第17章滑动轴承

1、机械设计机械设计第第17章章 滑动轴承滑动轴承按受力分按受力分径向轴承径向轴承推力轴承推力轴承轴承的功用和分类：轴承的功用和分类： 支承轴及轴上回转零件保证轴的回转精度；支承轴及轴上回转零件保证轴的回转精度；减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。按工作摩擦性质分按工作摩擦性质分滑动摩擦轴承滑动摩擦轴承滚动摩擦轴承滚动摩擦轴承（1）工作转速特高的轴承）工作转速特高的轴承（2）要求对轴的支撑位置特别精确的轴承）要求对轴的支撑位置特别精确的轴承（3）承受巨大的冲击和振动载荷的轴承）承受巨大的冲击和振动载荷的轴承（4）特重型轴承）特重型轴承（5）根据装配要求必须做成剖分式的轴

2、承）根据装配要求必须做成剖分式的轴承（6）当轴的排列较紧密时，由于空间尺寸的限制，）当轴的排列较紧密时，由于空间尺寸的限制， 必须采用径向尺寸较小的轴承必须采用径向尺寸较小的轴承（7）在特殊工作条件下（水或腐蚀性介质）工作的轴承）在特殊工作条件下（水或腐蚀性介质）工作的轴承滑动轴承的应用场合滑动轴承的应用场合1. 轴承的型式和结构轴承的型式和结构2. 轴瓦的结构和材料轴瓦的结构和材料3. 结构参数（由强度、刚度决定）结构参数（由强度、刚度决定）4. 选择润滑剂和润滑方法选择润滑剂和润滑方法5. 轴承的工作能力计算（温度、压力分轴承的工作能力计算（温度、压力分 布、轴承的间隙）布、轴承的间隙）滑

3、动轴承设计的内容（非标准件）滑动轴承设计的内容（非标准件）17.1 概述概述1. 滑动轴承的主要特点滑动轴承的主要特点 工作平稳，无噪声；工作平稳，无噪声； 运转精度高；运转精度高； 形成液体润滑时摩擦损失小，适合于高速；形成液体润滑时摩擦损失小，适合于高速； 径向尺寸小而且可剖分。径向尺寸小而且可剖分。2. 滑动轴承的摩擦状态滑动轴承的摩擦状态（1）干摩擦状态）干摩擦状态应避免此种摩擦状态。应避免此种摩擦状态。摩擦表面无润滑剂，功率损失严重，摩擦表面无润滑剂，功率损失严重，磨损加剧，温升高，轴瓦易破坏。磨损加剧，温升高，轴瓦易破坏。（2） 边界摩擦状态边界摩擦状态摩擦表面间有润滑油存在，金属

4、表摩擦表面间有润滑油存在，金属表面上形成了一层极薄的边界油膜。面上形成了一层极薄的边界油膜。但尖峰部分仍直接接触。但尖峰部分仍直接接触。多数滑动轴承都是这种摩擦状态。多数滑动轴承都是这种摩擦状态。（3） 液体摩擦状态液体摩擦状态两摩擦表面完全被润滑油分隔开，两摩擦表面完全被润滑油分隔开，形成了一定厚度的压力油膜。形成了一定厚度的压力油膜。这种摩擦状态是润滑油分子之间这种摩擦状态是润滑油分子之间的摩擦，摩擦系数极小。的摩擦，摩擦系数极小。重要轴承采用这种摩擦状态。重要轴承采用这种摩擦状态。缺点：间隙调整困难，安装不便缺点：间隙调整困难，安装不便1. 整体式滑动轴承整体式滑动轴承17.2.1 向心

5、滑动轴承向心滑动轴承17.2 滑动轴承的主要类型滑动轴承的主要类型2. 剖分式滑动轴承剖分式滑动轴承优点：间隙调整方便，安装方便优点：间隙调整方便，安装方便3. 自动调位滑动轴承自动调位滑动轴承 当宽径比当宽径比B/d1.5时，调心式。轴瓦自动调位以适应时，调心式。轴瓦自动调位以适应轴颈在轴弯曲时所产生的偏斜轴颈在轴弯曲时所产生的偏斜17.2.2 推力滑动轴承推力滑动轴承17.3 滑动轴承的材料滑动轴承的材料17.3.1 材料的要求材料的要求 轴瓦的主要失效形式是磨损，因此对轴瓦材料轴瓦的主要失效形式是磨损，因此对轴瓦材料的主要要求是：的主要要求是： 强度：足够的冲击强度，抗压强度，疲劳强度；

6、强度：足够的冲击强度，抗压强度，疲劳强度； 跑合性能好；跑合性能好；很好的减摩性和耐磨性；很好的减摩性和耐磨性； 耐腐蚀性；耐腐蚀性；很好的工艺性；很好的工艺性；良好的热学性能；良好的热学性能；经济性经济性 很好的顺应性和嵌藏性；很好的顺应性和嵌藏性；17.3.2 常用材料常用材料1. 金属材料金属材料轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）以锡为基体加入一定量的以锡为基体加入一定量的Sb、Cu锡基轴承合金锡基轴承合金以铅为基体加入一定量的以铅为基体加入一定量的Sn、Sb铅基轴承合金铅基轴承合金 跑合性能好，顺应性和嵌藏性为轴承材料中最好，跑合性能好，顺应性和嵌藏性为轴承材料中最好，抗胶合性能

7、好，但强度低，通常作为衬附在青铜或铸铁抗胶合性能好，但强度低，通常作为衬附在青铜或铸铁的轴瓦上使用。的轴瓦上使用。青青 铜铜 强度较高，铸锡铅锌青铜最常用强度较高，铸锡铅锌青铜最常用铝基合金铝基合金 强度高，耐腐蚀，导热性良好强度高，耐腐蚀，导热性良好减摩铸铁减摩铸铁2. 多孔质金属材料多孔质金属材料3. 非金属材料非金属材料 有铁基粉末冶金和铜基粉末冶金。将金属粉有铁基粉末冶金和铜基粉末冶金。将金属粉碎和石墨按一定比例混合，放在模子中压铸，然碎和石墨按一定比例混合，放在模子中压铸，然后烧，石墨被烧掉，留下间隙形成多孔结构。使后烧，石墨被烧掉，留下间隙形成多孔结构。使用前浸放在润滑油中，并给润

8、滑油一定的压力，用前浸放在润滑油中，并给润滑油一定的压力，使油渗透进去，工作时产生润滑。使油渗透进去，工作时产生润滑。塑料、橡胶、梗木塑料、橡胶、梗木17.4 轴瓦的结构轴瓦的结构薄壁轴瓦薄壁轴瓦厚壁轴瓦厚壁轴瓦整体轴套整体轴套卷制轴套卷制轴套供油供油油孔油孔输油输油油沟（注意开设的位置）油沟（注意开设的位置）储油和稳定供油储油和稳定供油油室油室进油孔进油孔油沟油沟F 轴瓦非承载区内表面开有进油口和油沟，以利于润滑油均轴瓦非承载区内表面开有进油口和油沟，以利于润滑油均匀分布在整个轴径上。匀分布在整个轴径上。轴承衬轴承衬17.5 轴承润滑材料轴承润滑材料3. 固体润滑剂固体润滑剂二硫化钼，石墨二

9、硫化钼，石墨润滑的目的：减小摩擦、磨损，散热、防锈、防尘、吸振润滑的目的：减小摩擦、磨损，散热、防锈、防尘、吸振17.5.1 润滑剂润滑剂1. 润滑油润滑油植物油，矿物油，动物油植物油，矿物油，动物油主要指标：粘度、油性、凝点、闪点、酸值等主要指标：粘度、油性、凝点、闪点、酸值等2. 润滑脂润滑脂钙基、钠基、锂基润滑脂钙基、钠基、锂基润滑脂主要指标：针入度、滴点主要指标：针入度、滴点17.5.2 润滑油性能指标润滑油性能指标粘度粘度粘度：是反映液体层之间的剪应力的速度梯度的比例关系粘度：是反映液体层之间的剪应力的速度梯度的比例关系dyduAFdydu-牛顿液体内牛顿液体内摩擦定律摩擦定律 速度

10、梯度速度梯度动力粘度动力粘度（绝对粘度）（绝对粘度）物理意义：长宽高均为物理意义：长宽高均为1 1米时的立方体中充满液体，上下面米时的立方体中充满液体，上下面之间发生之间发生 v=1 m/sv=1 m/s的相对运动速度所需作用力为的相对运动速度所需作用力为 1 N1 N，这时液体，这时液体的动力粘度的动力粘度 为为1 N1 Ns/ms/m2 2（ 或或1pa1pas s ）常用单位：常用单位：1 P（泊）（泊）=1dyns/cm2 1Pas=10 P=100 cP（厘泊）（厘泊）1. 动力粘度动力粘度2. 运动粘度运动粘度 ：工业中常用粘度单位工业中常用粘度单位smmkgsPa/)/()(23

11、 常用常用cm2/s表示运动粘度单位。称为表示运动粘度单位。称为st（斯），百分之一（斯），百分之一st为为cst（厘斯或厘池）（厘斯或厘池）粘温特性粘温特性：随温度变化而变化：随温度变化而变化(温度温度粘度粘度)，且变化比较敏感，且变化比较敏感， 应根据工作温度来选取应根据工作温度来选取粘压特性粘压特性：随压力变化而变化，但变化较小。在：随压力变化而变化，但变化较小。在50大气压下，对大气压下，对 粘度影响不大，可以不考虑，但在弹性流体中必须计粘度影响不大，可以不考虑，但在弹性流体中必须计 及压力的影响及压力的影响粘度的变化规律粘度的变化规律:选择粘度的原则：选择粘度的原则：当速度较高时，宜

12、选用粘度低的油，防止功率损失太大；当速度较高时，宜选用粘度低的油，防止功率损失太大； 也可通过测试来确定油的粘度：在同一机器和相同的工也可通过测试来确定油的粘度：在同一机器和相同的工作条件下，对不同粘度油进行试验，功耗小而温升又较低的作条件下，对不同粘度油进行试验，功耗小而温升又较低的润滑油，其粘度较为相宜。润滑油，其粘度较为相宜。当有振动冲击时，粘度宜高，可起到缓和冲击吸收振动作用；当有振动冲击时，粘度宜高，可起到缓和冲击吸收振动作用；当表面未经跑合时，粘度宜高，油膜不易破坏；当表面未经跑合时，粘度宜高，油膜不易破坏；当循环润滑时，粘度宜低，便于油的循环；当循环润滑时，粘度宜低，便于油的循环

13、；低温工作时的轴承，宜选用凝点低的油。低温工作时的轴承，宜选用凝点低的油。17.6 润滑方法润滑方法失效形式：失效形式：17.7 滑动轴承的条件性计算滑动轴承的条件性计算设计准则：设计准则： 磨损磨损 导致轴承配合间隙加大，影响轴的旋转精度，导致轴承配合间隙加大，影响轴的旋转精度，甚至使轴承不能正常工作。甚至使轴承不能正常工作。 高速重载且润滑不良时，摩擦加剧，发热多，高速重载且润滑不良时，摩擦加剧，发热多，使轴承上较软的金属粘焊在轴颈表面而出现胶合。使轴承上较软的金属粘焊在轴颈表面而出现胶合。 胶合胶合条件性计算条件性计算1. 限制轴承的压强限制轴承的压强 p 目的目的 防止轴瓦过度磨损。防

14、止轴瓦过度磨损。FpdLMPap许用压强，许用压强，查表查表17.12 平均压强：平均压强：17.7.1 径向轴承径向轴承2. 限制轴承的限制轴承的 pv 值值 目的目的 控制轴承的发热量，防止胶合破坏。控制轴承的发热量，防止胶合破坏。60 100019100FdnFnpvdLLpv pv f 单位面积上的摩擦功率损失，所以，单位面积上的摩擦功率损失，所以， pv 值值 表征了轴承发热量的大小。表征了轴承发热量的大小。 pv发热量发热量温升温升润滑效果润滑效果胶合胶合许用许用pv值，查值，查表表17.123. 限制滑动速度限制滑动速度 v 目的目的 防止滑动速度过高而引起磨损防止滑动速度过高而

15、引起磨损100060dnvsmv/许用线速度，许用线速度，查表查表17.122. 限制轴承的限制轴承的 pv 值值 zddFp)(4202MPapz 轴环数轴环数1. 限制轴承的压强限制轴承的压强 p 02200460 1000230000()mddnFFnpvddzddzpv17.5.2 推力轴承推力轴承确定轴承结构形式确定轴承结构形式确定轴承宽度确定轴承宽度 B 和直径和直径 d验算验算p、pv、v选择轴承的配合选择轴承的配合选择润滑剂与润滑装置选择润滑剂与润滑装置选择轴瓦材料选择轴瓦材料17.7.3 设计步骤设计步骤17.8 液体动力润滑的基本方程式液体动力润滑的基本方程式17.8.1

16、雷诺润滑方程式雷诺润滑方程式1. 雷诺的假设雷诺的假设1. 接触面间充满液体接触面间充满液体牛顿液体牛顿液体（符合牛顿液体内摩擦定律）（符合牛顿液体内摩擦定律）yu2. 液体处于层流状态液体处于层流状态3. 不计液体质量力的影响不计液体质量力的影响4. 假设液体与固体表面有很好的吸附力（影响边界条件）假设液体与固体表面有很好的吸附力（影响边界条件）5. 假设液体不可压缩（即粘度、密度是定值）假设液体不可压缩（即粘度、密度是定值）6. 沿沿z方向液体无流动（方向液体无流动（z向无穷大）向无穷大）0)()(dxdzdyydxdzdydzdxxpppdydzyxp第一步：力平衡分析第一步：力平衡分析

17、整理得：整理得：2. 雷诺方程的推导雷诺方程的推导yxp将牛顿液体将牛顿液体yu代入代入22puxy221upyx得：得：21221cycyxpu由边界条件由边界条件确定确定c1、c221002yuvcvvhpyhuchx 任一点速度：任一点速度：1()()2vpuhyyh yhx积分得：积分得：301212hxphvudyqhx03211212vhhxphv306hhhvxp0012xh hqqvh0 xp第二步：计算第二步：计算 任一截面沿任一截面沿x方向的单位宽度（即方向的单位宽度（即dz=1）流量）流量第三步：计算沿第三步：计算沿x方向油压最大处的流量方向油压最大处的流量该截面沿该截面

18、沿x方向的单位宽度上流量为：方向的单位宽度上流量为：第四步：第四步： 根据液体不可压缩，根据液体不可压缩， 流量处处相等，有：流量处处相等，有：第五步：第五步： 整理得一维雷诺方程：整理得一维雷诺方程：设油压最大处，间歇设油压最大处，间歇h=h0 ，该处有：，该处有：0 xp1. 雷诺方程的讨论雷诺方程的讨论17.8.2 油楔承载机理油楔承载机理（1） 当当h=h0时时maxpp 而而22puxy因因0220uuconstyyu的变化与的变化与y成线性关系，如图成线性关系，如图306hhhvxp（2）当）当hh0时时0 xp)(xp单调上升单调上升220uyu的曲线是凹的，如图的曲线是凹的，如

19、图（3）当）当hh0时时)(xp220uyu的曲线是凸的，如图的曲线是凸的，如图0 xp单调下降单调下降306hhhvxp 可利用积分法求出全部油膜压力之和可利用积分法求出全部油膜压力之和油膜的承载能油膜的承载能力。正常情况下，油膜的承载能力与外载荷相平衡力。正常情况下，油膜的承载能力与外载荷相平衡306)(hhhvdxxdpxxxdpxp0)()(dxzxpFxx10)( 如果沿如果沿x方向，始终保持方向，始终保持h=h0，则不能形成动压，则不能形成动压，如下图所示。如下图所示。2. 油膜承载能力的计算油膜承载能力的计算306)(hhhvdxxdpdxzxpFxx10)(影响油膜承载能力的因

20、素影响油膜承载能力的因素px 均可提高承载能力，均可提高承载能力，其中其中h的影响最大。的影响最大。6min12() 10zzhS RRm安全度系数，安全度系数，一般一般S2pvxphx表面不平度值表面不平度值（1）分析）分析vF 两摩擦表面平行，两摩擦表面平行，不会产生压力油膜不会产生压力油膜vp两摩擦表面成楔形间隙，两摩擦表面成楔形间隙，产生了压力油膜产生了压力油膜进油口进油口出油口出油口3. 形成动压油膜的条件形成动压油膜的条件306hhhvxp间隙内的润滑间隙内的润滑油形成了拥挤油形成了拥挤（2） 形成动压油膜的必要条件形成动压油膜的必要条件 两摩擦表面必须形成楔形两摩擦表面必须形成楔

21、形 润滑油必须从大口进小口出润滑油必须从大口进小口出 必须具有足够的滑动速度必须具有足够的滑动速度 必须充满足够的具有一定粘度的润滑油必须充满足够的具有一定粘度的润滑油v1V2=0v1V1=0V1=0v2v2v1v1v1v1v2v2v2v2vvv1v2v1v2v1v2v1v217.9 液体动力润滑径向轴承的计算液体动力润滑径向轴承的计算计算项目：计算项目：1. 验算验算p，pv，v，因为起动时属于混合摩擦状态；，因为起动时属于混合摩擦状态；2. 液体动力润滑时承载能力的计算：液体动力润滑时承载能力的计算：（1）坐标的变换：直角坐标）坐标的变换：直角坐标极坐标极坐标（2）作用力方向上的合力（承载

22、能力）作用力方向上的合力（承载能力）（3）轴承宽度的影响（即）轴承宽度的影响（即z方向）：端部泄漏问题方向）：端部泄漏问题 本节主要内容为：如何利用雷诺方程的原理，计本节主要内容为：如何利用雷诺方程的原理，计算液体动力润滑径向轴承的承载能力，并分析有哪些算液体动力润滑径向轴承的承载能力，并分析有哪些因素影响轴承的承载能力。因素影响轴承的承载能力。17.9.1 几何关系几何关系R轴承孔半径轴承孔半径相对间隙相对间隙：rr 轴半径轴半径半径间隙半径间隙：Rr偏心距偏心距e：minminhhrRe偏心率偏心率：e10与工作状态有关与工作状态有关hmin ：最小油膜厚度：最小油膜厚度)1 (minre

23、hh：任意位置的油膜厚度：任意位置的油膜厚度)cos1 (h17.9.2 动压润滑状态的建立动压润滑状态的建立no1oo1oo1oo1onn静止静止启动启动不稳定运行不稳定运行稳定运行稳定运行RRRR1. 动力润滑状态建立的过程动力润滑状态建立的过程2. 检验层流条件检验层流条件141.3evR 雷诺方程式是建立在层流基础上的。一般认为雷诺雷诺方程式是建立在层流基础上的。一般认为雷诺数数Re2000时为层流流动。时为层流流动。141.3层流流动转变为层流流动转变为湍流的过渡雷诺数湍流的过渡雷诺数 对于径向轴承，层流必须满足的条件为：对于径向轴承，层流必须满足的条件为：17.9.3 承载能力和索

24、氏数承载能力和索氏数S0轴承包角轴承包角1+2承载油膜角承载油膜角偏位角偏位角任意位置油膜角任意位置油膜角1油膜起始角油膜起始角2油膜终止角油膜终止角 设设=0处，油膜压处，油膜压力最大，此时，油膜厚力最大，此时，油膜厚度为度为h0：00(1cos)h 假设轴承为无限宽，假设轴承为无限宽，则可以认为滑动轴承沿轴则可以认为滑动轴承沿轴向没有流动。这时可利用向没有流动。这时可利用一维雷诺方程计算其承载一维雷诺方程计算其承载能力。能力。306hhhvxp306hhhvdxdp)cos1 (h第第1步：坐标变换步：坐标变换rddx )cos1 (00hrv 具体步骤如下：具体步骤如下：306hhhvd

25、xdpddp302)cos1 ()cos(cos6代入雷诺方程：代入雷诺方程：11302)cos1 ()cos(cos6ddpp将上式积分，得在任意角将上式积分，得在任意角处的油膜压力：处的油膜压力：306hhhvdxdp得：得：第第2步：计算在步：计算在1至至2区间内，沿外载荷方向单位宽度的油膜区间内，沿外载荷方向单位宽度的油膜压力压力 21121)(180cos)cos1 ()cos(cos61)(180cos030201rddrdpF第第3步：计算整个宽度步：计算整个宽度B的油膜的承载力的油膜的承载力F（不考虑端部泄露）（不考虑端部泄露）BdddF 2112)(180cos)cos1 (

26、)cos(cos603022112003(coscos)3cos180()(1cos )FddBd 第第4步：变换整理步：变换整理02S BdF则2110003(coscos)3cos180()(1cos )ddS 令：S0 索氏数索氏数20BdSF 3. 索氏数索氏数S0是轴承包角是轴承包角和偏心率和偏心率的函数，的函数，和和 大大 ，索氏数，索氏数S0大，滑动轴承的承载能力大，但同时，大，滑动轴承的承载能力大，但同时， hmin也小（图也小（图17.18）。）。讨论影响滑动轴承承载能力的因素：讨论影响滑动轴承承载能力的因素：1.大，大，大，滑动轴承的承载能力大，因此温升对轴大，滑动轴承的承

27、载能力大，因此温升对轴 承的承载能力影响很大。承的承载能力影响很大。2. 小，滑动轴承的承载能力大。但小，滑动轴承的承载能力大。但小，小， hmin就小，就小， 表面要求高，加工困难，且发热量大，温升高。表面要求高，加工困难，且发热量大，温升高。4. /d大，端部泄露小，承载能力大，但占用空间大，大，端部泄露小，承载能力大，但占用空间大， 运动平稳性降低。目前运动平稳性降低。目前/d有减小的趋势。有减小的趋势。17.9.4 流量计算流量计算17.9.5 功耗计算功耗计算3vvqdqvq无量纲体积流量，是无量纲体积流量，是、B/d和和的函数，的函数， 由图由图17.19查得查得为为180和和12

28、0时的值。时的值。vPF vF v摩擦特性系数，是摩擦特性系数，是、B/d和和的函数，的函数， 由图由图17.19查得查得为为180和和120时的值。时的值。径向轴承在承载区的摩擦功耗：径向轴承在承载区的摩擦功耗：轴承的体积流量：轴承的体积流量：17.9.6 热平衡计算热平衡计算tBdtqcFvbvp热平衡条件：热平衡条件： 单位时间内轴承所产生的摩擦热量等于同时间内流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。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，热平衡表述为：对于非压力供油的向心轴承，热平衡表述为： 其中，其中，t = t2-t1 ， t1和和t2分别为润滑油流入和流出间分别为润滑油流入和流出间隙的温度；隙的温度；cp