机械设计-滑动轴承

第12章滑动轴承机械设计第12章滑动轴承机械设计第12章滑动轴承机械设计

12.1概述

轴、轴承、联轴器、离合器.轴系零件第12章滑动轴承12.1概述12.1.1轴承的功用与分类

功用:

支承轴或转动零件(2)分类按受载方向不同径向轴承（向心轴承）：径向止推轴承（向心推力轴承）：推力轴承（止推轴承）：承受径向载荷承受轴向载荷同时承受径向、轴向载荷12.1.1轴承的功用与分类12.1.1轴承的功用与分类

功用:

支承轴或转动零件(2)分类按受载方向不同按摩擦状态不同：滑动轴承Bd12.1.1轴承的功用与分类12.1.1轴承的功用与分类

功用:

支承轴或转动零件(2)分类按受载方向不同滚动轴承滑动轴承按摩擦状态不同：12.1.1轴承的功用与分类12.1.1轴承的功用与分类

功用:

支承轴或转动零件(2)分类按受载方向不同滚动轴承滑动轴承按摩擦状态不同：12.1.1轴承的功用与分类12.1.1轴承的功用与分类

功用:

支承轴或转动零件(2)分类按受载方向不同按摩擦状态不同：滚动轴承滑动轴承动压润滑静压润滑混合润滑滑动轴承。液体润滑滑动轴承12.1.1轴承的功用与分类

摩擦现象自然界中普遍存在的物理现象。摩擦将一部分机械能转变为热能，使机器效率降低，温度升高;

摩擦造成表面磨损。使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。12.1.2摩擦与润滑种类与特点

摩擦现象世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废。

润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。对摩擦、磨损与润滑的研究学科构成了摩擦学。12.1.2摩擦与润滑种类与特点4种摩擦（润滑）状态1）干摩擦2）边界摩擦3）流体摩擦4）混合摩擦12.1.2摩擦与润滑种类与特点4种摩擦（润滑）状态--干摩擦1）干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜，纯金属直接接触时的摩擦。

特点：

（1）接触峰点之间发生粘结、挤压、剪切、塑性流动（2）摩擦磨损最严重，f=0.15~0.5

弹性变形塑性变形1）干摩擦：纯金属直接接触时的摩擦2）边界摩擦：两表面上的极薄的吸附油膜之间的摩擦。

能降低摩擦阻力，减轻磨损，但膜厚小于粗糙度，强度不高，磨损不可避免。边界油膜4种摩擦（润滑）状态—边界摩擦1）干摩擦2）边界摩擦3）流体摩擦：

摩擦阻力最小，磨损最轻（几乎不发生摩损），是理想的摩擦状态。流体摩擦表面完全被流体膜隔开，摩擦发生在流体的内部4种摩擦（润滑）状态—流体摩擦1）干摩擦2）边界摩擦3）流体摩擦4）混合摩擦：处于三种摩擦的混合状态。摩擦系数比边界摩擦时要小得多边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。1）2）3）磨损4种摩擦（润滑）状态—混合摩擦磨损1）磨损类型：磨粒磨损（磨损）、疲劳剥落（点蚀）、粘着磨损（胶合）、腐蚀磨损2)磨损过程

磨损量时间磨合稳定磨损剧烈磨损--摩擦表面的物质不断损失的现象特点12.1.3磨损第12章滑动轴承机械设计1）滑动轴承的特点（１）高端应用：高速、高精度、重载的场合；如汽轮发电机、水轮发电机等。（3）极端场合：超大型的或要求紧凑的场合；如内圆磨头轴。（4）特殊场合：如结构上要求剖分（曲轴）；严重冲击与振动如轧钢机2）滑动轴承的应用场合（1）承载能力大，耐冲击；（2）工作平稳，噪音低；（3）结构简单，径向尺寸小。（２）低端应用：要求低、简单的场合；如汽车钢板销与套12.2滑动轴承的特点与应用第12章滑动轴承机械设计1）轴承结构（１）整体式滑动轴承特点：结构简单，成本低廉。应用：低速、轻载或间歇性工作的机器中。轴承座整体轴套螺纹孔油杯孔（图12－1）12.3径向滑动轴承的结构及组成磨损后轴颈与轴承孔之间的间隙无法调整（２）剖分式（对开式）径向滑动轴承特点：便于轴的安装，间隙可调整，但结构复杂。（图12.2）应用比较广泛。对开式轴承(剖分轴套)1）轴承结构轴瓦12.3径向滑动轴承的结构及组成2）轴瓦的形式和结构整体式（又称轴套）剖分式（轴瓦）不便于装拆，可修复性差。

安装和拆卸方便，可修复。单材料、整体式厚壁铸造轴瓦多材料、对开式厚壁铸造轴瓦孔槽12.3径向滑动轴承的结构及组成3）轴瓦上开油孔、油槽油孔油槽进油孔油槽F油室12.3径向滑动轴承的结构及组成3）轴瓦上开油孔、油槽单轴向油槽开在非承载区双轴向油槽开在非承载区（在轴承剖分面上）双斜向油槽（用于混合润滑轴承）

油孔油槽油室起储油和稳定供油的作用，用于大型轴承。轴承衬12.3径向滑动轴承的结构及组成4）轴承衬----在钢质轴瓦上贴附一层减摩材料12.3径向滑动轴承的结构及组成4）轴承衬----在钢质轴瓦上贴附一层减摩材料节约贵重金属结构上需要*衬一定有瓦,瓦不一定有衬材料12.3径向滑动轴承的结构及组成第12章滑动轴承机械设计1）滑动轴承常见失效形式：汽车用滑动轴承故障原因的平均比率故障原因不干净润滑油不足安装误差对中不良超载比率／％38.311.115.98.16.0故障原因腐蚀制造精度低气蚀其它比率／％5.65.52.86.7轴承表面的磨粒磨损刮伤疲劳剥落胶合腐蚀12.4滑动轴承的材料2）滑动轴承的材料轴承材料是指轴瓦和轴承衬的总称（1）对轴承材料性能的要求：①良好的减摩性、耐磨性、抗胶合性②具有足够的强度、耐蚀性③具有良好的适应性、导热性适应性12.4滑动轴承的材料2）滑动轴承的材料（1）对轴承材料性能的要求：③具有良好的适应性，◆

顺应性：材料通过表层的弹、塑性变形来补偿轴承滑动表面接触不良的能力。◆

嵌入性：材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动的刮伤和磨粒磨损的性能。◆

磨合性：轴瓦与轴颈表面应易于磨合，从而改善摩擦面的接触状况。主要包括：经济性12.4滑动轴承的材料2）滑动轴承的材料轴承材料是指轴瓦和轴承衬的总称（1）对轴承材料性能的要求：①良好的减摩性、耐磨性、抗胶合性②具有足够的强度、耐蚀性③具有良好的适应性、导热性④良好的工艺性、经济性材料12.4滑动轴承的材料（2）常用材料①轴承合金**(白合金、巴氏合金)—作衬

----锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铜(Cu)合金的统称②轴承青铜.锡青铜---减摩性,耐磨好.铝、铁青铜-----强度较高③铝基轴承合金（较新材料、部分替代轴承合金）粉末12.4滑动轴承的材料④多孔质金属材料(含油轴承)（孔隙度15-30%）⑤铸铁类—低速、轻载⑥非金属材料常用:塑料（聚四氟乙烯）（组合机床中）油脂12.4滑动轴承的材料第12章滑动轴承机械设计12.5.1润滑材料◆特点：无流动性，可在滑动表面形成一层薄膜。◆适用场合：难以经常供油，或低速重载以及往复摆动的轴承。1)润滑油◆特点：有良好的流动性，可形成动压、静压润滑或边界润滑。◆适用场合：混合润滑轴承和液体润滑轴承。2)润滑脂3)固体、气体润滑剂（特殊或专门用途)计算12.5润滑剂和润滑方法第12章滑动轴承机械设计计算目的：保护边界膜不破裂。（条件性计算

）计算项目(准则)1)

p=F/dB≤[p]

防止过度磨损

2)pv≤[pv]

限制轴承温升

3)v≤[v]

控制磨损速度◆速度低、载荷大、有冲击或间歇运转的滑动轴承；以及脂润滑、油绳润滑及滴油润滑的轴承，工作中处于边界润滑或混合润滑状态。12.6径向滑动轴承(混合润滑)的条件性计算第12章滑动轴承机械设计

液体动力润滑理论,起源于1880年英国工程师托尔的一项实验,托尔是研究火车系统的滑动轴承的专家,专门研究润滑这些轴承的最好方法,他曾经发现一些滑动轴承的摩擦阻力特别小,磨损很低,但不知其原因。

（1）托尔实验

12.7液体动力润滑的原理与理论基础

托尔在一次实验中测到滑动轴承的摩擦系数非常低，右图为模型示意图,

托尔试图进一步加强轴承的润滑，在其顶部钻了一个直径为1/2英寸的小孔,想作为加油口

（1）托尔实验

12.7液体动力润滑的原理与理论基础

可是轴一转动,油就从小孔中冒了出来他随手用一个小木塞堵住洞口,但木塞被油冲了出来,他又用木锤将木塞打入孔中,结果木塞仍被顶开,

这时托尔意识到接近发现问题了—

1）托尔实验

油有压力12.7液体动力润滑的原理与理论基础

他马上用一只压力表连接到孔上,压力表显示,孔处的压力比轴承的平均压力大两倍,接着他又测出了轴承在长度,宽度上的油液压力,并绘出了油压分布图,

1）托尔实验

12.7液体动力润滑的原理与理论基础托尔测得的近似油压分布图

这样托尔就找到了某些滑动轴承摩擦系数很小的原因：由于轴与轴承相对运动,使润滑油液产生了压力,把轴与轴承分隔开,摩擦发生在润滑油内部------液体摩擦（润滑）.定义2）液体动力润滑.

由两表面相对滑动而产生油膜压力实现液体摩擦的润滑.

托尔实验揭示了液体动力润滑现象,同时提出了两个工程应用问题:

(1)建立液体动力润滑的条件是什么?

12.7液体动力润滑的原理与理论基础2）液体动力润滑.

由两表面相对滑动而产生油膜压力实现液体摩擦的润滑.著名的流体力学专家雷诺,于1886年推导出了雷诺动力润滑方程,奠定了摩擦与润滑研究与应用（摩擦学）的理论基础。

(1)建立液体动力润滑的条件是什么?(2)油膜压力与轴承参数存在着怎样的规律?

12.7液体动力润滑的原理与理论基础3）动力润滑状态的建立的过程不稳定润滑阶段oo1F(1）起动前

（轴与轴承在底部接触）(2）起动阶段F12.7液体动力润滑的原理与理论基础3）动力润滑状态的建立的过程不稳定润滑阶段(3）稳定状态―液体动力润滑oo1F(1）起动前

Foo1e偏心距（轴与轴承在底部接触）(2）起动阶段混合摩擦液体摩擦12.7液体动力润滑的原理与理论基础3）动力润滑状态的建立的过程不稳定润滑阶段(3）稳定状态―液体动力润滑oo1F(1）起动前

Foo1e偏心距

压力油膜呈收敛楔形

（轴与轴承在底部接触）(2）起动阶段特点：模型12.7液体动力润滑的原理与理论基础4）模型转换油膜厚度＜＜轴承半径轴曲率≈轴承曲率。Foo1e偏心距

压力油膜呈收敛楔形

平板模型12.7液体动力润滑的原理与理论基础5)雷诺方程取油层中微元体作受力分析几点假设：忽略压力对粘度的影响、轴向无流动（无端泄）油膜为层流状态雷偌12.7液体动力润滑的原理与理论基础5)雷诺方程取油层中微元体作受力分析几点假设：忽略压力对粘度的影响、轴向无流动（无端泄）油膜为层流状态油与表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运动或静止。

12.7液体动力润滑的原理与理论基础5)雷诺方程一维雷诺动力润滑方程

∟油膜压力沿x轴的变化率h--x处的间隙（油膜厚度）h0---油压最大处的间隙。计算无限长动力润滑轴承的基本方程。一维原理12.7液体动力润滑的原理与理论基础6）

动力润滑承载原理（1）两滑动表面平行时h为常数:h-h0=0p/x＝0p=0不能承载h12.7液体动力润滑的原理与理论基础6）动力润滑承载原理（2）两滑动表面呈楔形间隙时①入口至h0处：h>h0p/x>0p递增。②h0至出口，h<h0

p/x<0.p递减pmax油压分布曲线③

结论：两板间油有动压力hh12.7液体动力润滑的原理与理论基础“楔形间隙”油“入口”能力等于油“出口”能力

6）动力润滑承载原理“平行间隙”油“入口”能力大于油“出口”能力

（3）产生油压的原因--承载机理“楔形间隙”内压承载油“入口”能力大于油“出口”能力

内部压力大于出口和入口处压力油在入口受阻

油在出口受挤

油流量平衡

条件6）动力润滑承载原理（4）影响油压的因素――建立油压的条件

①相对滑动速度v②油粘度η③油楔④油量充分6）动力润滑承载原理（4）影响油压的因素――建立油压的条件

①相对滑动速度v、②油粘度η③油楔④油量充分雷诺动力润滑方程的应用6）动力润滑承载原理第12章滑动轴承机械设计第12章滑动轴承12.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算12.8.1几何参数1）轴承包角2）半径间隙δ

（轴承半径与轴颈半径之差）

δ＝R-r

3）相对间隙

＝δ／r

（r名义尺寸）4）偏心距

e12.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算erRhmin12.8.1几何参数5）偏心率――衡量轴颈偏心的程度＝e/δ=e/(R-r)

讨论：＊≤1

＊减小e减小膜厚增大。6）最小油膜度hmin

hmin=

R-(r+e)=δ-e=δ-δ=δ(1-)=rψ(1-)erRhminhmin的计算式问题12.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算12.8.2

设计问题(1)承载能力计算

hmin>[h][h]=S(Rz1+Rz2)

S—安全系数。S2

Rz1、Rz2:轴、瓦微观不平度关键：的计算楔形程度↑

hmin↓,hmin太小将无法维持液体摩擦状态如何评判承载能力？外载↑油膜压力↑楔形程度↑――hmin的计算12.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算12.8.2

设计问题

(1)承载能力计算

（2）热平衡计算――油温计算

ti=tm-△t/235~400Ctm—平均油温

ti—油的入口温度△t—温升(计算的关键）――hmin的计算12.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算12.8.3承载能力计算和承载量系数CP

（1）计算的理论依据：

代入径向轴承参数（极坐标形式）

一次积分某一位置的油压

二次积分单位宽度上的油压（并考虑泄漏）

三次积分轴承油膜的总压力--承载能力：

12.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算12.8.3承载能力计算和承载量系数CP

（1）计算的理论依据：

CP（、B/d），相互的数值关系----表12-612.8液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算12.8.4

温升△t计算热平衡条件：“发热”＝“散热”＋“油带走的热”

f―轴承摩擦系数(P295)