第12章滑动轴承

1、杜永平滑动轴承第四篇第四篇 轴系零部件轴系零部件1. 轴承的分类轴承的分类 按摩擦性质分按摩擦性质分滚动轴承（滚动轴承（rolling bearing）相对运动为相对运动为滚动的轴承滚动的轴承 机床机床汽车汽车机车等用机车等用 杜永平滑动轴承滑动轴承（滑动轴承（sliding bearing）相对运动为相对运动为滑动的轴承滑动的轴承 柴油机曲轴柴油机曲轴汽轮机轴汽轮机轴凸轮轴等凸轮轴等杜永平滑动轴承 按承受载荷的方向分按承受载荷的方向分向心轴承（向心轴承（radial bearing）主要主要承受径向载荷和不大的轴向载荷承受径向载荷和不大的轴向载荷推力轴承（推力轴承（thrust bearin

2、g）只能只能承受轴向载荷承受轴向载荷向心推力轴承（向心推力轴承（angular contact bearing）既能既能承受径向载荷承受径向载荷又能又能承受轴向载荷承受轴向载荷杜永平滑动轴承第十二章第十二章 滑动轴承滑动轴承一、概述一、概述1. 分类分类液体静压轴承（液体静压轴承（hydrostatic bearing） 杜永平滑动轴承流体动压轴承（流体动压轴承（hydrodynamic bearing）不完全液体摩擦滑动轴承不完全液体摩擦滑动轴承流体动力润滑径向滑动轴承流体动力润滑径向滑动轴承杜永平滑动轴承2. 应用应用工作转速特别高的轴承工作转速特别高的轴承高速情况下滚动轴承的寿命大为降低

3、高速情况下滚动轴承的寿命大为降低 要求对轴的支承位置特别精确的轴承要求对轴的支承位置特别精确的轴承滑动轴承影响精度的零件数少滑动轴承影响精度的零件数少 特重型的轴承特重型的轴承单件生产，用滚动轴承成本高单件生产，用滚动轴承成本高杜永平滑动轴承承受巨大冲击振动载荷的轴承承受巨大冲击振动载荷的轴承油层的阻尼和吸振作用油层的阻尼和吸振作用根据使用要求必须做成剖分式的轴承根据使用要求必须做成剖分式的轴承径向尺寸较小的轴承径向尺寸较小的轴承特殊工作条件下工作的轴承特殊工作条件下工作的轴承滚动轴承不可能做成剖分式滚动轴承不可能做成剖分式在水或腐蚀性介质中工作在水或腐蚀性介质中工作杜永平滑动轴承3. 特点特

4、点工作平稳，无噪音；工作平稳，无噪音；工作可靠；工作可靠；保证液体摩擦下，可大大减少摩擦损失和保证液体摩擦下，可大大减少摩擦损失和表面磨损；表面磨损；有一定的吸振能力；有一定的吸振能力；起动摩擦阻力大。起动摩擦阻力大。杜永平滑动轴承 决定轴承的结构和型式；决定轴承的结构和型式； 选择轴瓦和轴承衬的结构和材料；选择轴瓦和轴承衬的结构和材料； 轴承强度和刚度的计算；轴承强度和刚度的计算； 润滑剂和润滑方式的选择；润滑剂和润滑方式的选择； 保证润滑而考虑的温度、压力分布、轴承保证润滑而考虑的温度、压力分布、轴承间隙；间隙； 轴承的热平衡计算。轴承的热平衡计算。4. 轴承设计应解决的问题轴承设计应解决

5、的问题杜永平滑动轴承二、滑动轴承的结构二、滑动轴承的结构1. 径向滑动轴承的结构径向滑动轴承的结构 对开式滑动轴承对开式滑动轴承(split plain bearing) 杜永平滑动轴承 整体式向心轴承整体式向心轴承(solid bearing)杜永平滑动轴承 椭圆轴承（椭圆轴承（elliptic bearing）杜永平滑动轴承 多油楔轴承（多油楔轴承（multi-oil wedge bearing）四油楔轴瓦四油楔轴瓦杜永平滑动轴承 球面轴承（球面轴承（plain self-aligning bearing）杜永平滑动轴承2. 止推滑动轴承的结构止推滑动轴承的结构 固定式推力轴承固定式推力轴

6、承 (plain thrust bearing)杜永平滑动轴承杜永平滑动轴承 可倾扇面推力轴承（可倾扇面推力轴承（tilting-pad bearing ）杜永平滑动轴承三、轴瓦材料和结构三、轴瓦材料和结构1. 对轴瓦材料的要求对轴瓦材料的要求摩擦副间摩擦系数小、耐磨摩擦副间摩擦系数小、耐磨抗粘着性好抗粘着性好P、n、间隙小、表面粗糙、间隙小、表面粗糙、润滑不良等容易发生粘着润滑不良等容易发生粘着适应性好适应性好硬度低、塑性好和弹性系数低的硬度低、塑性好和弹性系数低的材料具有良好的适应性材料具有良好的适应性 能够适应轴的弯曲和几能够适应轴的弯曲和几何形状误差的能力何形状误差的能力 杜永平滑动轴

7、承容纳异物的能力强容纳异物的能力强尘土、金属磨屑能嵌入轴尘土、金属磨屑能嵌入轴瓦材料中而不外露的性能瓦材料中而不外露的性能抗疲劳性好抗疲劳性好轴承合金，尽可能做得薄一轴承合金，尽可能做得薄一些，有利于提高疲劳寿命些，有利于提高疲劳寿命强度高强度高用双金属、三金属的轴瓦用双金属、三金属的轴瓦结构可以提高强度结构可以提高强度 抗腐蚀性好抗腐蚀性好含锡成分的材料、铝合含锡成分的材料、铝合金等可减轻腐蚀金等可减轻腐蚀杜永平滑动轴承2. 轴瓦材料轴瓦材料 铸铁（铸铁（cast iron）含有片状或球状石墨，含有片状或球状石墨，可起润滑作用可起润滑作用用于低速轻载或开式传动的轴承用于低速轻载或开式传动的轴

8、承 轴承合金（巴氏合金）（轴承合金（巴氏合金）（bearing alloy）锡基轴承合金（锡基轴承合金（ZChSnSb11-6） 抗腐蚀性好，抗胶抗腐蚀性好，抗胶合能力强合能力强适用于高速重载适用于高速重载杜永平滑动轴承铅基轴承合金（铅基轴承合金（ZChPbSb16-16-2）抗胶合能力差，热膨抗胶合能力差，热膨胀性差，脆胀性差，脆适于中速中载适于中速中载 铜合金（铜合金（copper base alloy） 铸造铅青铜（铸造铅青铜（ZCuPb30）用于高速重载用于高速重载铸造锡锌铅青铜（铸造锡锌铅青铜（ZCuSn5Pb5Zn5）用作整体式轴瓦及轴套用作整体式轴瓦及轴套杜永平滑动轴承铸造锡磷青

9、铜（铸造锡磷青铜（ZCuSn10P1） 用作整体式轴用作整体式轴瓦及轴套瓦及轴套铸造铝青铜（铸造铝青铜（ZCuAl10Fe3）强度最高，硬度较高，强度最高，硬度较高，但容纳异物和适应性差但容纳异物和适应性差用于低速重载用于低速重载杜永平滑动轴承铸造黄铜（铸造黄铜（ZCuZn16Si4、ZCuZn40Mn2）用于滑动速度不用于滑动速度不高的轴承高的轴承 铝合金（铝合金（aluminum base alloy）强度高，耐腐蚀，导热性好，但要求轴颈强度高，耐腐蚀，导热性好，但要求轴颈有高硬度、低表面粗糙度有高硬度、低表面粗糙度 柴油机曲轴瓦用柴油机曲轴瓦用杜永平滑动轴承 粉末冶金（粉末冶金（powd

10、er metallurgy）韧性小，韧性小，抗冲击振抗冲击振动能力差动能力差适用于载荷平稳、中小速度适用于载荷平稳、中小速度或润滑条件较差的场合或润滑条件较差的场合自润滑原理：自润滑原理：轴颈转动时的抽吸作用；轴颈转动时的抽吸作用； 轴和油的热胀，把油挤入摩擦表面。轴和油的热胀，把油挤入摩擦表面。杜永平滑动轴承 非金属材料非金属材料 石墨（石墨（plumbago） 橡胶（橡胶（rubber） 陶瓷（陶瓷（ceramic）酚醛树脂（酚醛树脂（phenolic resin）尼龙（尼龙（nylon）杜永平滑动轴承3. 轴瓦的结构轴瓦的结构 整体式整体式卷制轴瓦（单层、双金属或三金属）卷制轴瓦（单层、

11、双金属或三金属）整体铸造整体铸造杜永平滑动轴承三金属三金属在钢背和轴瓦之间再加一中在钢背和轴瓦之间再加一中间层，以提高表层强度间层，以提高表层强度 质量稳定，成本低，但轴瓦刚性小质量稳定，成本低，但轴瓦刚性小用双金属板轧制等新工用双金属板轧制等新工艺进行大批量生产艺进行大批量生产薄壁轴瓦薄壁轴瓦用铸造方式铸用铸造方式铸造，内表面可造，内表面可附有轴承衬附有轴承衬 剖分式剖分式厚壁轴瓦厚壁轴瓦杜永平滑动轴承不同材料的组合，用于不同的工况：不同材料的组合，用于不同的工况：钢背与铅青铜、钢背与巴氏合金钢背与铅青铜、钢背与巴氏合金用于高压力、高转速和有冲击载荷处用于高压力、高转速和有冲击载荷处钢背与紫

12、铜钢背与紫铜用于低转速和有振动处用于低转速和有振动处 青铜背与巴氏合金青铜背与巴氏合金 适用压力很大及转速很高适用压力很大及转速很高铸铁背与巴氏合金铸铁背与巴氏合金用于承受平稳载荷处用于承受平稳载荷处铸钢背与巴氏合金铸钢背与巴氏合金 用于陡震和冲击载荷处用于陡震和冲击载荷处杜永平滑动轴承 轴瓦的定位轴瓦的定位做出凸缘作轴向定位做出凸缘作轴向定位用紧定螺钉用紧定螺钉用销钉用销钉轴瓦剖分面上冲出定位唇轴瓦剖分面上冲出定位唇杜永平滑动轴承4. 油孔和油沟（槽）油孔和油沟（槽）Bd 较小的轴承，只需开一个油孔较小的轴承，只需开一个油孔杜永平滑动轴承Bd 较大、可靠性要求高的轴承，应开设油槽较大、可靠性

13、要求高的轴承，应开设油槽油槽开在有利于供油油槽开在有利于供油尽量不降低轴承承载能力尽量不降低轴承承载能力杜永平滑动轴承开设油槽的原则：开设油槽的原则：纵向油槽纵向油槽径向载荷相对轴承不转时，开在轴瓦上径向载荷相对轴承不转时，开在轴瓦上径向载荷相对轴承转动时，开在轴上径向载荷相对轴承转动时，开在轴上油槽的长度稍短于轴瓦的长度油槽的长度稍短于轴瓦的长度杜永平滑动轴承环形油槽环形油槽轴线水平的轴承，开在非承载区的半环轴线水平的轴承，开在非承载区的半环开设全环，宜开在靠近轴承的两个端部开设全环，宜开在靠近轴承的两个端部杜永平滑动轴承竖直放置的轴承竖直放置的轴承全环油槽宜开在轴承的上端全环油槽宜开在轴承

14、的上端 由下向上吸油时，可开螺旋油槽由下向上吸油时，可开螺旋油槽油槽的剖面形状，应避免边缘有锐边及棱角油槽的剖面形状，应避免边缘有锐边及棱角杜永平滑动轴承四、不完全液体摩擦滑动轴承的设计计算四、不完全液体摩擦滑动轴承的设计计算1. 失效形式和设计准则失效形式和设计准则 磨损：磨料磨损磨损：磨料磨损工作要求不高，速度较低，载工作要求不高，速度较低，载荷不大，难于维护的轴承荷不大，难于维护的轴承杜永平滑动轴承1. 失效形式和设计准则（续）失效形式和设计准则（续） 磨损：疲劳磨损磨损：疲劳磨损杜永平滑动轴承1. 失效形式和设计准则（续）失效形式和设计准则（续） 磨损：腐蚀磨损磨损：腐蚀磨损杜永平滑动

15、轴承设计准则：设计准则： 保证两摩擦面（轴颈和轴瓦）保证两摩擦面（轴颈和轴瓦）间有一层边界润滑油膜间有一层边界润滑油膜2. 径向滑动轴承设计计算径向滑动轴承设计计算已知：在轴的结构设计中得到的轴径已知：在轴的结构设计中得到的轴径d，轴，轴颈转速颈转速n，径向载荷，径向载荷F 确定轴承的基本结构和材料确定轴承的基本结构和材料 根据工作条件和使用要求，确定轴承结构形根据工作条件和使用要求，确定轴承结构形式，选择轴瓦材料，确定轴承的宽度。式，选择轴瓦材料，确定轴承的宽度。杜永平滑动轴承 验算轴承的平均压力验算轴承的平均压力p验算验算p 解决解决什么问题？什么问题？ 保证油膜不被破坏，保保证油膜不被破

16、坏，保证润滑，减少磨损证润滑，减少磨损 验算轴承的验算轴承的 pv值值19100100060pvBFndnBdFpv 验算验算 p v 限制什么？限制什么？ 限制限制 pv就是防止油温过高就是防止油温过高pBdFp 杜永平滑动轴承 验算滑动速度验算滑动速度 vvv滑动速度过高，也会加速磨损而报废滑动速度过高，也会加速磨损而报废 选择轴承的配合选择轴承的配合 保证一定的间隙，保证旋转精度，一般选：保证一定的间隙，保证旋转精度，一般选：d9H9f7H8f6H7验算验算 v 限制什么？限制什么？ 杜永平滑动轴承3. 止推滑动轴承设计计算止推滑动轴承设计计算 已知：轴向载荷已知：轴向载荷Fa，转速，转

17、速n 根据载荷根据载荷Fa的大小、方向及空间的大小、方向及空间尺寸等选择轴承结构型式尺寸等选择轴承结构型式实心式、空心式、单环式、多环式实心式、空心式、单环式、多环式 根据轴的结构设计初定轴颈基本尺寸根据轴的结构设计初定轴颈基本尺寸 压力压力p 的验算的验算4)(2122aapddzFAFp 杜永平滑动轴承 pvm的验算的验算)(1032100060)()(4124a212122apvddznFddnddzFpv Fa轴向载荷轴向载荷z支承面数目支承面数目d1轴承孔直径轴承孔直径d2轴环直径轴环直径n轴颈转速轴颈转速p许用压力许用压力pvpv的许用值的许用值杜永平滑动轴承五、流体动力润滑径向滑

18、动轴承的设计五、流体动力润滑径向滑动轴承的设计1. 流体动力润滑理论的基本方程流体动力润滑理论的基本方程假设：流体流动具有层流性质假设：流体流动具有层流性质流体不可压缩流体不可压缩流体的重力、惯性力不计流体的重力、惯性力不计流体的粘度为常量，与压力无关流体的粘度为常量，与压力无关流体沿厚度（流体沿厚度（y）方向油压为常数）方向油压为常数运动表面为光滑表面运动表面为光滑表面流体与平板面间无相对滑动流体与平板面间无相对滑动杜永平滑动轴承 左、右面的压力左、右面的压力 dxxpp 上、下面的剪切力上、下面的剪切力dyy 和和x方向的平衡：方向的平衡：dydzdxxppdxdzpdydz)( 0)(

19、dxdzdyy yxp 油膜内油膜内沿沿x 轴的压力变化率和轴的压力变化率和沿沿y 轴的剪切力变化率相等轴的剪切力变化率相等p 和和杜永平滑动轴承代入牛顿粘性液体摩擦定律代入牛顿粘性液体摩擦定律得流体动力润滑的基本方程得流体动力润滑的基本方程dydu 22yuxp 油层的速度分布油层的速度分布 对对y 两次积分得两次积分得212)(21CyCyxpu hvxphC )(21 边界条件：边界条件：y0时，时，uv；yh（油膜厚度）时，（油膜厚度）时，u0vC 2杜永平滑动轴承()()()2hyy hypuvhx 油层速度分布：油层速度分布： 前一项呈线性分布，由板的运动引起的；前一项呈线性分布，

20、由板的运动引起的； 后一项呈抛物线分布，由油压沿后一项呈抛物线分布，由油压沿x方向的变方向的变化引起的。化引起的。代入积分常数，整理后得代入积分常数，整理后得杜永平滑动轴承 润滑油的流量润滑油的流量 压力方程压力方程无限长动压轴承的基本方程无限长动压轴承的基本方程 流体力学的无侧漏条件和流量连续性定理流体力学的无侧漏条件和流量连续性定理 hhdyxpyhyhyhvudyq00)(2)()( xphvh 12230)12(23 xphdxddxdhvdxdq )12(23xphdxddxdhv 一维雷诺方程一维雷诺方程杜永平滑动轴承在在ppmax剖面处油膜厚度为剖面处油膜厚度为h0，沿，沿y方向

21、的速度方向的速度变化呈线性分布，则流量为：变化呈线性分布，则流量为：qvh02无限长动压轴承的基本方程：无限长动压轴承的基本方程：xphvhvh 12212130)(603hhhvxp 杜永平滑动轴承 讨论讨论 若若hh 00 xp入口和出口压力相等入口和出口压力相等建立不起承载能力建立不起承载能力 沿沿x方向油膜厚度按线性变化方向油膜厚度按线性变化在在hh 0段（原点起）段（原点起）0 xp在在hh 0段段压力逐渐增大压力逐渐增大0 xp压力逐渐减小压力逐渐减小油膜沿油膜沿x方向各处的压力都大于入口和出口方向各处的压力都大于入口和出口压力，能承受载荷压力，能承受载荷杜永平滑动轴承速度分析：速

22、度分析：入口段：入口段：0 xp022 yuxpyu 122凹形抛物线凹形抛物线出口段：出口段：0 xp022 yu凸形抛物线凸形抛物线杜永平滑动轴承油膜能承受外载荷的条件：油膜能承受外载荷的条件：相对运动表面必须形成收敛的楔形空间；相对运动表面必须形成收敛的楔形空间；两表面必须有一定的相对滑动速度，且能两表面必须有一定的相对滑动速度，且能把油从大口带入小口；把油从大口带入小口；润滑油必须有一定的粘度，供油充分。润滑油必须有一定的粘度，供油充分。杜永平滑动轴承2. 径向轴承动压润滑的建立径向轴承动压润滑的建立静止时，自然形成弯静止时，自然形成弯曲的楔形空间曲的楔形空间转动开始，摩擦力迫转动开始

23、，摩擦力迫使轴颈向摩擦力方向使轴颈向摩擦力方向偏移；偏移；杜永平滑动轴承转速的提高，带入的油量转速的提高，带入的油量增大，压力也逐渐增大，增大，压力也逐渐增大，推动轴颈向速度方向偏移，推动轴颈向速度方向偏移，并逐渐向上托起；并逐渐向上托起；转速的增大，使压力继续转速的增大，使压力继续增大，进一步把轴颈推向增大，进一步把轴颈推向轴承的中心，直到与外载轴承的中心，直到与外载荷平衡。荷平衡。 轴颈中心与轴颈中心与孔的中心是孔的中心是否会重合？否会重合？ 杜永平滑动轴承3. 承载能力与轴承的宽径比承载能力与轴承的宽径比宽径比大宽径比大为什么是这为什么是这个结果？个结果？侧漏比例小侧漏比例小承载能力提高

24、承载能力提高带走的摩擦热小带走的摩擦热小温度升高温度升高润滑油粘度降低润滑油粘度降低承载能力下降承载能力下降杜永平滑动轴承高速重载，温升高，易选小宽径比；高速重载，温升高，易选小宽径比；低速重载，为提高整体刚性，易选大宽径比；低速重载，为提高整体刚性，易选大宽径比；高速轻载，对刚性无过高要求的，选小宽径比；高速轻载，对刚性无过高要求的，选小宽径比； 对刚性有较高要求的，选大宽径比。对刚性有较高要求的，选大宽径比。 杜永平滑动轴承4. 轴承的间隙轴承的间隙直径间隙直径间隙：间隙的选择原则：间隙的选择原则：载荷越大，直径间隙应选小一些；载荷越大，直径间隙应选小一些；转速越高，直径间隙应选大一些；转

25、速越高，直径间隙应选大一些；要求旋转精度高的轴承，直径间隙选小一些；要求旋转精度高的轴承，直径间隙选小一些；膨胀系数大的材料，直径间隙应选大一些。膨胀系数大的材料，直径间隙应选大一些。rR ： 半径间隙半径间隙dD 杜永平滑动轴承5. 最小油膜厚度和承载能力最小油膜厚度和承载能力（1）油膜厚度）油膜厚度偏心距偏心距 e轴颈中心与轴承中心的距离轴颈中心与轴承中心的距离相对偏心距相对偏心距最小油膜厚度为：最小油膜厚度为：dr e e)1(min eh)1( r相对间隙相对间隙杜永平滑动轴承压力最大处的油膜厚度为压力最大处的油膜厚度为)cos1(00 h cos)(2)(222hrehreR )co

26、s1( h 22sin)(1cosReRehr h处处的的油油膜膜厚厚度度 任任意意极极角角 杜永平滑动轴承dxhhhvdp)(603 rdr)cos1()cos1()cos1(6033 dr302)cos1()cos(cos6 dp 1302)cos1()cos(cos6处处的的液液体体动动压压力力 任任意意极极角角 ）（2则则积积分分到到 从从动动压压起起始始角角， 1 转转化化为为极极坐坐标标形形式式dxrd vr 杜永平滑动轴承（3）外载方向上的总动压力）外载方向上的总动压力)(180cosa0y pp 2 1 1 )cos()cos1 ()cos(cos6a302 ddr)cos(a

27、 p则则终终止止于于 动动压压始始于于，21 2 1 y y rdpp杜永平滑动轴承（4）承载能力）承载能力 理论上，理论上，FpyB，但是，由于轴承存在侧漏，但是，由于轴承存在侧漏，压力沿轴承宽度方向呈抛物线规律分布。压力沿轴承宽度方向呈抛物线规律分布。 )2(1 2yyBzCpp 22yBBdzpFp2CdB 有有关关 宽宽径径比比和和相相对对偏偏心心距距角角承承载载量量系系数数，其其值值与与包包 p 、C杜永平滑动轴承（5）最小油膜厚度与承载能力的关系）最小油膜厚度与承载能力的关系因为：因为：pCF )(pdBC， hmin越小越小Cp越大越大F 越大越大尽量减小尽量减小hmin，但是，

28、但是，hmin受限：受限： 轴颈和轴瓦表面粗糙度；轴颈和轴瓦表面粗糙度； 轴的刚性；轴的刚性； 轴瓦与轴颈的几何形状误差。轴瓦与轴颈的几何形状误差。 )1(min rh)(2z1zminRRShh 给定时给定时当当 越大越大 杜永平滑动轴承保证轴承的正常工作，可以采取：保证轴承的正常工作，可以采取： 结构上，保证轴和轴瓦有足够的刚性；结构上，保证轴和轴瓦有足够的刚性； 制造安装上，保证符合规定的精度；制造安装上，保证符合规定的精度； 使用上，保证润滑油的清洁度。使用上，保证润滑油的清洁度。杜永平滑动轴承6. 轴承中的摩擦系数轴承中的摩擦系数液体摩擦的摩擦力：液体摩擦的摩擦力： dyduAAFf

29、 rrvdydu dBFf pnppdBdBFFff 302油层面积：油层面积：速度梯度：速度梯度：dBA 杜永平滑动轴承pnf 302杜永平滑动轴承7. 轴承的耗油量轴承的耗油量 供油为了补充端泄的油；供油为了补充端泄的油；充足的供油是产生液体摩擦的必要条件；充足的供油是产生液体摩擦的必要条件；过大供油会加大摩擦阻力，降低机械效率。过大供油会加大摩擦阻力，降低机械效率。直接查图直接查图一般根据一般根据），（dB 杜永平滑动轴承8. 轴承的热平衡计算轴承的热平衡计算摩擦产生的热量：摩擦产生的热量：fpvQ 1oi()Qqc tt 2soi()QdB tt oisoi()()fpvqc ttdB tt 流动油带走的热量：流动油带走的热量：轴承散逸的热量：轴承散逸的热量：热平衡：热平衡：温度差：温度差：oisfpvtttqcdB vvdBqcpf s)()( 杜永平滑动轴承加冷却水套加冷却水套在非承载区开油沟，加快热量传导在非承载区开油沟，加快热量传导 moi0.5()75 Cttt平均温度：平均温度：不平衡的处理：不平衡的处理：杜永平滑动轴承设计时，先给定设计时，先给定tm，求出，求出t，再校验入口温度，再校验入口温度 titm0.5t