴向载荷FF,风扇重力GF，转动时产生的离心力FF1，及转动阻力矩TF。因为皮带具有张紧力的原因，皮带张紧力通过皮带轮给与轴承转轴一个向下的合力剪力FH,凡的Y轴分量为凡Y,Z轴分量为FHA，及皮带输人的转矩TF。稳态工况下，轴承转轴会承受皮带轮重力GP、转动时产生的离心力FF，法兰重力GF。本水泵叶轮为半开式叶片，水泵涡室为螺旋形，在稳定运转工况下，叶轮周围的冷却液和压力是均匀轴对称的，认为叶轮无承受冷却液的径向力。叶轮所承受的轴向力为推动冷却液的反力FI。轴承转轴在叶轮位置承受叶轮重力GI，叶轮承受的轴向力F,及转动阻力矩TI。轴承转轴在轴承位置承受滚子轴承支撑力Fr1，球轴承支撑力Fr2。因为轴承转轴本身的质心非常接近滚子轴承接触支撑力Fr1，的位置，不影响轴承转轴所承受的弯矩和扭矩。所以看作轴承转轴的重力与滚子轴承接触支撑力F，在同一点，方向在Y轴上，无需计算轴承转轴的重量。
3.2轴承转轴强度校核
在图1,2中，A点是风扇载荷作用点;B点是水泵法兰作用点;C点是滚柱轴承载荷作用点;D点是皮带加皮带轮载荷作用点;E点是滚子轴承载荷作用点;F点是叶轮载荷作用点。Fr1Y、Fr1Z、Fr2Y、Fr2Z，是滚子与球轴承径向载荷的Y轴和Z轴分量由装配结构已知:L1=72.7mm,L2=22.4mm,L3=26.1mm，L4=78.1mm，L5=43mm。
分析知，当离心力与重力G、皮带张紧力FH竖直分量一致时，轴承转轴承受的弯矩和剪力最大，考虑到轴承转轴极限承载的原因，认为稳态工况下离心力的方向是向下的。轴承转轴的支撑点为滚子轴承与深沟球轴承，深沟球轴承承受径向力和轴向力，滚子轴承承受径向力与M平衡，滚子轴承左侧轴承转轴所承受的弯矩由滚子轴承抵消，右侧轴承转轴所承受的弯矩由滚子轴承抵消。
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图1轴承转轴在X-Y平面的力系平衡
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图2轴承转轴在X-Z平面的力系平衡
4汽车水泵轴承转轴控制措施
4.1温度改变
泵壳、轴承安装要求相对较高。从机械手册中可以看出，壳体孔与轴承之间采用过盈配合，使轴承承受更多轴向载荷，加速了轴承在运行中的损耗和老化。随着运行时间的延长，汽车水泵的温度将逐渐升高。受热膨胀和冷缩特性的影响，轴承和壳体零件将膨胀。如果两部分膨胀比不相同，轴承与壳体孔之间的间隙在升温过程中会继续扩大，可能导致轴承脱落的潜在安全隐患。通过相关试验，可以得出轴承轴向承载力与温度呈正相关。因此，在轴承材料的选择中，应尽量选择壳体膨胀系数相近的类型，避免轴承因温度变化而脱落。
4.2安装孔加工精度
轴承安装孔的加工精度受多种因素的影响，其中最重要的两个因素是安装孔表面粗糙度和形位公差的圆柱度。在使用数控车床加工轴承孔表面时，由于机床进给速度和进给速率的影响，加工表面会产生刀痕和划痕，从而导致表面粗糙度值较高，从而缩短了安装干涉配合轴承的寿命。因此，为了避免安装孔表面粗糙度对轴承稳定性的影响，可以在满足设计要求的前提下，减小轴承与孔之间的接触面积，减少干涉量。此外，在形位公差圆柱度检测中，还需要从截面和轴线方向进行分析。为了避免圆柱度偏差对轴承安装的影响，还可以通过减小轴承安装面来控制。因此，为了防止轴承脱落，应严格控制轴承孔的加工精度和圆柱度偏差，有效地防止轴承移位。
4.3叶轮旋转对安装运动的影响
在叶轮旋转过程中，叶轮两侧充入的压力油会产生压差，导致叶轮旋转时的力不平衡，增加作用在轴承上的轴向力，增加轴承因位移问题脱落的概率，降低了汽车水泵的稳定性和耐久性。对汽车泵叶轮旋转力的分析表明，轴承轴向力方向是从叶轮叶片的相反方向传递的，轴承上的轴向力不能被外力抵消，因此应提高叶轮的轴向承载力。此外，轴承侧还可安装轴向挡圈，防止轴承脱落，保证轴承和汽车泵的运行稳定可靠。
结论
我们研究的是针对于轴承转轴稳态的强度校核方法，对于轴承转轴瞬态的承受载荷分析更加复杂，需考虑瞬态叶轮和风扇加速所引起的轴向力增加、皮带张紧力增加等因素。轴承转轴非稳态的计算需进一步分析。
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