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汽车曲轴为什么不用滚动轴承?

发布时间:2022-11-03 13:51:17 作者:行业大咖秀 点击:1787

汽车曲轴用的轴瓦严谨来说也是轴承。轴承可以细分为滚动轴承滑动轴承,滑动轴承比较常见如下图所示,滚珠、滚柱作为滚动体,滚动体在轴承内圈、外圈之间起到润滑的作用。当然滚动轴承会用润滑脂、润滑油来提高滚动体的顺滑程度,减轻滚动体所受到的磨损。

滑动轴承如下图所示,它的结构更简单,轴瓦表面遍布油道,它省略了滚动轴承柱状或球状滚动体,而利用加过压的油液(具有高流动特性的润滑油,机油、ATF等等)作为液态滚动体,起到隔离两个存在摩擦的金属表面的作用,摩擦面上所覆盖的油液可以称之为油膜。

正因为有加压的油膜存在,所以曲轴的轴颈与轴瓦之间不存在硬摩擦,所以在高温、高冲击的恶劣环境下,轴瓦使用寿命更长,稳定性更高。因为加压油膜起到支撑、分隔的作用,所以滑动轴承可以造得更大、可以拥有更大的接触面积,从而获得更理想的支撑及稳定效果,所以滑动轴承能承受更大的载荷。

如果汽车曲轴用滚动轴承,很可能在半年之内轴承的滚动体(滚柱、滚珠)变得不再光滑甚至破碎,过去自行车前轮的轴承滚珠破碎相信朋友们都曾见识过,对吧?自行车上的滚珠轴承坏了也好更换,10分、20分钟就能完成换新。而发动机曲轴上的轴承该如何去更换?总不能一年半载拆解发动机换轴承吧?那叫大修!

而轴瓦(滑动轴承)的滚动体是加压的机油,使用个一年半载机油性能下降后直接更换即可。为什么汽车机油更换的频繁?实际上这等效于更换滚动轴承滚动体的过程,核心部位更换零件太复杂,所以用滑动轴承更稳定也更省心。效率、损耗对于工业而言的确很重要,但简单的结构、持久而稳定的运行同样重要。对于轴瓦而言,只要不是供油系统或机油品质出了问题,拉瓦、抱瓦的问题几乎不会出现。

曲轴能不能使用滚动轴承?

每次遇到这种问题,总会出现一些“大聪明”说曲轴不用滚动轴承是因为曲轴比较特殊的造型(一拐接一拐)。如上图所示,曲轴的特殊结构似乎真没办法把滚动轴承给套上去对么?而之所以会产生这种认知,实际上就是一些朋友对滚动轴承的理解还不够。滚动轴承并非都是一体式的,滚动轴承也有分体式的,如下图所示分体式滚动轴承。轴承分为上下两部分,形状与轴瓦一致,直接往轴颈上一抱即可。

所以汽车曲轴不用滚动轴承主要的原因并不是装不上,分体式滚动轴承就可以轻松地装上。本质则是在于高转速、高温、高载荷的条件下,不适合用滚动轴承。一些船用低转速柴油机的曲轴有采用滚动轴承的,但像高转速汽油机、大功率电机大多数都是采用滑动轴承(轴瓦),这可以理解成工业层面上的一种共识。所以在恶劣工况下运行的轴承都采用滑动轴承。

摩擦系数的比较

相对而言滑动轴承的摩擦系数的确很大,在半干摩擦状态下摩擦系数能达到0.1-0.5。但重点是采用了压力润滑,也就是向摩擦面之间注入加压润滑油(机油),润滑油形成油膜完成对摩擦面的包裹,并起到支撑、分离两个摩擦面的作用。所以此时只存在液体之间的摩擦,这种形式也称之为液体摩擦,也叫液体润滑。如上图所示液体润滑的摩擦系数仅为f=0.001-0.01之间。

如上图所示各类滚动轴承摩擦系数,大部分的摩擦系数在0.01之下,实际上采用了液体润滑的滑动轴承在摩擦系数上已经接近于滚动轴承。很多朋友认为轴瓦面积大、摩擦系数高是没有考虑到液体润滑。油膜起到对摩擦面的分离效果极大程度降低摩擦系数,所以汽车发动机曲轴才会采用轴瓦。敢用轴瓦必然有所依仗,而依仗就是压力润滑,也就是液体静压润滑。

液体静压润滑需要外界的压力系统来提供压力,如发动机、机油泵来提供机油压力。静压轴承的优势在于承载能力更大、回转精度更高、运行稳定、抗震能力强。一般会用于高精度、高转速、高温环境下运行的设备之中。滚动轴承虽然接触面积小,但其起到支撑的是点或线,在支撑上不足,面支撑与点线支撑谁更强不必多说吧?滚动轴承虽然也会上润滑油(黄甘油那类的玩意),但其滚动体是滚珠或滚柱。

所以在运行时必然会产生磨损,而静压轴承利用液体润滑,滚动体是机油,所以出现性能问题后直接更换机油即可,但如果是滚动轴承就需要直接更换了。所以在使用寿命上静压轴承(轴瓦)更长,所以往往在核心部位上都采用轴瓦,除了稳定、耐用之外,核心部位零件的更换有多费劲?活塞上下行产生的震动真不适合滚动轴承相对脆弱的机械结构,低转速的则没问题。

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