某型发动机风扇轴承座的设计改进

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某型发动机风扇轴承座的设计改进

林立峰，胡金寿

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某机型的风扇轴承座故障率近年来有增加的趋势，就该问题做了详细分析，找出了问题的原因，在几个可能的设计方案中，选择了一个相对最优的方案。批量应用近一年的结果表明改进取得了预期目标，可靠性显著提升，用户报修率大幅下降。

附件驱动系统风扇轴承轴承座

1 前言

发动机的附件驱动系统由曲轴驱动，通常从曲轴前端取力，通过某种传动方式（齿轮，链，或皮带）带动发动机及整车正常运行所必须的其他一些附件（如：水泵、充电发电机、风扇、空调压缩机、空气压缩机等）[1]。该系统所涉及的零部件较多，如果该系统失效，就会影响到发动机甚至整车的正常运行。

某型柴油机的附件驱动系统（或称为前端驱动系统）采用橡胶多楔带型式，以曲轴减振器的皮带盘作为主动轮，通过多楔带（皮带）驱动水泵、充电发电机、风扇等附件，通过张紧轮自动调整皮带的张力。冷却风扇大多通过安装法兰及连接轴直接固定在一个风扇轴承座上，由皮带直接驱动。近年来，该型柴油机的前端驱动系统中风扇轴承座部件的用户报修率呈逐年上升趋势。针对该问题进行研究分析，找出原因并制定优化设计方案，近一年的大批量验证结果表明取得成功，用户报修率大幅下降。本文简要介绍了风扇轴承座的分析、改进思路和过程，以期能对今后类似的系统设计及改进提供一些参考。

2 风扇轴承座的使用现状

该型柴油机为批产多年相对成熟的产品，但是近年来，风扇轴承座部件的报修率呈上升趋势，新发动机出厂后6个月（或500小时）的用户报修率，以及新机出厂一年的故障率都较以前有明显的增加。对于某些个别的配套机型，问题更加严重：（1）在相同的使用期内的故障率更高；（2）首次出现故障的时间也大大缩短。

风扇轴承座的故障主要表现为异响、轴承卡死、轴承内圈外逃和脱落。这些故障造成的后果：（1）轴承异响，噪音；（2）轴承卡死，引起附件驱动系统转速降低，进而引起风扇、水泵等冷却能力下降，导致发动机过热；（3）轴承内圈，连同风扇联接法兰外逃，打坏冷却风扇叶片、散热器水箱。

曾经有观点分析认为是由于润滑脂泄漏，外界环境的灰尘进入轴承内而导致了轴承的失效，并据此采取了相关改进措施，如在端部增加一个固定的挡尘罩。但批量验证的结果显示，此改进效果不甚明显。

3 对风扇轴承座部件失效的原因分析

3.1 风扇轴承座的原结构型式

目前风扇轴承座采用的是轴连轴承结构型式，共有两列轴承，一列是圆柱滚子轴承，一列是向心球轴承。圆柱滚子轴承承担了较大的径向负荷，但基本上不承担轴向负荷；球轴承承担一定的径向负载，同时还承受了几乎全部的轴向负荷。轴承的关键零件及部件总成均是由国内某厂家提供。

3.2 对故障件的分析

收集了数十个风扇轴承座的故障件，并结合用户报修及现场处理情况的描述做汇总，分析。首先进行轴承座的材质分析，常规通用的轴承专用钢GCr15，其材料成分、金相组织、硬度等指标均符合技术要求。有针对性地选择了4个故障件，用线切割的方法（对被解剖零件的破坏程度非常小），在不破坏已出故障的内部结构的前提下，进行解剖分析，大致情况如下：

（1）球轴承的内轴的沟槽，在轴向方向，存在明显的异常磨损，磨损量可达2～5mm。其表面存在材料剥落的痕迹，属表面接触疲劳。球轴承的保持架往往已散架，见图1和图2。这表明球轴承已不能承受轴向负荷与径向负荷的共同作用，进而出现了异常磨损，导致异响、卡死，或轴承脱落等故障。

（2）圆柱滚子轴承连同其保持架，整体出现轴向窜动、移位，并与轴承外圈的退刀槽发生非正常接触，相互挤压，有明显的痕迹，参见图3和图4。从图中可见，滚子轴承出现了轴向窜动，导致滚子与轴连轴承外圈的退刀槽干涉（有明显的痕迹）；同时，滚子整体还出现了轴向方向的偏移，导致不能正常地在内、外圈运转，进而出现异响、卡死等故障。

（3）某些失效件中，其润滑脂仍然完好，甚至还未变色。

综合分析认为：风扇轴承座的轴连轴承同时承受径向负荷和轴向负荷，其中径向负荷的悬臂梁效应比较突出，虽然圆柱滚子轴承的径向承载能力比较强，但在该机型的配套应用中，仅一列滚子轴承显然还不能满足使用工况，即使加上另外一列球轴承也仍然不能满足使用要求。

图1 球轴承失效

图2 球轴承内圈的沟槽异常磨损

图3 滚子轴承已出现了整体窜动

图4 滚子轴承的理论正常位置

确认失效的根本原因是：轴连轴承的承载能力不足，导致使用时间短，失效率高。

3.3 风扇轴承座部件的运行状况的分析

该型柴油机已大批量投产多年，总体上其性能和质量均已成熟稳定，为何近年来风扇轴承座的故障率反而有明显上升的趋势？原因在于其前端驱动系统有较多的改进和变动，导致风扇轴承座部件所承受的负荷明显增加，以致轴连轴承的承载能力显得不足。主要的变动有以下三类情况：

（1）该型柴油机广泛应用于卡车、客车、工程机械等，变型产品非常多。前端驱动系统要根据整车配套的需要做调整，如：风扇位置和速比，充电发电机的调整（外形安装尺寸的不同，速比/带轮大小的不同）等，这都将导致轮系的变化，相当于设计一个新的轮系。如果时间仓促，新轮系验证不充分，设计不合理，则可能会使风扇轴承座的工作条件恶化。例如：某个轮系设计后，在新机装配时，轮系还算是比较合理，也未出现安装困难，但在发动机运行几十个小时后，皮带出现了正常的伸长，张紧轮旋过一个小角度，出现了所谓的“张紧轮顶死”的现象（即：张紧轮正好处于该段皮带的中分线上）。此时张紧轮已失去了“自动张紧”的调节功能，仅相当于一个惰轮，在发动机加速时，皮带的张紧力将急剧增加，使得风扇轴承座上承受的径向负荷也大幅度增加。

（2）近年来该柴油机在进行配套设计时，越来越重视整机的热平衡能力的提高，采取过不少优化措施，如：加大散热水箱，加大风扇的直径和提高风扇转速（以增加风量），加大风扇到柴油机前端面的距离等。其中，加大风扇规格，增加重量，以及加大风扇到柴油机前端面的距离等这些措施，都将会增加风扇轴承座承受的径向力，增加轴连轴承所承受的弯矩；加大风扇风量，还将增加轴连轴承所承受的轴向力。对该机型相关图纸和技术文件的粗略统计表明：近年来，冷却风扇的风量及重量普遍增加了10%～30%，风扇到柴油机前端的距离增加了20%～50%。

（3）对于配套客车机型，为满足越来越复杂的整车电路及整车舒适性的要求，附件驱动系统中充电发电机的功率也越来越大，从原来的2 kW到现在的3 kW和4 kW，轮系的驱动功率增加后，为防止多楔带出现滑动，轮系异响，采用的措施之一是加大皮带的预紧力（即：加大张紧轮的压紧力）。4 kW发电机的轮系，其张紧轮的扭矩增加了约30%。皮带的张紧力增加，最终将增加作用在风扇轴承座轴连轴承上的径向力。图5和图6分别为其中一种轮系的结构示意图和风扇轴承座的受力示意图。

图5 该型柴油机某一种轮系的结构示意图

图6 风扇轴承座的受力示意图

图中，

Fr1——由轴承自身的重量产生的径向力，包括内轴、安装法兰、垫块、多楔带轮槽、三角带轮槽等；

Fr2——由皮带（多契带）的张紧力产生的径向力；

Fr3——由冷却风扇的重量产生的径向力；

Fa——由冷却风扇工作时气流的反作用力产生的轴向力；在发动机的加速工况下，还需考虑由此产生的额外冲击力；

O1——为铰接支点，即原设计中的角接触球轴承；

O2——为支点，即原设计中的圆柱滚子轴承。径向力1和3的大小，及其产生的弯矩可以由相关的图纸尺寸、参数直接求出。径向力的大小及其产生的弯矩，可以由两种方法获得：其一，用专门的测量工具测量皮带的挠度，进而求出皮带的张力；其二，利用相关的软件分析计算（如AVLTYCON），对该轮系进行模拟分析，求出皮带的张力。

稳态工况的轴向力可以从风扇的性能曲线（空气流量，转速，扭矩，静压）求出；加速工况时的轴向力，根据相关推荐公式，可以按稳定工况时轴向力的两倍来计算。

根据上述相关数据，按照轴承行业相关的技术规范，即可计算出其额定寿命。计算结果显示：按照目前的柴油机的运行工况、负荷，原风扇轴承座的额定寿命偏低。此结果与实际产品在市场反馈中报修率高的情况比较吻合。

因此，风扇轴承座的使用条件，事实上已经出现了较大的变化，工况更复杂了，其理论上的使用寿命已经不能满足新的配套应用要求。有必要对其作相应的设计改进，以提高轴连轴承的承载能力，更好地适应新的使用工况。

4 设计改进方案的分析、确定

综上所述，该柴油机风扇轴承座部件失效的主要原因是，前端驱动系统的使用工况有了很大的变化，轴承的承载能力已不足以承受外在负荷。为提高风扇轴承座的承载能力，提高其可靠性，初步考虑了以下几种改进方案：

（1）改用国外知名品牌的轴承，如：日本NSK，瑞典SKF，美国TIMKEN，德国FAG；

（2）加大轴承的规格和尺寸；

（3）优化现有的设计结构，争取以最小的改动获得更大的效果。

采用国外知名品牌的轴承产品，在一定程度上能提高该部件整体的可靠性，但显然成本将增加不少，而且能否从根本上解决问题尚不能确定。

加大轴承的规格能显著地提高其整体的承载能力，但是限于该发动机的结构尺寸，已没有空间可供选择更大规格的轴承。另外，虽然该系列柴油机的部分机型可以新设计加大规格的轴承，但这就相当于设计一个新的风扇轴承座部件，失去了通用性。

最终选择了第三个方案：对现结构做设计优化，具体方案是增加一列圆柱滚子轴承。保持原部件外形尺寸不变，轴连轴承的中间是一列向心球轴承，两端各有一列圆柱滚子轴承。图7为改进方案的结构示意图。此方案的优点在于：

（1）两端的两列圆柱滚子轴承确保了整体的径向承载能力，增强了抗弯能力；

（2）通过轴连轴承两端的圆柱滚子轴承的布置，使中间的向心球轴承的轴向承载能力得以充分发挥；

（3）结构简单，降低了轴承的制造难度，同时也降低了装配工艺的难度（相对于两列球轴承的轴连轴承结构形式）；

（4）成本增加极少（相对于采用国外品牌轴承的设计改进方案）；

（5）保持了改进前后零部件的互换性，保持了在该机型上的通用性。

图7 改进设计的风扇轴承座的结构示意图

5 设计改进方案的验证

5.1 轴承座部件理论寿命计算

按照轴承行业标准[2]，评估新设计方案轴承的额定寿命。

轴承的基本额定寿命：

修正后的轴承额定寿命：

式中，

L10——可靠性为9 0%时的寿命

P r——径向当量动负荷，

C r——径向基本额定动负荷，

C r——径向额定静负荷，

从计算结果来看，新设计方案的额定寿命有了大幅度的提高，可以满足产品的正常要求。

5.2 改进方案的用户批量使用验证

改进方案经过样件考核及小批验证后，效果良好，已经批量应用于该机型的所有产品。通过近一年的跟踪验证，改进后，在相同使用期限内用户的故障报修率大大降低，同时，首次故障出现的时间段也大大延长。据统计，改进后新机出厂一年的故障报修率只有改进前报修率的十分之一，改进取得预期效果，该机型的前端驱动系统的可靠性得以大幅提升。

6 结论

（1）理论计算结果表明，采用优化结构后的风扇轴承座部件的额定寿命有了明显提高；实际验证结果显示，改进方案大批量实施近一年后，故障报修率有了大幅度的降低。设计优化取得了预期的效果。

（2）影响风扇轴承座部件使用可靠性寿命的因素还有很多，如轴承游隙的控制，零件实物的材质，制造的精度，润滑脂的品质等。但最主要、最基本的是首先要在结构设计上满足可靠性使用的要求，要保证有足够的承载能力。

（3）一个零件做了某些设计改动后（如配套需要，用户要求等），必须同时评估其对相关的其他零件可能产生的影响。同样，一个零件出现了问题，可能并不是该零件的原设计出现了问题，而是与其相关的其他零件有了变化，即其自身的使用环境发生了变化，要求该零件也必须做适当的设计调整，才能更好地适应新的运行工况。

（4）在对某个问题做分析、改进时，将被研究对象放置于功能组件的背景中整体考虑，系统分析，是比较好的解决问题的思路，将有助于准确地找出根本原因。只有找到根本原因，才有可能制订切实有效的解决方案。

1汽车工程手册·设计篇.北京：人民交通出版社，2001.

2成大先.机械设计手册（第1版）[M].北京：化学工业出版社，2002.

Design ImprovementofEngine Fan Bearing Housing

LinLifeng,HuJinshou
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China）

The failure rate ofbracket-bearing for cooling-fan has risen in recentyears.To address this question,a lotof research and analysiswork hasbeen done carefully.The rootcause is found.Among several possible trouble-shooting strategies,onehasbeen adopted.After validation,the optimizing-design has been applied in large scale.Application in one yearwith thousandsunitsshow that the reliability of the assembly hasbeen improved significantly and customs'complainshave reduced remarkably.

accessory,drivesystem,fan,bearinghousing

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.005

来稿日期：2010-09-05

林立峰（1974-），男，工程师，研究方向为柴油机结构设计和产品可靠性分析。