山轻院机械设计基础课件17滑动轴承

17.1

概述17.2

径向滑动轴承的主要类型17.3

滑动轴承材料17.4

轴瓦结构17.5轴承润滑材料17.6润滑方法17.7滑动轴承的条件性计算17.8液体动力润滑的基本方程式17.9液体动力润滑径向轴承的计算17.10液体动力润滑推力轴承的计算17.11其它轴承简介第17章滑动轴承17.1概述轴承是支承轴颈的部件，有时也用来支承轴上的回转零件。按照承受载荷的方向，分为：径向轴承：轴承上的反作用力与轴中心线垂直推力轴承：轴承上的反作用力与轴中心线方向一致按照轴承工作的摩擦性质，分为：滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）滑动轴承设计包括下列内容：1）决定轴承的结构型式；2）选择轴瓦和轴承衬的材料；3)决定轴承结构参数；4）选择润滑剂和润滑方法；5）计算轴承工作能力。17.2

径向滑动轴承的主要类型常用的径向滑动轴承有整体式和剖分式两大类。17.2.1整体式轴承上图是一种常见的整体式径向滑动轴承。优点：构造简单，常用于低速、载荷不大的间歇工作的机器上。缺点：1)当滑动表面磨损而间隙过大时，无法调整轴承间隙；2）轴颈只能从端部装入，对于粗重的轴或具有中轴颈的轴按装不便。17.2

径向滑动轴承的主要类型17.2.2剖分式轴承剖分式轴承由轴承座、轴承盖、剖分轴瓦、轴承盖螺柱等组成轴瓦是轴承直接和轴颈相接触的零件，常在轴瓦内表面上贴附一层轴承衬。在轴瓦内壁不负担载荷的表面上开设油沟，润滑油通过油孔和油沟流进轴承间隙。剖分面最好与载荷方向近于垂直，轴承盖和轴承座的剖分面常作成阶梯形，以便定位和防止工作时错动。轴承宽度与轴颈直径之比（B/d）称为宽径比。对于B/d>1.5的轴承，可以采用自动调心轴承，其特点是：轴瓦外表面做成球面形状，与轴承盖及轴承座的球状内表面相配合，轴瓦可以自动调位以适应轴颈在轴弯曲时所产生的偏斜。17.3

滑动轴承材料轴瓦是滑动轴承中的重要零件。轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。17.3.1对轴承材料的要求轴瓦的主要失效形式是磨损，由于强度不足而出现的疲劳损坏和由于工艺原因而出现的轴承衬脱落等现象也时有发生。对轴瓦材料主要要考虑以下几方面性能：1）强度、塑性、顺应性和嵌藏性；2）磨合性、减摩性和耐磨性；3）耐腐蚀性；4）润滑性能和热学性质（传热性及膨胀性）；5）工艺性；6）经济性。17.3

滑动轴承材料17.3.2轴承材料的分类轴承材料分三大类：1）金属材料—如轴承合金、青铜、铝基材料、锌基合金、减摩铸铁等；2）多孔质金属材料（粉末冶金材料）；3）非金属材料—如塑料、橡胶、硬木等。1.轴承合金（又称白合金、巴氏合金）锡、铅、锑、铜的合金统称为轴承合金。它以锡或铅作基体，悬浮锑锡及铜锡的硬晶粒。硬晶粒起耐磨作用，软基体则增加材料的塑性。硬晶粒受重载时可以嵌陷到软基里，使载荷由更大的面积承担。它的弹性模量和弹性极限都很低。在所有轴承材料中，轴承合金的嵌藏性和顺应性最好，很容易和轴颈磨合，它与轴颈的抗胶合能力也较好。巴氏合金的机械强度较低，通常将它贴附在软钢、铸铁或青铜的轴瓦上使用。锡基合金的热膨胀性质比铅基合金好，所以前者更适合于高速轴承，但价格较贵。17.3

滑动轴承材料2.轴承青铜铸锡锌铅青铜有很好的疲劳强度，广泛用于一般轴承。铸锡磷青铜是很好的一种减摩材料，减摩性和耐磨性都很好，机械强度也较高，适用于重载轴承。铜铅合金具有优良的抗胶合性能，在高温时可以从摩擦表面析出铅，在铜基体上形成一层薄的敷膜，起到润滑的作用。3.多孔质金属材料多孔质金属是一种粉末冶金材料，它具有多孔组织，采取措施使轴承所有细孔都充满润滑油的称为含油轴承，因此它具有自润滑性能。常用的含油轴承材料有多孔铁（铁—石墨）与多孔青铜（青铜—石墨）两种。17.3

滑动轴承材料4.轴承塑料塑料轴承有自润滑性能，也可用油或水润滑。优点：1）摩擦系数较小；2）有足够的抗压强度和疲劳强度，可承受冲击载荷；3）耐磨性和跑合性好；4）塑性好，可以嵌藏外来杂质，防止损伤轴颈。缺点：导热性差（只有青铜的几百分之一），线膨胀系数大（约为金属的3－10倍），吸水吸油后体积会膨胀，受载后有冷流性。17.4

轴瓦结构17.4.1轴瓦和轴承衬部分轴瓦的结构见上图17.4。为了改善轴瓦表面的摩擦性质，常在其内表面上浇注一层或两层减摩材料（见图17.5），通常称为轴承衬，所以轴瓦又有双金属轴瓦和三金属轴瓦。轴承衬的厚度应随轴承直径的增大而增大，一般由十分之几毫米到6毫米。17.4

轴瓦结构17.4.2油孔、油沟和油室油孔用来供应润滑油，油沟则用来输送和分布润滑油。油沟的形状和位置影响轴承中油膜压力分布情况。润滑油应该自油膜压力最小的地方输入轴承。油沟不应该开在油膜承载区内，否则会降低油膜的承载能力（图17.7）。轴向油沟应较轴承宽度稍短，以免油从油沟端部大量流失。图17.8是油室的结构，它可使润滑油沿轴向均匀分布，并起着贮油和稳定供油的作用。17.4

轴瓦结构17.5

轴承润滑材料轴承润滑的目的主要是：减小摩擦功耗，降低磨损率，同时还可起冷却、防尘、防锈以及吸振等作用。常用的润滑材料是润滑油和润滑脂。此外，有使用固体（如石墨、二硫化钼）或气体（如空气）作润滑剂的。润滑油中以矿物油用的最多。17.5.1润滑油润滑油的主要物理及化学性能指标是：粘度、粘度指数、油性、闪点、凝点、酸值、残碳量等。对于动压润滑轴承，粘度是最重要的指标，也是选择轴承用油的主要依据。选择轴承用润滑油的粘度时，应考虑轴承压力、滑动速度、摩擦表面状况、润滑方式等条件。17.5

轴承润滑材料一般原则如下：——在压力大或冲击、变载等工作条件下，应选用粘度较高的油。——滑动速度高时，容易形成油膜，为了减小摩擦功耗，应采用粘度较低的油。——加工粗糙或未经跑合的表面，应选用粘度较高的油。——循环润滑、芯捻润滑或油垫润滑时，应选用粘度较低的油；飞溅润滑应选用高品质、能防止与空气接触而氧化变质或因激烈搅拌而乳化的油。——低温工作的轴承应选用凝点低的油。17.5

轴承润滑材料液体动力润滑轴承的润滑油粘度可以通过计算和参考同类轴承的使用经验初步确定。混合润滑轴承的润滑油选择可参考表17.3。17.5.2润滑脂17.5

轴承润滑材料轴颈速度小于1m/s~2m/s的滑动轴承可以采用脂润滑。润滑脂是用矿物油与各种稠化剂混合制成。它的稠度大，不易流失，承载力也较大，但物理和化学性质不如润滑油稳定，摩擦功耗大，不宜在温度变化大或高速下使用。润滑脂的主要物理性能指标是稠度（锥入度）和滴点。工业上应用最广的润滑脂是钙基润滑脂，它在100摄氏度附近开始稠度急剧降低，因此只能在60摄氏度以下使用。钠基润滑脂滴点高，一般用在120摄氏度以下，比钙基脂耐热，但怕水。锂基润滑脂有一定的抗水性和较好的稳定性，适用于－20摄氏度～120摄氏度。17.6

润滑方法17.6.1润滑油润滑油供给可以是间歇的或连续的，连续供油比较可靠。用油壶注油或提起针阀通过油杯注油，只能达到间歇润滑的作用。17.6

润滑方法连续供油主要有下列方法：1.滴油润滑图17.9c为针阀式注油油杯。当手柄卧倒时，针阀受弹簧推压向下而堵住底部油孔。手柄转90度变为直立状态时针阀上提，下端油孔敞开，润滑油流进轴承，调节油孔开口大小可以调节流量。针阀式注油油杯也可用于连续润滑。2.芯捻或线纱润滑用毛线或棉线做成芯捻（图17.10a）或用线纱做成线团浸在油槽内，利用毛细管作用把油引到滑动表面上。这两种方法不易调节供油量。17.6

润滑方法3.油环润滑轴颈上套有轴环（图17.10b），油环下垂浸到油池里，轴颈回转时把油带到轴颈上去。这种装置只能用于水平而连续运转的轴颈，供油量与轴的转速、油环的截面形状和尺寸、润滑油粘度等有关。适用的转速范围为60r/min~100r/min<n<1500r/min~2000r/min。速度过低，油环不能把油带起；速度过高，环上的油会被甩掉。17.6

润滑方法4.飞溅润滑以齿轮减速器为例，利用浸入油中的齿轮转动时，由润滑油飞溅成的油沫沿箱壁和油沟流入轴承。5.浸油润滑部分轴承直接浸在油中以润滑轴承，见图17.10c。6.压力循环润滑压力循环润滑（图17.10d）可以供应充足的油量来润滑和冷却轴承。在重载、振动或交变载荷的工作条件下，能取得良好的润滑效果。17.6

润滑方法17.6.2润滑脂润滑脂只能间歇供应。润滑杯（黄油杯，图17.11）是应用得最广的脂润滑装置。润滑脂贮存在杯体里，杯盖用螺纹与杯体联接，旋拧杯盖可将润滑脂压送到轴承孔内。也常见用黄油枪向轴承补充润滑脂。润滑脂也可以集中供应。滑动轴承的润滑方式可根据系数k选定（17.1）式中：p=F/(dB)——平均压强，MPa；v——轴颈的线速度，m/s；k<=2——用润滑脂，油杯润滑；k=2~16——针阀式注油油杯润滑；k=16~32——油环或飞溅润滑；k>32——压力循环润滑。17.7

滑动轴承的条件性计算在设计滑动轴承时，常用简单的条件性计算来确定轴承的尺寸。但液体动力润滑轴承只能用它作为初步计算，混合润滑和固体润滑轴承则常用它作为主要的计算方法。17.7.1径向轴承混合润滑轴承的计算准则有以下几种：1.限制轴承平均压强p(17.2)式中，F—轴承径向载荷，N；d和B—轴颈直径和有效宽度，mm；[p]—许用压强，MPa。上式也可以用以求轴承尺寸。低速轴或间歇转动轴的轴承只需进行压强校核。17.7

滑动轴承的条件性计算2.限制轴承pv值(17.3)3.限制滑动速度v(17.4)17.7

滑动轴承的条件性计算17.7.2推力轴承常见的推力轴承止推面的形状见图17.12。实心端面推力轴颈由于跑合时中心与边缘的磨损不均匀，愈近边缘部分磨损愈快，以致中心部分压强极高。空心轴颈和环状轴颈可以克服这一缺点。载荷很大时可以采用多环轴颈，它能承受双向的轴向载荷。17.7

滑动轴承的条件性计算混合摩擦润滑的推力轴承，应验算压强p和pv值（17.5）（17.6）式中，F—轴向载荷，N；v—推力轴颈平均直径处的圆周速度，m/s；n—轴转速，r/min；d0,d—轴颈内、外径，mm；z—轴环数。许用[p]和[pv]值见表17.1和表17.2。对于对环轴承，各环受力不均匀，[p]和[pv]值应降低50％。17.8

液体动力润滑的基本方程式用润滑油把摩擦表面完全分隔开时的摩擦，称为液体摩擦。获得液体摩擦主要有两种方法：1）在滑动表面间用足以平衡外载的压力输入润滑油，人为地使两个表面分离，或者说，用油压把轴颈顶起，用这种方法来实现液体摩擦的轴承称为液体静压轴承；2）利用轴颈本身回转时的泵油作用，把油带入摩擦面间，建立压力油膜而把摩擦面分开，用这种方法来实现液体摩擦的轴承称为液体动压轴承。17.8.1雷诺润滑方程式一维雷诺方程式的推导是建立在以下假设的基础上：1）忽略压力对润滑油粘度的影响；2）润滑油沿z向没有流动；3）润滑油是层流流动；4）油与工作表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运动或静止；5）不计油的惯性力和重力的影响；6）润滑油不可压缩；等等17.8

液体动力润滑的基本方程式取微单元体进行分析，和是作用在微单元体左左右两侧的压力，及是作用在微单元体上下两面的切应力。根据x方向系的平衡，得整理后得17.8

液体动力润滑的基本方程式积分上式，得由y=0时u=v（随移动件移动）；y=h（油膜厚度）时u=0（随静止件不动）。利用这两个边界条件可解出再分析任何截面沿x方向的单位宽度流量（a）17.8

液体动力润滑的基本方程式（b）连续流动时流量不变，故（a）＝（b）。由此得（17.7）上式为一维雷诺动力润滑方程式。经整理，并对x取偏导数可得（17.8）若再考虑润滑油沿z向的流动，则（17.9）上式为二维雷诺动力润滑方程式，是计算液体动压轴承的基本公式。17.8

液体动力润滑的基本方程式17.8.2油楔承载机理由图17.14a可以看出，在油膜厚度为的左边，根据式17.7可知，即油压随x的增加而增大；在截面的右边，根据式17.7可知，即油压随x的增加而减小。17.8

液体动力润滑的基本方程式这表示，油膜必须呈收敛形油楔，才能使油楔内各处的油压若两滑动表面平行（图17.14b）,则任何截面的油膜厚度亦即。这表示平行油膜各处油压总是等于入口和出口处的压力，应此不能产生高于外面压力的油压以支承外载。都大于入口和出口处的压力，产生正压力以支承外载。若两滑动表面呈扩散楔形——移动件带着润滑油从小口走向大口，油压必将低于出口和入口处的压力，不仅不能产生油压支承外载，而且会产生使两表面相吸的力。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算17.9.1几何关系（17.10）（17.11）17.9

液体动力润滑径向轴承的计算（17.12）（17.13）17.9.2动力润滑状态的建立1.动力润滑状态建立的过程径向轴承建立液体动力润滑的过程可分为三个阶段（图17.16）：1）轴的起动阶段（a图）；2）不稳定润滑阶段，这时轴颈沿轴承内壁上爬，不时发生表面接触（b图）；3）液体动力润滑运行阶段，这时由于转速足够高，带入到摩擦面间的油量能充满油楔，并建立承载油膜使轴颈抬起（c图）。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算2.校核层流条件对于径向轴承，层流必须满足的条件为（17.14）17.9

液体动力润滑径向轴承的计算对于高速轻载轴承，若，则流体由层流变为湍流状态。这时，轴承的承载能力有所提高，流量减小，功耗和温升都增加。对这种情况应按湍流润滑理论计算。17.9.3承载能力和索氏数So参见图17.17，图中：为轴承包角，是轴瓦连续包围轴颈所对应的角度；为承载油膜角，它只占轴承包角的一部分；为偏位角，是轴承中心O与轴颈中心的联线与载荷作用线之间的夹角，为从联线起至任意油膜处的油膜角，为油膜起始角，为油膜终止角。最小油膜厚度和最大轴承间隙都位于联线的延长线上，在处，油膜压力最大，油膜厚度为17.9

液体动力润滑径向轴承的计算假设轴承为无限宽，则可认为润滑油沿轴向没有流动，这时，可利用式17.7（一维雷诺动力润滑方程式）进行计算。为改用极坐标，式中代入，，和，得将上式积分，可得在任意角处的油膜压力在至区间内，沿外载荷方向单位宽度的油膜力为17.9

液体动力润滑径向轴承的计算将上式乘以轴承宽度B,代入r＝d/2，得有限宽轴承不考虑端泄时得油膜承载力F，经整理后得上式右端之值称为索氏数So。实际的承载能力比上式低，这是由于端泄不可避免。因此，在实际计算中，常采用二维雷诺动力润滑方程式的数值解提供的线图进行计算。轴承包角和时的曲线见图17.18。此时，索氏数为轴承包角、偏心率和宽径比B/d的函数。B/d愈小的轴承，端泄量愈多，So数愈小。其它参数相同时，索氏数愈小，意即承载能力也愈小。对于宽径比一定的轴承，由图中可以看到：偏心率很大时，So数也很大，意即承载能力很高，但最小油膜厚度很小。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算为了安全运转，必须满足的条件（见17.9.7节中关于最小油膜厚度的校核）。许用值主要取决于下列各因素：轴颈和轴承表面的粗糙度、轴承工作表面的几何形状误差、制造和安装中的对中误差、轴和轴承的变形、润滑油的过滤质量等。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算17.9.4流量计算轴承的体积流量可按下式计算：（17.15）式中，17.9.5功耗计算径向轴承在承载区的摩擦功耗(17.16)17.9

液体动力润滑径向轴承的计算17.9

液体动力润滑径向轴承的计算17.9.6热平衡计算热平衡条件是：单位时间内轴承所产生的摩擦热量等于同时间内流动的油所带走的热量及轴承散发的热量之和。对于非压力供油的向心轴承17.9

液体动力润滑径向轴承的计算由上式解得（17.17）润滑油的平均温度（17.18）17.9

液体动力润滑径向轴承的计算轴承平均温度一般不应超过。润滑油入口温度常大于工作环境温度，依供油方法而定，通常取。由于轴承的发热量主要由流动的油带走，故散热项忽略不计误差也不大。对于压力循环润滑的轴承，常不计散热项。此外还应根据润滑方式的不同限制轴承的最高温度，见表17.5。表中K为压力供油润滑时油箱中的油量与每分钟轴承润滑油的体积流量之比。括号内数字为特殊工况下的许用值。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算17.9.7保证液体动力润滑的条件要获得液体动力润滑除必须有充分的油量供应到轴承间隙，使相对滑动表面能自动形成收敛油楔外，还应保证最小油膜厚度处的表面不平度高峰不直接接触，即（17.19）

和分别为轴颈和轴瓦表面微观不平度的十点高度。的大小与加工方法有关，见表17.6。S是考虑到表面几何形状不准确和零件变形而保留的安全度，一般取17.9

液体动力润滑径向轴承的计算17.9.8参数选择1.宽径比B/d常用范围是B/d=0.5~1.5。宽径比小时，占用空间较小。对于高速轻载轴承，由于压强增大，可提高运转平稳性。但B/d减小，轴承承载力也随之降低。目前B/d有减小的趋势。2.相对间隙一般情况下，值主要根据载荷和速度选取：速度高，值应取大一些，可以减少发热；载荷大，值应取小一些，可以提高承载能力。值可按轴颈圆周速度v参照下列经验公式计算：（17.20）对于重载、B/d<0.8、能自动调心的轴承，或当轴承材料硬度较低时，可取小值，反之取大值。式中v的单位为m/s。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算3.平均压强压强p取值大一些，可以减小轴承尺寸，并使运转平稳。但压强过高，轴承容易损坏。图17.12表示最小油膜厚度、耗油量油膜平均温度、摩擦功率与相对间隙之间的关系，可供选定相对间隙时参考。由图可知：当相对间隙为最佳值时，对应的值最大，油膜平均温度和摩擦功率趋于最低。当已知轴承的工作载荷F、转速n时，轴承的基本尺寸（B、d、）润滑油牌号即可初步选定，由此，进行液体动力润滑轴承计算的一般步骤见下图17.22。17.9

液体动力润滑径向轴承的计算设计例题见P353例题17.117.10

液体动力润滑推力轴承的计算图17.23为固定瓦推力轴承，主要用于工况比较稳定的中小型轴承。图17.24为摆动瓦推力轴承，主要用于工况经常变化的大、中、小型轴承17.10

液体动力润滑推力轴承的计算下面只介绍固定瓦推力轴承的计算。液体动力润滑推力轴承的计算方法和计算步骤基本与径向轴承相近。图17.25表示固定瓦块的形状和油膜厚度，润滑油入口和出口的油膜厚度分别为和。轴承