第7章滑动轴承设计机械设计华中科技大学

1、外圆磨床砂轮架外圆磨床砂轮架第七章第七章 滑动轴承设计滑动轴承设计一、滑动轴承的类型及其结构型式一、滑动轴承的类型及其结构型式1. 类型类型按承载分按承载分按摩擦状态分按摩擦状态分向心滑动轴承向心滑动轴承推力滑动轴承推力滑动轴承液体摩擦滑动轴承液体摩擦滑动轴承非液体摩擦滑动轴承非液体摩擦滑动轴承动压轴承动压轴承静压轴承静压轴承推力轴承推力轴承向心轴承向心轴承滚动轴承滚动轴承滑动轴承的摩擦状态滑动轴承的摩擦状态完全液体摩擦完全液体摩擦边界摩擦边界摩擦干摩擦干摩擦润滑油膜将摩擦表面完全隔开，只存润滑油膜将摩擦表面完全隔开，只存在液体分子间的摩擦在液体分子间的摩擦润滑油膜部分地将摩擦表面隔开，部润滑

2、油膜部分地将摩擦表面隔开，部分摩擦表面仍可直接接触分摩擦表面仍可直接接触摩擦表面间没有任何物质的摩擦摩擦表面间没有任何物质的摩擦008. 0001. 0f边界摩擦常与半液体摩擦、半干摩擦并边界摩擦常与半液体摩擦、半干摩擦并存，通称非液体摩擦存，通称非液体摩擦1 . 001. 0f2. 结构型式结构型式向心轴承向心轴承推力轴承推力轴承剖分式剖分式整体式整体式间隙可调式间隙可调式自动调心式自动调心式实心式实心式空心式空心式单环式单环式多环式多环式结构简单结构简单安装困难安装困难间隙不可调间隙不可调结构较繁结构较繁间隙可调间隙可调广泛采用广泛采用中间比压大中间比压大3. 滑动轴承的适用场合滑动轴承的

3、适用场合低速低载、精度不高低速低载、精度不高非液体摩擦滑动轴承非液体摩擦滑动轴承高速高速滚动轴承寿命大为降低滚动轴承寿命大为降低重载重载滚动轴承造价高滚动轴承造价高承受巨大冲击和振动载荷承受巨大冲击和振动载荷油膜的缓冲和阻尼作用油膜的缓冲和阻尼作用支承精度特别高支承精度特别高滑动轴承零件少滑动轴承零件少某些特殊场合某些特殊场合受径向尺寸限制、曲轴轴承等受径向尺寸限制、曲轴轴承等二、轴瓦的材料和结构二、轴瓦的材料和结构1. 轴瓦的材料轴瓦的材料(1) 基本要求基本要求耐磨性耐磨性磨损少磨损少减摩性减摩性摩擦系数小摩擦系数小其他要求：其他要求：抗胶合性抗胶合性跑合性跑合性耐腐蚀性耐腐蚀性强强度度

4、(2) 常用材料常用材料铸铁铸铁轻载、低速的轴瓦材料轻载、低速的轴瓦材料轴承合金轴承合金 (巴氏合金巴氏合金)锡基锡基铅基铅基锑、铜硷金属硬粒锑、铜硷金属硬粒锡基体或铅基体锡基体或铅基体综合性能好综合性能好机械强度较低机械强度较低价昂价昂轴承合金浇铸在钢或轴承合金浇铸在钢或铸铁的轴瓦基体上铸铁的轴瓦基体上铜合金铜合金锡青铜锡青铜 中速、中载或重载中速、中载或重载铝青铜铝青铜 低速重载低速重载铅青铜铅青铜 高速重载高速重载粉末冶金粉末冶金铁或铜粉末混入石墨压制烧结而成铁或铜粉末混入石墨压制烧结而成多孔性存油多孔性存油用于载荷平稳、低速和加油不便场合用于载荷平稳、低速和加油不便场合非金属材料非金属

5、材料塑料、橡胶、尼龙等塑料、橡胶、尼龙等摩擦系数小、耐磨、耐腐蚀、承载低、热变形大摩擦系数小、耐磨、耐腐蚀、承载低、热变形大2. 轴瓦的结构轴瓦的结构(1) 轴瓦的结构要素轴瓦的结构要素油孔油孔油沟油沟壁厚壁厚定位唇定位唇油室油室定位唇：防止轴瓦在轴承中移动定位唇：防止轴瓦在轴承中移动壁厚壁厚油孔和油沟：将油引入轴承油孔和油沟：将油引入轴承油室：存油油室：存油(2) 结构型式结构型式整体式整体式剖分式剖分式三、滑动轴承的润滑三、滑动轴承的润滑1. 润滑油润滑油(1) 粘度粘度流体抵抗变形的能力称为粘度，以流体内摩擦阻力表示流体抵抗变形的能力称为粘度，以流体内摩擦阻力表示平行板间油的层流流动平行

6、板间油的层流流动贴近静止扳的油层速度贴近静止扳的油层速度0u各油层以不同速度各油层以不同速度移动移动udydu贴近移动扳的油层速度贴近移动扳的油层速度vu dydu油层间剪应力油层间剪应力与油层速度梯度与油层速度梯度成正比成正比( 粘性流体粘性定律粘性流体粘性定律)比例常数，即动力粘度比例常数，即动力粘度设长宽高各为设长宽高各为 1m 的流体，若上下的流体，若上下两面发生两面发生 1m/s 的相对滑动，所需的相对滑动，所需施加的力为施加的力为 1n 时，时， 则该流体的则该流体的粘度为粘度为 1 个国际单位制的动力粘度个国际单位制的动力粘度记为记为 pa.s2/11msnspasmstcst/

7、10101262动力粘度动力粘度与同温下该流体密度与同温下该流体密度的比值的比值( 用于流体动力学计算用于流体动力学计算 )(润滑油的粘度润滑油的粘度)单位换算单位换算sm /2国际单位制国际单位制scm /2物理单位物理单位称为称为 st (斯斯)smm /2常用单位常用单位cst(厘斯厘斯)动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度温度温度压力压力粘度粘度粘度粘度(2) 常用润滑油常用润滑油润滑油牌号润滑油牌号一般为一般为40 c时时运动粘度运动粘度的平均值的平均值粘度温度曲线粘度温度曲线c cs st tc c0 0查得查得运动粘度运动粘度再用公式再用公式转换为动力粘度转换为动力粘度用于流体动力学

8、计算用于流体动力学计算(3) 润滑油的选择润滑油的选择外载大外载大 难形成油膜难形成油膜 选粘度高的油选粘度高的油速度高速度高 摩擦大摩擦大 选粘度低的油选粘度低的油温度高温度高 油变稀油变稀 选粘度高的油选粘度高的油比压大比压大 油易挤出油易挤出 选粘度高的油选粘度高的油2. 润滑脂润滑脂钙基钙基抗水性好、耐热性差、价廉抗水性好、耐热性差、价廉钠基钠基抗水性差、耐热性好、防腐性较好抗水性差、耐热性好、防腐性较好锂基锂基抗水性和耐热性好抗水性和耐热性好铝基铝基抗水性好、有防锈作用、耐热性差抗水性好、有防锈作用、耐热性差主要指标主要指标针入性：表征润滑脂稀稠针入性：表征润滑脂稀稠润滑脂越稠润滑脂

9、越稠滴点：润滑脂受热后开始滴落的温度，表征耐高温的能力滴点：润滑脂受热后开始滴落的温度，表征耐高温的能力润滑脂工作温度一般应低于滴点润滑脂工作温度一般应低于滴点20 30 c针入性针入性承载承载摩擦阻力摩擦阻力四、非液体摩擦滑动轴承的设计四、非液体摩擦滑动轴承的设计1. 失效形式及计算准则失效形式及计算准则设计准则设计准则失效形式失效形式磨损磨损防止过度磨损防止过度磨损发热引起胶合发热引起胶合防止胶合防止胶合ppvvpvpvpvfdlffv单位面积摩擦功率单位面积摩擦功率p比压比压小、油难挤出、润滑好小、油难挤出、润滑好v速度速度大、磨损大大、磨损大压强压强dlfpr向心轴承向心轴承kddzf

10、pa)(42221推力轴承推力轴承速度速度100060dnv向心轴承向心轴承100060)2(21nddvm推力轴承推力轴承油沟引起接触油沟引起接触面积减小系数面积减小系数2. 设计步骤设计步骤(1) 选择轴承结构型式及材料选择轴承结构型式及材料(2) 初定轴承基本型式和参数初定轴承基本型式和参数选择宽径比选择宽径比5 . 15 . 0dldl承载承载散热性散热性油温油温(3) 校核计算校核计算(4) 选择轴承的配合选择轴承的配合(5) 选择润滑剂和润滑装置选择润滑剂和润滑装置五、液体摩擦动压向心滑动轴承的设计五、液体摩擦动压向心滑动轴承的设计1. 压力油膜形成的原理压力油膜形成的原理轴颈和轴

11、瓦同心时轴颈和轴瓦同心时两平行板的摩擦状况两平行板的摩擦状况轴颈和轴瓦偏心时轴颈和轴瓦偏心时两倾斜板的摩擦状况两倾斜板的摩擦状况(1) 两平行板两平行板(2) 两倾斜板两倾斜板层与层间靠内摩擦阻力层与层间靠内摩擦阻力(粘性粘性)带动前进带动前进油层间压力无变化，平行板间润滑油不产生压力油层间压力无变化，平行板间润滑油不产生压力vy沿沿方向按线性变化方向按线性变化vhqqoutin21vabqin21vcdqout21outinqq 润滑油不可压缩润滑油不可压缩“拥挤拥挤”形成压力形成压力油的粘性和压力的油的粘性和压力的作用，改变了油层作用，改变了油层速度变化规律速度变化规律2. 液体动压润滑的

12、基本方程液体动压润滑的基本方程pdydzdydzdpp)( dxdzdxdzd )(dyddxdpdydu22dyuddxdp21221cycydxdpuouhyvuoy)()(21yhhvyhydxdpu对对 y 积分：积分：边界条件：边界条件：假设假设油按层状流动油按层状流动忽略压力、温度的影响忽略压力、温度的影响油不可压缩油不可压缩油层在油层在z z方向无流动方向无流动hxhvhdxdpudyq0321210max21vhqxmaxxxqq 任意截面上单位宽度任意截面上单位宽度( z方向方向)的流量的流量0dxdp设油膜压力最大处设油膜压力最大处( 此截面此截面)的间隙为的间隙为0h则则

13、流体是连续的流体是连续的306hhhvdxdp一维雷诺方程一维雷诺方程)()(21yhhvyhydxdpu讨论之一：讨论之一：22dyuddxdp由由油膜压力沿油膜压力沿 x 方向变化规律方向变化规律对平行板对平行板对倾斜板对倾斜板kyu 022dyud022dyud022dyud0dxdp0dxdp0dxdp平行板间油膜压力沿平行板间油膜压力沿 x 方向无变化，方向无变化，等于入口处压力等于入口处压力 (压力为压力为 0)入口处速度图形为凹形入口处速度图形为凹形出口处速度图形为凸形出口处速度图形为凸形在在0dxdp处处0h油膜厚度为油膜厚度为u 沿沿 y 方向线性分布方向线性分布maxp油膜

14、压力达油膜压力达)()(21yhhvyhydxdpu讨论之二：讨论之二：液体摩擦形成的条件液体摩擦形成的条件由由306hhhvdxdp(1) 两工作表面必须形成收敛的楔形间隙两工作表面必须形成收敛的楔形间隙(2) 两工作表面必须有一定的相对运动，两工作表面必须有一定的相对运动， 且且 v 方向是从大口道小口方向是从大口道小口(3) 间隙中必须连续充满具有一定粘度的润滑油间隙中必须连续充满具有一定粘度的润滑油0hh若若0dxdp则则无粘度无粘度各油层无速度各油层无速度两板间油无流动两板间油无流动不能形成油膜压力不能形成油膜压力讨论之三：讨论之三：向心滑动轴承动压油膜形成过程向心滑动轴承动压油膜形

15、成过程(1) 停车停车(2) 启动启动0n0n金属直接金属直接接触接触摩擦力使摩擦力使轴颈右移轴颈右移油膜压力将轴油膜压力将轴颈托起颈托起其合力将轴颈其合力将轴颈左推左推n(3) 随着随着油膜压力将轴油膜压力将轴颈完全托起颈完全托起其合力与外载其合力与外载平衡平衡(4)n为工作转速为工作转速n油膜压力油膜压力偏心距偏心距 e3. 承载能力计算承载能力计算(1) 转换为极坐标系转换为极坐标系eoo21rrrrre)cos1 (cos)180cos(cos022eerrnoncmoh)1 (minhdrdx)cos1 (00h取取连线为极坐标轴连线为极坐标轴21oo偏心距偏心距间隙间隙相对间隙相对

16、间隙偏心率偏心率任意任意处处( m 点点 )的油膜厚度的油膜厚度)(最小油膜厚度最小油膜厚度)(0最大油膜压力处的厚度最大油膜压力处的厚度(2) 承载能力的推导过程承载能力的推导过程代入雷诺方程代入雷诺方程306hhhvdxdp承载区任意点承载区任意点 m 的油膜压力的油膜压力1dp沿沿 y 方向的分压力方向的分压力)(180cos0aypp沿沿 z 方向单位宽度上油膜压力的合力方向单位宽度上油膜压力的合力21dppyy考虑端泄考虑端泄2)21 (lzkppbyy油膜总压力与外载油膜总压力与外载 f 平衡平衡22llydzpfpclvf22研究点研究点 m承载量系数承载量系数采用国际单位：采用

17、国际单位：nfspasmvml./2当轴承结构当轴承结构确定确定),(vldpcdl由由则可计算承受多大的则可计算承受多大的径向载荷径向载荷 ffl vcp22计算计算pcdl由由p pc cf fc c承载量系数承载量系数pclvf22公式公式的用途的用途则可计算承受外载则可计算承受外载 f 时要多大的时要多大的)1 (minrh动压润滑条件：动压润滑条件：minhh)(32 (21zzrrh轴瓦表面粗糙度轴瓦表面粗糙度轴颈表面粗糙度轴颈表面粗糙度pclvf224. 主要参数的选择主要参数的选择(1) 相对间隙相对间隙rrr(2) 宽径比宽径比dldldl承载承载回转精度回转精度摩擦阻力摩擦

18、阻力温度温度的选择：的选择：载荷大、载荷大、 应取小一些，提高承载能力应取小一些，提高承载能力轴承宽度轴承宽度油膜压力油膜压力速度大、速度大、 应取大一些，减少发热应取大一些，减少发热承载承载散热散热温升温升承载承载端泄端泄温升温升4310)0 . 16 . 0(v经验公式经验公式选轴承配合选轴承配合计算计算轴颈中心与轴承中心接近重合轴颈中心与轴承中心接近重合反之，接近于反之，接近于 1 受表面粗糙度、几何形状误差、轴变形、安装误差受表面粗糙度、几何形状误差、轴变形、安装误差等的限制等的限制轴承表面粗糙度轴承表面粗糙度轴颈表面粗糙度轴颈表面粗糙度(3) 偏心率偏心率rre值越趋向于值越趋向于

19、0一般：一般：95. 05 . 0(4) 最小油膜厚度最小油膜厚度)1 ()1 (minrh一般：一般：)(32(21minzzrrh转速转速载荷载荷油膜压力油膜压力承载承载不可能无限小不可能无限小minhminh（即（即)动压润滑条件动压润滑条件minhh5. 热平衡计算热平衡计算(1) 温升公式温升公式tatqcvffs摩擦发热量摩擦发热量流动油带走的热量流动油带走的热量轴承散热量轴承散热量vccldfctsqf温升温升ckgjc0./21001680比热比热3/900850mkg密度密度csmjs02. ./140,80,50散热系数散热系数p pc cf fc c摩擦特性系数摩擦特性系

20、数q qc c流量系数流量系数(2) 热平衡计算热平衡计算初定初定计算计算左右左右ctm050初定值与计算值相差初定值与计算值相差大于大于 5c 时，时， 必须改必须改变参数重新计算变参数重新计算 不得超过不得超过 30c 21tttm定得过高、粘度下降定得过高、粘度下降ctm075ct014535定得过低、外部冷却难定得过低、外部冷却难vccldfctsqf左右左右ct0140设计动压向心滑动轴承设计动压向心滑动轴承已知：已知：d=200mm、f=65000n、n=3000r/min、要求轴承剖分、要求轴承剖分、l-an32润滑油润滑油设计项目设计项目方案方案 1方案方案 2方案方案 3序号序号1 选结构型式选结构型式 正剖分轴承、剖分面两侧供油、包角为正剖分轴承、剖分面两侧供油、包角为 1802 选取宽径比选取宽径比 0.8 1.03 轴承宽度轴承宽度(m) 0.16 0.24 压强压强(mpa) 2.03 1.6255 速度速度(m/s) 31.46 pv值值(mpa.m/s) 63.74