车用空压机轴瓦的设计和失效分析

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车用空压机是重型汽车制动系统的动力源 ，其可靠性对汽车在行驶中的安全尤为重要。轴瓦是车用卒压机里的关键零部件。目前车用空压机使用中的故障率较 高 ，严重影响汽车和工程机械的可靠性。很多故障件是 由轴瓦失效所致 。如何设计和选择轴瓦的材料和结构，如何从故障件中分析出原因并提m改进方案尤为关键。

1 轴瓦材料及应用轴瓦(轴瓦、轴套、止推片)的作用是使表面作相对滑动的活动部件保持恒定的相 对位置并能承担-定的载荷。表面有相对滑动就有摩擦 ，车用轴瓦不 可能在轴颈和轴瓦表面被 油膜完全隔开这样- 个理想状态下丁作，而经常是在边界摩擦或混合摩擦状态下工作。要保证轴瓦在工作中安全可靠，就要求轴瓦材料具有如下性能：a.较好的减磨性能：b.较好的磨合性和镶嵌性：e.较好的抗咬合性：d.较强的耐腐蚀性能以上轴瓦材料性能要求实际是辩证的、相互关联的，如 ：硬度较高的材料有较强的承载能力和疲劳强度，但其磨合性和镶嵌性就较弱。所以要根据不同的T况选择相适应的轴瓦材料。同时也可通过改变结构 、工况 、和相关零部件来 降低对轴瓦材料某些性能的要求 ，使它适应该机器的需求 以下是现常用的轴瓦材料。供参考。

表1轴瓦材料特性和应用材料牌号 材料成分 SAE 材料特性 应用 轴径硬(GB/T1 8326j 度MinSn 1 7.5-22.5% 具有中等疲劳强度和承载能力. 常用于内燃机主轴瓦和连杆轴AlSn20Cu Cu 0.7 1-3% 783 良好的耐腐蚀性，较好的轴瓦综 瓦、止推垫圈、卷制轴套或空 250HB 合表面性能。 可与软轴配合.推 Al余量 机、制冷机用轴瓦 荐环保材料Sn 5.5-7 0% 具有中等到较高的疲劳强度和 常用于内燃机主轴瓦和连杆轴销繁合金 AISn6Cu Cu 0.7-l3% 770 承载能力，好的耐腐蚀性，镀软合 瓦、止推垫圈、卷制轴套 45HRCA1余量 金层∩与硬轴配合Sn lO.O-12.O% 具有中等到较高的疲劳强度和AISnICu Cu 0.7-1-3% 780 承载能力，好的耐腐蚀性和抗穴 常jH于内燃机主轴瓦和连杆轴 5OHRC蚀能力镀软合金层∩与硬轴配 瓦、止推垫圈、卷制轴套 AJ余量合邹国庆 ：车用空压机轴瓦的设计 和失效分析材料牌号 材料成分 SAE 材料特性 应用 轴径硬(GB，rI'18326) 度MinSn 10.0-14.0% 具有 中等到较高的疲劳强度和Si 3.5-5.0%、 常用于内燃机主轴瓦和连杆轴 AISn 1 0Si4CU 承载能力。无铅，推荐环保材料， 250HB Cu 0.9-13%、 瓦、止推垫圈、卷剃轴套 Al余量 可与硬轴配合Pb 9.0-l1.O% 有很高的疲劳强度和承载能力. 适用于中载、中到高速、以及有CuPb10Snl0 Sn 9.0-l 1.0% 797 高的抗冲击能力，好 的耐腐蚀 大冲击载荷的轴瓦。机械设备上 53HRC用的卷制轴套 、止推垫圈、内燃 Cu余量 性。与淬硬轴配合 机连杆轴套Pb l9.0-27.0% 具有高的疲劳强度、承载能力 、 适用于高速、摆动和旋转工作条CuPb24Sn4 Sn 3.0-4.5% 799 抗冲击能力 、耐腐蚀性。有较好 件下的轴瓦。轴瓦滑动表面镀软的轴瓦表面性能(顺应性、嵌藏 合金时，可用于高速、重载 内燃 48HRCCu余量 机的主轴瓦和连杆轴瓦、卷制轴 性、相容性)。与淬硬轴配合 套、止推垫圈Pb 19.0-27.0% 具有较高的疲劳强度和承载能铜基合金 CuPb24Sn Sn 0.6-2.0% 49 力，较好的轴瓦表面性能.易受 常用于内燃机主轴瓦和连杆轴润滑油的腐蚀.有软合金镀层时 瓦、止推垫圈、卷制轴套 45HRCCu余量 可以与硬轴、软轴配合Sn 6-7% 有很高的疲劳强度和承载能力. 适用于中载、中到高速、以及有CuSn6.5Po.1 P 0.1-O-25% 高的抗冲击能力.好 的耐腐蚀 大冲击载荷的轴瓦 。机械设备上 48HRC 性。无铅，推荐环保材料，与淬硬 用的卷制轴套、止推垫圈 、内燃 Cu余量 轴配合 机连杆轴套Sn 7.2-9% 有很高的疲劳强度和承载能力. 适用于中载、中到高速、以及有CuSn8Ni Ni O.7-13% 高的抗冲击能力，好 的耐腐蚀 大冲击载荷的轴瓦 .机械设备上 53HRC性。无铅，环保材料，与淬硬轴配 用的卷制轴套 、止推垫圈 、内燃 Cu余量 合. 机连杆轴套钢背多孔青 铜自润滑表 PTFE (聚合树 软∠低的疲劳强度和承载能力。

自润滑材料 较好的自润滑、耐磨损、低摩擦 常用于无油润滑低负载的诚 层(企业牌号 脂)Pb 18OHB 不等) 性能.可与软轴配合Sn 9.0-11.0%PbSn1OCu2 Cu 1.O-3.0% 19Pb余量 适用于各种轴瓦合金材料 的轴Sn 8.0 -12.O%软.有好的减摩性能.良好的轴瓦 瓦表面，镀层厚度-般为：0.012-PbSn10 19 表面性能和耐腐蚀性 0.025mm。大型柴油机主轴瓦为 ： Pb余量0.03-0.05ram软合金镀层 In 5.0 -11.0% 250HBPbIn7 Pb余量有 很高 的疲劳 强度和 承载能 力， AlSn20Cu 真空喷镀 成本较高 可用于高速、重 载内燃机 的主轴硫化钼树 企业牌号不等 环保型表面软敷层材料，替代含 瓦和连杆轴瓦脂石墨 铅镀层2 轴瓦的发展趋势现代汽车追求的是环保、节能减排、高速、降低自重提高比功率、低噪音、高寿命。这对轴瓦不仅减嗅构 ，减小轴瓦间隙和增加了负荷，而且提高了工作温度 。提高了寿命要求(有的厂商提出了五十年大修目标)和限制了如铅金属等-些摩擦性能较好但对环境污染严重的金属元素的使用。

为了适应现代汽车的要求，在材料方面，国内外轴瓦行业不断地推出无铅环保轴瓦材料和高强度轴瓦材料。含铅轴瓦在不远的将来必将受到全面封杀。在结构设计方面，现已不少高性能高技术含量的轴瓦在逐步得到应用和推广，如真空喷镀瓦、沟槽瓦、微槽瓦等，这些技术不但提高了轴瓦的承载能力和疲劳强度，还有较好的综合性能。

3 汽用空压机轴瓦的设计和应用车用空压机是重型汽车制动系统的动力源，其可靠性对汽车在行驶中的安全尤为重要。

3.1 材料的应用目前车用空压机工作压力在1.2MPa左右，作用在轴瓦上的最大比压<12MPa，大大低于铝基合金、铜基合金轴瓦材料的许用比压(P>37MPa)，目前常用昀轴瓦材料承载能力和疲劳强度是足够的≌压机轴瓦材料选用要优先考虑材料的磨合性能和镶嵌性能。 空压机轴瓦材料选用方案建议：内 燃 机 与 配 件 2013年第 6期3.1.1连杆小头衬套建议选用CuPbl0Snl0铜铅合金材料.因作用在连杆小头衬套上的冲击力和比压较大.该材料具有很高的疲劳强度和抗冲击载荷的能力。也可采用CuSn6.5P0.1和CuPbl0Snl0(成本偏高)等无铅铜合金环保材料，但该材料摩擦性能略逊于铜铅合金。

3.1.2连杆轴瓦建议选用A1Sn20Cu铝基合金，该材料具有中等的疲劳强度，较好的减磨性能和较好的磨合性能和镶嵌性，其综合性能较好。当载荷较大，对材料 的疲 劳强度有更高 的要 求时也可采用A1Snl0Si4Cu铝基合金 该材料综合性能略逊于A1Sn20Cu铝基合金。承载能力麴、无特殊原因尽量不采用铜基合金.较硬的铜基合金在前期不能较好的磨合，容易烧瓦。

3.13主轴轴 瓦建议 主选A1Sn20Cu、A1Snl0Si4铝基合 金 ，其 次 再 选 用 CuCuPb24Sn4铜 铅合 金 或CuSn6.5P0.1无铅铜合金，因为A1Sn20Cu、A1Snl0Si4铝 基合金 的承载能力和疲 劳强度能满足空压机对主轴轴瓦的需求，而铝基合金的减磨性、磨合性和镶嵌性大大优于铜合金 ，对座孔的同轴度 、曲轴的绕度敏感性低，则故障率也低于铜合金。

3.2 结构改进设计选择轴瓦合理的间隙，特别是主轴瓦的间隙不能太大，轴瓦和曲轴间隙太大、主轴瓦的进油(回油)量大而造成 回油的泻油量大来不及 回油外 ，容易造成空压机窜油问题。合理的较袖隙能提高空压机性能，降低噪音和降低冲击，延长机器寿命。当然.间隙太蝎容易烧瓦≌压机轴瓦间隙建议为：主轴瓦最袖隙0.02mm；连杆瓦最袖隙0.015mm ；但有的厂家因缸体和曲轴箱的加工和装配的相对形位公差不好，则不能采用较小的间隙，特别不能减小主轴瓦的间隙，因为缸体和曲轴箱的相对形位公差不好将会造成轴瓦局部无间隙而烧瓦。如要改变这-状况.要改进缸体和曲轴箱的工艺精度、定位精度和装配精度 ，也可改变设计将缸体和曲轴箱做成-体以减少积累误差。

因主轴瓦的进油(回油)量大而影响空压机窜油问题.也可以采用改变主轴瓦的进油孔来改善，减小主轴瓦进油孔能达到节流进油流量。轴瓦的表面温度主要依靠油的流动带走，但是轴瓦的表面油的流量太嗅有轴瓦烧瓦的风险。也可将主轴轴瓦的环形油槽改成月亮形油槽以减小油流动截面达到节流进油流量效果。

3.3连杆组件的新设计为了减轻连杆组件的重量和降低惯性冲击.国外f内1的-些汽车空压机公司将连杆设计成铝合金连杆，连杆小头衬套采用薄壁(0.7mm左右)低碳钢表面碳氮共渗材料形式，其表面硬度R15N 90，连杆组件的构成为：(1)铝合金连杆；(2)铝基合金连杆轴瓦(3)表面碳氮共渗连杆小头衬套；(4)弹性定位销：(5)螺栓。铝连杆组件比钢连杆组件重量减少50%(成本未统计)。

4 空压机轴瓦常见的失效模式和分析4.1 轴瓦烧瓦和合金层剥离主要表现为合金层剥离与钢背脱开、合金层和曲轴咬合、合金层不规则的材料迁移等。该失效模式大多伴有钢背积碳发黑。

4.1.1原因分析烧瓦和合金层剥离的主要原因是轴瓦合金表面过热所引起的。当轴瓦合金表面处在过热状态，轴瓦表面温度超过232。C时，合金内的Sn就处于熔化状态(铜铅合金超过328。C时Pb也处于熔化状态)，在交变的工作压力下被逐渐挤出合金层，流向轴瓦端面和油槽，部分进入机体。

在高温下，合金和钢背的结合力将受到严重破坏 ，在交变的工作压力下合金和钢背产生剥离与钢背脱开。

当合金失去大量的锡(铅)成份时：合金将产生空穴 ，空穴在交变的工作压力和油膜压力下会产生塌陷、碎裂。脱离的材料碎片与轴瓦内表面合金互相挤压产生严重拉伤和磨损并产生更大的热量 加剧失效 的发展而铝合金表面失去大量的锡 ，使合金锡的含量大幅降低后.在高温高压下由于铝和铁在-定的温度和压力下有很好的粘合性(铝基合金/钢复合材料的复合就按此原理生产)，轴瓦的合金层就很容易和曲轴咬合，运行中，在这种咬合力的作用下，铝合金表面就会被撕开。

轴瓦合金表面产生过热的原因有很多，通常的主要原因有 ：a.润滑条件不佳 轴瓦表面的润滑非常重要，润滑油不但起到运动中表面形成油膜〉低摩擦系邹国庆：车用空压机轴瓦的设计和失效分析数，而且能带走轴瓦表面的热量，降低表面温度。当供油不足和润滑条件不佳时，由于摩擦系数大而产生较多的热量.润滑表面油的流速低又不能有效地带走热量(传导和辐射效率较低)。使得表面局部温度升高，造成轴瓦表面处于过热状态。

b.轴瓦和曲轴位置不好 轴瓦和曲轴的同轴度和曲轴绕度不好将引起轴瓦工作表面局部受力过大或负间隙，工作时产生大量的热量 ，导致轴瓦局部过热失效后沿伸到整个轴瓦.此状况在硬度比较高、磨合性和顺应性比较差的铜合金中较多发生。

C.轴瓦和曲轴间隙过小 轴瓦和曲轴的间隙过蝎影响润滑的不充分和产生困油现象，使得摩擦表面热量产生速度过快.小流量的润滑油又不能有效地带走大量的热量，导致温度升高使轴瓦过热失效。

d.轴瓦和座孑L的贴合面不好 轴瓦和座孔的贴合面不好将影响轴瓦通过座孑L将温度向机体 (连杆1的传导，导致温度升高使轴瓦过热失效。

4.1.2解决方案a.保证轴瓦的润滑条件，首先是考虑进油通道的畅通无阻，包括进油管道、空压机油道、曲轴油道和油孑L(检查瓶颈口)。其次是保证进油的压力。

C.轴瓦、曲轴、机体、机盖的质量，控制轴瓦最大壁厚和轴瓦与曲轴的同轴度以及间隙。

d.控制轴瓦贴合度以保证轴瓦和座孑L的贴合面 控制轴瓦半园高出度的最小值和座孔尺寸的最大值以保证轴瓦装配过盈量。

e.主轴瓦尽量采用环形内油槽和较大的油槽截面积。因车用空压机在润滑系统的后端，起动时润滑油滞后进入和发动机同步起动的空压机内，起动 时空压机缺少润滑 油主轴瓦和 主轴颈处于干摩擦易烧瓦。主轴瓦采用环形油槽 ，起动时这时环形油槽内残留的润滑油因主轴颈高速旋转而表面产生的真空吸附作用下作用在轴瓦和轴颈表面达到润滑，能有效地降低发动机起动时空压机因润滑不足而造成失效的风险。

4.2 轴瓦快速严重磨损主要表现为轴瓦早期严重磨损(严重的磨损可达0.1mm甚至达到钢体)，磨损的轴瓦先期大多钢背无积碳(无高温)，表面粗糙，可明显判断为机械磨损，曲轴颈无磨损痕迹，曲轴颈表面有时可见轴瓦合金迁移物(特别是铝合金易见)。在空压机使用中可表现出窜油量大和油压下降。

4.2.1主要原因轴瓦快速严重磨损的主要原因是曲轴颈粗糙度不好 ，曲轴颈表面有高波峰值的加工纹线所引起。在工作状态中。连杆和曲轴在高速和高压下，表面除了相对周向滑动还有往复的轴向窜动，曲轴轴颈表面周向加工纹线象-把锉刀 f硬度>HRC45)在锉轴瓦f衬套)合金表面f铝合金硬度

4.2.2解决方案a.提高曲轴轴颈表面粗糙度，降低加工纹线的波峰值。曲轴轴颈表面粗糙度提高，能有效地解决严重磨损现象，能大幅降低泻油量大和烧瓦(套)故障。理想的加工纹线是光滑、弧形、无锯齿的〃议曲轴轴颈表面的最后处理最好采用抛光方式。

曲轴轴颈精加工工艺参考：粗磨Ra0.8-精磨Ra0. 抛光(抛光机、布抛光轮抛光膏等)，加工后的轴颈表面应光滑 无加工纹线。

4.3 轴瓦内表面有划痕或凹坑这类现象是常见的，它早期状态应该是：轴瓦内表面有划痕或凹坑，较深的划痕和凹坑表现为合金迁移，边缘有高反射光晕。

4.3.1主要原因划痕或凹坑 的原因是尘屑污染所造成，这些尘屑由制造和使用过程中产生，如金属屑、造型砂粒、毛刺 .或过滤器失效使其它零部件磨损颗粒或毛刺从润滑油中进入。，当这些颗粒被嵌入合金表面或嵌入合金表面形成凹坑，所挤出的合金周围有环形高反射光晕，环形中间为被嵌入的颗粒，嵌入的颗粒- 般不会又对轴瓦造成伤害，当这些颗粒不能被嵌入合金表面或嵌人后又脱离合金层将会被将表面拉伤，留有有边缘有高反射光晕的划痕。当嵌入合金表面的颗料大并为坚硬的尘屑如铁、砂粒等，则内 燃 机 与 配 件 2013年第 6期将会拉伤轴颈。这类磨损会破坏轴瓦内表面状态，严重时会引起烧 瓦，但对合金的磨损速度和磨损量 比机械磨损小得多。

43.2解决方案控制清洁度(特别是铁屑、，造型砂粒、毛刺)，保证机油过滤器的适用和可靠，当轴瓦材料的疲劳强度足够时，尽量用软-点的合金，以提高镶嵌性和磨合性。

4.4 轴瓦合金层疲劳剥落这类合金疲劳剥落的轴瓦早期状态应该是：轴瓦表面在高压交变负荷作用下由于疲劳产生网状裂纹，该裂纹在结合面上改变方向而导致合金层碎片从轴瓦表面剥落。合金疲劳剥落后的凹坑大多为块状，较光滑，钢背无积碳 (在后期，剥落的合金在轴瓦表面堆积使磨擦力加大或堵住油孑L油道，轴瓦表面温度升高，产生烧瓦)。

4.4.1原因轴瓦合金疲劳的主耍原因是在T作温度下，实际负载超过了其材料 的实际许用疲劳极限。

4.4.2解决方案a.选择疲劳强度较高的轴瓦材料或改进结构设计 。

而现空压机轴瓦的实际负载 fPmax

4.5 特殊损坏形式常规的磨损是横跨整个轴瓦宽度的，轴瓦的局部磨损、边缘磨损、上口磨损等特殊损坏形式4.5.1原因往往是由于：零件(轴瓦、曲轴 、轴瓦座)几何形状不正确 、不正确的装配和出现不可预见的载荷所引起，如腰鼓形曲轴、曲轴R延长、瓦盖装偏错位 、瓦背与轴瓦座之问有异物等。

4.5.2解决方案对不同的失效模式进行分析 ，找 出原 因，进行纠正5 结论本文分析了多种轴瓦材料的成份、性能和适用范围，对车用空压机的主轴瓦 、连杆轴瓦和连杆衬套使用的材料提出自己的见解和建议。根据分析轴瓦不同的失效模式，对轴瓦材料、结构设计 、润滑条件 、清洁度和相关零部件 (连杆 、曲轴 、箱体等 )所产生的影响进行汗解并提 出解决方案供参考 ，希望能对大家有所帮助。

参考资料f1]邹国庆，《滑动轴承的应用和发展趋势》[J].《柴油机》，1996年第-期作者简介 ：邹 国庆 (1955-)，男 ，工程师 ，主要从事轴瓦设计研究 、制造和失效分析工作。

(上接第31页)表3中楚飞5110琼E02600的侧滑量是 向内10m/kin.而楚飞5l10琼E02729的侧滑量却是零。因此 ，表3的数据证明 ，同-厂牌型号的车辆在使用过程中，因为车轮定位参数的变化原因，车轮侧滑量可能较大也可能较校在实践中，在用车辆侧滑量过大时的调整，首先是调整车轮前束量，大量实例证明，同-厂牌型号的在用车辆，不-定要车轮前束量相等才得到最小侧滑量。由这点 ，即可说明 ，侧滑量是由车轮定位参数之间匹配结果来决定 的。所 以，检测在用车辆转向车轮定位参数，必须检测它们的匹配结果，也就是检测车轮侧滑量。

3 结论车轮侧滑量越小 .车轮定位参数的匹配结果越好，车辆的性能越佳。国标GB18565-2001《营运车辆综合性能要求和检验方法》要求，侧滑量≤5 m/kin为正常，侧滑量大于5rdkm为不合格，必须调整了。