奔驰发动机滚柱之谜 铃木孝
节选自日野自动车株式会社副会长 工学博士铃木孝的《エンジンのロマン》一书，1996年由北京理工大学出版社翻译为中文出版：
1931年1月，戴姆勒·本茨公司接到了德国交通部下达的开发800~900hp、V12缸水冷航空发动机的命令。按照凡尔赛条约禁止搞军备生产的德国，不是由空军部，而是由交通部秘密地订购，该航空发动机就这样悄然地开始了胎动。这就是在二战中装在德国主力战斗机上咤风云的戴姆勒·本茨DB601系列发动机的怀胎通告。
该发动机为倒置V12型水冷发动机，1935年带化油器的DB600型问世，后来又改为汽油直接喷射式发动机。1937年在德国发表重新军备宣言的同时，把该机装在了梅萨休米特109型战斗机上，并在瑞士国际航空博览会上八面威风地展出。
不久，二战爆发，意大利的菲亚特公司、日本的川崎航空机公司和爱知航空机公司都分别进行了本茨发动机的许可证生产，该发动机被装用于轴心国方面的主力机上，与劲敌——第一次世界大战以来联合国方面的罗尔斯·罗依斯发动机争雄。戴姆勒·本茨发动机除了装在梅萨休米特战斗机等德国的主力机上以外，还用于意大利的麦基型和日本的飞燕型战斗机上了。
而罗尔斯·罗依斯·玛琳发动机除了装在英国的喷火型战斗机上以外，如前所述，在美国的帕卡德公司进行了许可证生产，生产的发动机装在美国P51战斗机上。一战中仿制本茨产品发展起来的罗尔斯·罗依斯与重振雄风的本茨展开了你死我活的较量。然而，本茨发动机在日本却不断发生故障，特别是要将功率提高到145hp（可能是1450hp）根本不可能，最后不得不停产。
被改头换面的美人
1945年春，中学生的我在被动员去劳动的工厂里听到一则消息：川崎发动机厂被B29轰炸机给炸了，无头的飞机停在厂里。战后真相大白，原来被B29轰炸后，不是不能制造发动机了，主要是曲轴轴承损伤而无法继续生产了。
在中国历史上与杨贵妃齐名的美女赵飞燕，传说是位体态轻盈的美人。不知是谁为装有水冷发动机、造型美观的战斗机取了飞燕这个名字，或许联想到古代的这位美人了吧。但是，美人的小巧可爱的头却无情地被换成了空冷发动机，去战场上应急。不过，改头换面后的5式战斗机虽然最高速度降低了，但上升力和空战性能却提高了，成为杰出的战斗机。
发动机轴承之谜
为什么发动机的轴承部分损坏了呢？对此，我一直有疑问﹐但没有机会了解。一个偶然的机会，我看了富塚清教授对内燃机使用滚动轴承持否定态度的有关论文。教授列举了ABC（AllBritishEngineCompany，全英发动机公司）星型空冷发动机和本茨BD600系列发动机的实例，指出它们失败的原因在于滚动轴承使用不当。
当时，我对滚动轴承还抱有朦胧的憧憬，是因为在设计康特萨900发动机时，对戴娜·庞阿尔（法国轿车）的崭新设计思想以及其发动机采用的构思巧妙的滚动轴承具有难以磨灭的深刻印象的缘故。
64年型庞阿尔车装有850mL、60hp的发动机。车长约4.6m，重850kg。而当时的“丰田之花”牌轿车的发动机为1500mL，62hp；车长约4m，重1000kg。相比之下，庞阿尔的结构有多么先进。1953年以后庞阿尔在勒芒24小时赛车中多次夺魁，一台850mL的小型发动机可发出60hp的一个秘诀就在于其独特的滚柱轴承的设计。如图36–3所示，轴转动，轴承的滚柱就转动。为了使相邻的滚柱间无摩擦，转动方便，滚柱与滚柱间再压入小
技术与企业一体
当时，日本为了学习国外的先进汽车技术，决定购买几种外国车以作参考，进行研究。日本汽车技术协会设立了动力性能研究委员会，收集有关发动机方面的意见。出席会议的我马上推荐了戴娜·庞阿尔，并向各委员说明了推荐的理由，得到大家的赞同。然而，上级机关却把我的提案否掉了，听说主要是梅原半次反对。
一个企业成长历史要求有与该企业特点相适应的技术。例如，重点放在销售和售后服务而成长起来的企业和服务无术的企业相比，其各自的产品特点必定不同。而且，技术的本质，归根结底必须追求平均值。平时应注意培养对一个杰出产品是先进的还是奇特的判断能力。后来我听说，梅原半次说：“不要买这种奇特的东西。”年青的我过了许久，才理解了梅原半次的技术洞察力而由衷的敬佩。不久，戴娜·庞阿尔公司便被雪铁龙公司兼并，就这样连同我所爱慕的车一起消失了。现在，它的名字已鲜为人知。
那么，问题是DB601曲轴轴承的设计到底怎样?是奇特的设计？是失败的设计？请容下章记述。
原点乃空白点也
1967年日本首次正式生产直喷式柴油机的厂家：一家是日野汽车工业公司，一家是五十铃汽车工业公司。不过，日野开发的目的是追求大功率，而五十铃是为了降低油耗。两家虽然都起到了先驱作用，但均未成功，不久便搁浅了。
日野的直喷式发动机EA100型因缺乏经验而出现了一些故障。其中之一就是凸轮的从动件的早期磨损。所谓的凸轮从动件就是开闭发动机进排气门的那一部分机构。
该发动机采用了一种称作滚柱、挺杆式的滚动轴承（图37-1）。轴承销用几十个小时就磨损了。当然，我们运用故障分析法，尝试着对所有的因素都进行了分析。当然，首先怀疑材质选择不当，试用了各种材料和热处理工艺，还变换了供润滑油槽的形状和大小等。但无论怎样改动，磨损问题丝毫未得解决。接着又怀疑到装配方法不当等等。
在长达几个月的尝试和探索过程中，终于豁然开朗。原来是构成从动件中心轴的销子的外周加工精度不良所致。
现实中往往把理所当然的事情忽视了。技术领域更要求人们回到原点思索。问题很简单，就是把从动件的外周表面粗糙度从原来的3S（不平度约为0.003mm）研磨提高到0.8S（不平度约为0.0008mm），故障奇迹般地消失了。
我不由得想起我在战争末期读过的成濑政男教授的著作，真是受益匪浅。如图37-2所示，当时日本制造的滚珠轴承的钢球精度要比欧洲SKF公司制的至少低10倍。我曾暗自思忖：本茨发动机之所以在日本没能制造出来，恐怕是由于国产轴承精度和曲轴精度都拙劣的缘故吧。但这在当初归根结底只是推测而已。
在欧洲得到的证词
1969年，解决EA100型发动机问题的工作终于告一段落。这时，我奉命飞往欧洲，进行直喷式发动机的学习。趁此机会，我带着许久以来的疑问拜访了两个人。
一位是罗金多尔夫先生，他在戴姆勒·本茨公司自始至终地参加了从DB600型到DB610型的开发。他说，滚柱轴承的确在初期发生过故障。但在改变硬度管理后，就没有发生过任何故障。而DB603型以后，高功率化后的问题出在缸套变形上，常常引发活塞烧蚀。
但是“这也说不准。因为当时动员了大批敌对国的俘虏去做工，他们常常往发动机里面加砂子，往往造成故障”。罗金多尔夫补充说。据说为了增加功率，把缸径加大到150mm，缸套厚度相应地加厚到2.7mm，加上高达1.42kg/cm的增压压力，相对于如此的大功率实际上已到了极限。
日后，我又征求了奥地利AVL研究所夏特莱博士的看法。博士认为故障并不是因使用滚柱轴承造成的。大体上单位排量的功率提高到28hp/L本身就很勉强，一般来讲可靠性肯定要下降。
无论哪一种见解都没有说是滚柱轴承本身引起故障的。
不适之说得到了证明?
一方面，作为证明滚柱轴承不适之说的一个信息，就是战时日本人正为轴承烧蚀而一愁莫展时，从德国送来的设计文件中，有将滚柱轴承改为普通轴承的处理意见。改动的理由虽然无法推测，不过，我想与下面的事情不无关系吧。
即，1943年8月17日、10月14日和翌年的2月24日，休拜因福尔特滚珠轴承厂三次遭受美国飞机轰炸，是不是因为滚柱轴承供货困难而改为普通轴承的？（这纯属主观推测，后来从霍夫曼先生那里看到一封信，才知道是因为产量增加，本茨公司生产轴承架的设备能力不足，才改为普通轴承的）。
另一方面，德国的有代表性的战斗机——福凯·乌尔夫FW190，为了提高性能，将空冷发动机换成DB603型发动机，投放战场（除了本茨发动机以外，水冷、倒置V型的永卡斯·尤毛发动机也被选用，按系列名称加以区别）。德国把在日本未能生产的DB601发动机，进一步加大了马力，作为DB603发动机而大量生产，DB600系列发动机，截止大战结束，总计生产了7万2千台以上，除了装用在战斗机上以外，还为所有的机种采用，为濒临灭亡的第三帝国大效犬马之劳。
那么，滚动轴承的设计果真导致了可靠性的低下吗?这种疑团越发沉重地压在我心头。
希特勒盛怒
在一战中风靡一世的回转发动机——格诺姆和罗讷均采用了滚动轴承。不过，这种草创时期的发动机，负荷本来就轻，又是星型排列，负荷条件就更好了，因此其可靠性没有问题。
滚动轴承在汽车上应用，首先是在使用条件苛刻的赛车发动机上崭露头角的。1922年菲亚特公司的维托里奥·耶诺在菲亚特804型发动机设计中首先放弃了耐负荷已达极限的白合金（铅锡合金轴承）而采用了滚动轴承，这对后来所有的发动机设计师都产生了重大影响。该机大获成功，后来作为圣维托·阿尔法·罗密欧系谐名垂青史。当时的赛车发动机深受菲亚特的影响，大多数采用滚动轴承，吸收这一思想的萨尔姆森、特拉休等著名发动机辈出。
1933年1月掌握政权的希特勒观看了当年举行的德国汽车大赛。等待这位春风得意、就座于贵宾席的大人物的却是德国的惨败。布加特54夺冠，阿尔法·罗密欧获亚军，德国的默谢台斯勉强得了个第6位。希特勒的愤怒溢于颜表，马上下令拨给德国汽车大赛的参赛队45万马克（按当时的价值）补助费，让默谢台斯和阿托尼昂竞相制作赛车。最初默谢台斯开发的w25型发动机借鉴了菲亚特的经验，曲轴轴承采用了滚动轴承，参与了翌年即1934年5月的新布尔克林克汽车赛﹐自始至终独领风骚。
DB601发动机是1931年开始设计的，而自1922年以来一直名列榜首的菲亚特赛车用发动机使用的是滚动轴承，因此设计BD601时不可能不受其影响。可以想象如同上述的W25型发动机一样，戴姆勒·本茨的设计班子自然而然采用了滚动轴承。
追查日制DB601的故障原因
那么，日本制造的DB601发动机（川崎飞机制造公司制造的称作哈40和哈140型，而爱知飞机制造公司制造的称作厚田11和21型）的故障原因到底是什么呢？前面已经记述过了，我曾暗自猜测是轴承精度有问题引起的。1978年12月，我见到了鱼住顺三先生（后来任爱三工业会会长）。战时，他在爱知飞机制造公司一直从事厚田发动机的工作。
据鱼住先生讲，他们非常重视滚柱轴承的精度，使用时都挑选滚柱的圆度在0.002～0.003mm范围内的。据他回忆，由于曲轴的渗碳硬度不够，所以质量差。当时，上面已经决定进行设计变更，改用普通轴承了，但实施起来很麻烦，最后又改成空冷星型发动机了。听了这席话，我仍理不出头绪来。
1981年4月，在富塚清主办的特殊内燃机研讨会上，高月葡教授和曾田能宗教授作了演说，两人都提及到DB601发动机。特别是曾田教授，保留着当时川崎飞机制造公司的报告，介绍了报告内容。我借来了这份珍贵的报告，仔细拜读了。综合两位先生的讲演及当年的报告、罗金多尔夫、鱼住会长和富塚教授的见解等，再加上我个人的经验，对故障原因作进一步推测。于是，DB601发动机的故障全貌便跃然而出。详细分析另有附录，现简单扼要地归纳如下。
故障的主要原因
故障主要在于曲轴销外周表面在运转中剥落（照片38-3）。第一个原因是外周部分的热处理不良，钢的硬度不够。家庭用的菜刀和水果刀用钢不加以处理，很快就卷刃，不锋利了。因此需要淬火，即必须先加热，然后骤冷，使钢变得坚硬。好的菜刀之所以锋利，就是淬火技术出色的缘故。同理，曲轴应采取比菜刀更高级的渗碳淬火，提高其表面的碳浓度，特别是提高表面硬度，但在当时这种工艺技术尚不够完善。
第二个原因，我想恐怕是因为滚柱形位公差不当。为了使滚柱承受的负荷分布过渡得更圆滑，用一般圆柱形是不行的，需要把端部加工得稍细些。否则就会发生剥落。反之，如果端部过细，又会发生歪斜（Skewing），滚柱玻行着开始运转（图38-2）。而且不可避免地仍发生剥离烧蚀。图38-3是用于汽车驱动轴的滚柱例。选择这种形状的圆柱是根据多年经验而非一朝一夕能得到的。这确实是DB601发动机所欠缺的。
第三个原因恐怕是因为曲轴本身的加工精度不当。轴颈部本来应该是圆的，有时肉眼看上去加工得很好的轴，精密测量结果却如图38-4所示，有饭团形的，有花瓣形的。即使在今天曲轴颈部的圆度仍然至关重要。其圆度若不控制在0.003mm以内，则耐久性差。为了进行精密加工，需要加工精度高的机床和加工技术，估计DB601发动机在这方面也还欠佳。
此外，滚柱本身以及轴承架支撑滚柱的零件精度当然也有问题。鱼住先生说滚柱圆度是100%检查的，意欲靠人力来弥补生产能力之不足。不过当时的主要劳力是动员来劳动的学生，凭学生的“技术水平”是否能从精度悬殊的工件中挑选出合格的零件，倒值得怀疑。
能克服故障吗?
那么，如果攻克了这些技术课题，DB601就不会出故障了吗？据我看起码可以防止与曲轴有关的故障。然而，该发动机电气系统、燃油系统的故障也不少，特别是燃油喷射系的质量还未过关。即使现在的柴油机，在开发过程中最费神、最花时间的部位也是燃油喷射泵。
所谓汽油直接喷射式，与柴油机一样，是将燃油直接喷射到气缸里的方式，其喷射泵本身的结构基本上与柴油机的相同。柴油机因燃料中的轻油有自行润滑性，所以具有润滑油的性质。而汽油没有这种性质，因此汽油喷射式的润滑方式比柴油的难度更大些。
日本正式的柴油机用喷射泵﹐是在1942年与创始人——罗伯特·博世公司进行技术合作后开始生产的。由于战争，从德国订购的机床不能到货，因此加工出来的喷油嘴等的精度达不到要求，合格率只有5%，其惨状简直令人难以置信，在这种形势下，再引进汽油直接喷射式的，只能是胡闹。
另一个故障是火花塞污染。当然这要归咎于倒置发动机，润滑油和燃油油耗的控制是发动机的根本问题，是永恒的课题。不错，星型发动机的气缸，倒置的也占一定份额，气缸全部倒置的V型发动机，其润滑油控制之困难是可想而知的。
滚动轴承的采用是否妥当?
采用滚动轴承进行基础设计是否妥当呢?在当时的德国机械工业条件下可以说是妥当的，因为已经有生产技术和相应的专门技术储备。反之，如果不具备这些条件就不妥。富塚教授指出的ABC发动机的故障，是在滚动轴承普及以前，相关条件不具备的情况下产生的。
DB601发动机曲轴轴承故障的补充分析
（1）轴颈的热处理不良
日本最初也进行了轴颈的高频淬火。但这种场合，表面硬度明显地不够，运转不到100个小时便发生了剥落（本文照片38-3）。后来改为渗碳。如图A38-5所示，最表面的硬度接近德国产品。但深入1mm左右处，硬度立刻就降低了。这种方法叫做表面硬化法。内部仍保留着所谓软状态，目的是在提高表面强度和耐磨性的同时，仍保持内部金属的强韧性。但是，使用滚柱轴承时，由于滚柱局部承受很大的负荷，所以必须能承受局部变形。因此估计其硬化层深度得在1.5mm以上。
另一方面，从观察渗碳部分的金相组织可见德国产品是纯马氏体组织，而日本产品却从马氏体中析出了屈氏体来（照片A38-2）。淬火前的钢组织，特别是奥氏体中的化学成分的均匀性是个重要因素。有人说使用当时的德国克鲁伯耐磨镍铬渗碳钢就好了，所以材料本身肯定也是故障的原因之一。
另外，当时镍供应短缺，也有人说是因为没有使用这种材料所致。这里引用的数据是使用了镍的依221材料（战时规格），就是说是使用了最高级的镍、铬、钼钢。估计炼钢技术也有问题。
（2）改为普通轴承的经纬
我对战时把滚柱轴承改为普通轴承一事颇不理解，我猜想大概是因为轴承厂被炸之故吧。为了得到正解，我通过本茨公司的朋友费兰克莱作了调查。1983年8月，我收到了当时参加这项设计的霍夫曼先生的信，许多疑点冰释了。
首先，设计更改的经过如表A38-2所示，的确是把滚柱轴承改为普通轴承了。但不是因为故障，而是因为滚柱轴承用的轻合金保持架，本茨公司的生产设备保证不了供应。
为了理解这张表，有必要了解详细的结构。最初的设计，如照片A38-3、图A38-6所示，主轴承采用了普通轴承，连杆轴承中主连杆采用了滚柱轴承，副连杆采用了普通轴承。即，如图所示，叉型连杆使用三排滚柱轴承，连接在曲轴销上，副连杆借助于普通轴承连接在轴承外圈上。这种设计在DB605上就改为普通轴承了。如图A38-7所示﹐值得注意的是，这种轴承不是现在通常采用的所谓薄壁轴瓦，而是厚轴瓦。
在下一级的DB603设计中，又回到原来的滚柱轴承上了。同时曲轴主轴承也改为滚柱轴承（表A38-2）。就这个反复过程，霍夫曼解释说:特别是在高空，最好选择能承受发泡润滑条件的材料，所以最终设计成滚柱轴承。
（3）轴承设计的评价
DB600系列的曲轴轴承的设计一向是特殊的。但是，为什么采用滚柱轴承?为什么主轴承是普通轴承呢?这些技术问题颇能引起人们的兴趣。
如上所述，维托里奥·耶诺对当时的白合金的耐负荷性感到绝望，而采用了滚柱轴承。后来，凯尔梅特发现普通轴承的负荷容量相当高，当然正规的高负荷轴承有待于所谓薄合金的出现。
即，从前的普通轴承，是在厚度约为5mm的青铜（指瓦卡镍铬电热线合金），其内侧焊有轴承材料。后来又把这种瓦卡镍铬电热线合金改为钢背，厚度减薄到1.5～2mm，负荷容量骤增。这样一来，只要润滑条件具备，滚柱轴承就不是对手了。但是，这种薄合金是在1930年前后在美国发展起来的。而DB600是于1931年开始设计，不妨设想当时本茨尚未引进这种技术。从图A38-7的厚合金可见一斑。图A38-9概略地示出轴承的发展过程。DB600设计时期，恰是从厚合金向薄合金过渡的时期，本茨选择了滚柱轴承，也是可以理解的。
既然如此，主轴承为什么又选择了普通轴承呢?如果负荷容量能够满足的话，普通轴承质量轻、结构紧凑，而且主轴承的润滑油供给方便。反之，连杆轴承必须通过曲轴上开设的油孔供给润滑油，如果油孔位置不当，受离心力和轴心变化的影响，供油往往不均衡。这一点，即使在今天，也是设计上的一个重要研究课题。
现在，计算技术提高了，轴心运动轨迹也能相当精确地计算出来。但在不具备这些条件的当时，高空中润滑油起泡问题又令人担心，主连杆采用了滚柱轴承，以备万一润滑油断了，也能保证运转。因此一度改为普通轴承后，又改回到滚柱轴承，是情有可原的。最终型的主轴承之所以采用滚柱轴承，恐怕仅仅是解决负荷容量增加的一种措施，但仅连杆又改用普通轴承，恐怕是简化设计和如霍夫曼说的，能够选择适合的材料的缘故吧。
鱼住先生还指出，滚动轴承的优点是，起动扭矩小，起动方便，无疑这对战斗机用发动机来讲，具有很大的诱惑力。
（4）关于技术的飞跃
以当时的日本技术水平引进DB601技术是勉为其难的。表A38-3示出主要的技术飞跃内容。例如，川崎飞机制造公司借鉴BMW9型的经验，研制了水冷V12型航空发动机，它后来作为“航研机”（飞机研究所长途飞行研究机，由现日野汽车工业公司的前身——东京瓦斯电气工业公司制造）的发动机创造了世界纪录，风靡一时。DB601的升马力曾是该发动机的2倍以上，可见日本的技术水平有了很大的飞跃。另外，还有汽油直接喷射、倒置发动机，飞跃得有点过头了。
（5）有关滚动轴承的精度
战时滚珠轴承的精度（圆球度）竟达15µ（0.015mm），而德国SKF的钢球约2µ。今天，满街都是的打弹子机用的弹子，其圆球度也只有5µ。精密滚珠轴承用的钢球一般加工成0.08µ。滚柱轴承的滚柱，其圆度在1µ以下。
可见轴承精度有了较大的提高，是战时难以想象的。但并不是基本的制造工艺改变了，只是材料得益于1965年前后真空溶解钢的普及﹐材质迅速地提高了。并且﹐由于超精加工法的采用，使滚柱的精度急剧上升。但是，主要还是由于轴承厂家踏踏实实地努力，一道一道工序的改进，专门技术带来了硕果。技术水平是取决于潜在的专门技术。要评价某一技术产品，则需要审视其潜在的专门技术的实力如何（本节得到了日本精工公司的角田和雄先生和帝国活塞环公司长岛贞治先生的指教）。