机械设计第十二章

机械设计第十二章第1页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承概述1

根据摩擦性质分→滑动轴承、滚动轴承

滚动轴承→摩擦系数小、启动阻力小、已标准化→应用较广

使用滑动轴承场合：1.工作转速很高，如汽轮发电机。2.要求对轴的支承位置特别精确，如精密磨床。3.承受巨大的冲击与振动载荷，如轧钢机。4.特重型的载荷，如水轮发电机。5.根据装配要求必须制成剖分式的轴承，如曲轴轴承。6.在特殊条件下工作的轴承，如军舰推进器的轴承。7.径向尺寸受限制时，如多辊轧钢机。

12-1滑动轴承概述第2页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承分类：按承受载荷方向分：径向轴承、止推轴承按润滑状态分：流体润滑、不完全流体润滑、自润滑按承载机理分：流体动力润滑、流体静力润滑滑动轴承设计内容1.轴承的形式和结构选择2.轴瓦的结构和材料选择3.轴承的结构参数确定4.轴承工作能力及热平衡计算第3页，课件共67页，创作于2023年2月(一)整体式径向滑动轴承特点：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因磨损而造成的间隙无法调整。只能从沿轴向装入或拆出。12-2滑动轴承的典型结构第4页，课件共67页，创作于2023年2月(二)对开式径向滑动轴承对开式轴承(整体轴套)对开式轴承(剖分轴套)特点：轴瓦磨损后可以用减少剖分面处的垫片厚度来调整轴承间隙，调整后应修刮轴瓦内孔第5页，课件共67页，创作于2023年2月(三)止推滑动轴承的结构空心式：接触面上压力分布较实心式均匀单环式：结构简单，润滑方便，广泛用于低速、轻载场合多环式：能承受较大轴向载荷，还可承受双向轴向载荷。各环间载荷分布不均，单位面积的承载能力比单环式低50%。空心式单环式多环式第6页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承的失效形式及常用材料1(一)滑动轴承失效形式1.磨粒磨损进入轴承间隙的硬颗粒(如灰尘、砂粒等)有的嵌入轴承表面，有的游离于间隙中并随轴一起转动，它们都将对轴颈和轴承表面起研磨作用。2.刮伤

进入轴承间隙中的硬颗粒或轴颈表面粗糙的轮廓峰顶，在轴瓦上划出线状伤痕，导致轴承因刮伤而失效。3.咬粘(胶合)

当轴承温升过高，载荷过大，油膜破裂时，或在润滑油供应不足情况下，轴颈和轴承的相对运动表面材料发生粘附和迁移，从而造成轴承损坏。咬粘有时甚至可能导致相对运动中止。12-3滑动轴承的失效形式及常用材料第7页，课件共67页，创作于2023年2月4.疲劳剥落在载荷反复作用下，轴承表面出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹，裂纹扩展后，造成轴承衬材料的剥落。5.腐蚀润滑剂在使用中不断氧化，所生成的酸性物质对轴承材料有腐蚀性，特别是对铸造铜铅合金中的铅，易受腐蚀而形成点状的脱落。磨损划伤胶合疲劳裂纹与剥落第8页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承的失效形式及常用材料2二、滑动轴承的材料轴承材料是指在轴承结构中直接参与摩擦部分的材料，如轴瓦和轴承衬的材料。应满足以下要求：

减摩性：材料副具有较低的摩擦系数。

耐磨性：材料的抗磨性能。

抗咬粘性：材料的耐热性与抗粘附性。摩擦顺应性：材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力。

嵌入性：材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能。轴承衬第9页，课件共67页，创作于2023年2月磨合性：轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，形成相互吻合的表面形状和粗糙度的能力。此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力、良好的导热性、工艺性和经济性。滑动轴承材料金属材料非金属材料轴承合金铜合金铝基轴承合金铸铁多孔质金属材料工程塑料碳-石墨橡胶木材第10页，课件共67页，创作于2023年2月(1)轴承合金（白合金、巴氏合金）

材料：锡、铅、锑、铜等金属的合金，锡或铅为基体优点：f小，抗胶合性能好、对油的吸附性强、耐腐蚀性好、容易跑合、是优良的轴承材料，常用于高速、重载的轴承缺点：价格贵、机械强度较差使用方法：作为轴承衬材料浇注在钢、铸铁、或青铜轴瓦上。工作温度120℃不能单独使用第11页，课件共67页，创作于2023年2月(2)铜合金优点：青铜强度高、承载能力大、耐磨性和导热性都优于轴承合金。工作温度高达250℃。缺点：可塑性差、不易跑合、相配轴径必须淬硬。使用方法：可以单独制成轴瓦，也可以作为轴承衬浇注在钢或铸铁轴瓦上。

铅青铜→高速重载锡青铜→中速重载铝青铜→低速重载第12页，课件共67页，创作于2023年2月(3)铝基合金有相当好的耐腐蚀合和较高的疲劳强度，摩擦性能也较好。在部分领域取代了较贵的轴承合金与青铜。(4)铸铁用于不重要、低速轻载轴承。(5)多孔质金属材料用粉末冶金法制作的轴承，具有多孔组织，可存储润滑油。可用于加油不方便的场合。第13页，课件共67页，创作于2023年2月第14页，课件共67页，创作于2023年2月第15页，课件共67页，创作于2023年2月第16页，课件共67页，创作于2023年2月(6)非金属材料

工程塑料：具有摩擦系数低、可塑性、跑合性良好、耐磨、耐腐蚀、可用水、油及化学溶液等润滑。导热性差、膨胀系数大、容易变形。可作为轴承衬粘复在金属轴瓦上使用。

碳-石墨：是电机电刷常用材料，具有自润滑性，用于不良环境中。

橡胶轴承：具有较大的弹性，能减轻振动使运转平稳，可用水润滑。常用于潜水泵、沙石清洗机、钻机等有泥沙的场合。

木材：具有多孔结构，可在灰尘极多的环境中使用。第17页，课件共67页，创作于2023年2月12-4轴瓦结构(一)轴瓦的形式和构造

整体轴套(需从轴端安装和拆卸，可修复性差)单层、双层或多层材料的卷制轴套，只适用于薄壁轴瓦，具有很高的生产率。

第18页，课件共67页，创作于2023年2月

对开式轴瓦(可直接从轴中部安装和拆卸，可修复)

厚壁轴瓦：具有足够的强度和刚度，可降低对轴承座孔的加工精度要求。第19页，课件共67页，创作于2023年2月

薄壁轴瓦：节省材料，但刚度不足，故对轴承座孔的加工精度要求高。铸造轴瓦：铸造工艺性好，单件、大批生产均可，适用于厚壁轴瓦。第20页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承的轴瓦结构3(二)轴瓦的定位目的：防止轴瓦相对于轴承座产生轴向和周向的相对移动。轴向定位：周向定位：

凸缘轴瓦一端或两端做凸缘紧定螺钉紧定螺钉（也可做轴向定位）轴瓦圆柱销轴承座销钉（也可做轴向定位）

第21页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承的轴瓦结构4(三)轴瓦的油孔及油槽目的：把润滑油导入轴颈和轴承所构成的运动副表面。原则：尽量开在非承载区，尽量不要降低或少降低承载区油膜的承载能力；轴向油槽不能开通至轴承端部，应留有适当的油封面。单轴向油槽开在非承载区（在最大油膜厚度处）双轴向油槽开在非承载区（在轴承剖分面上）双斜向油槽（用于不完全液体润滑轴承）第22页，课件共67页，创作于2023年2月滑动轴承润滑剂的选择112-5滑动轴承润滑剂的选用一、润滑脂及其选择特点：无流动性，无冷却效果。适用场合：要求不高、难以经常供油，或者低速重载以及作摆动运动的轴承中。选择原则：1.当压力高和滑动速度低时，选择针入度小一些的品种；反之，选择针入度大一些的品种。2.所用润滑脂的滴点，一般应较轴承的工作温度高约20～30℃，以免工作时润滑脂过多地流失。3.水淋或潮湿环境下，应选择防水性能强的钙基或铝基润滑脂。在温度较高处应选用钠基或复合钙基润滑脂。第23页，课件共67页，创作于2023年2月二、润滑油及其选择特点：有良好的流动性，可形成动压、静压或边膜界润滑膜。适用场合：不完全液体滑动轴承和完全液体润滑滑动轴承。选择原则：1.主要考虑润滑油的粘度。2.转速高、压力小时，油的粘度应低一些；反之，粘度应高一些。3.高温时，粘度应高一些；低温时，粘度可低一些。第24页，课件共67页，创作于2023年2月三、固体润滑剂及其选择特点：可在滑动表面形成固体膜。适用场合：有特殊要求的场合，如环境清洁要求处、真空中或高温中。常用类型：二硫化钼，碳-石墨，聚四氟乙烯等。使用方法：涂敷、粘结或烧结在轴瓦表面；制成复合材料，依靠材料自身的润滑性能形成润滑膜。第25页，课件共67页，创作于2023年2月不完全液体润滑滑动轴承的设计计算112-6不完全流体润滑滑动轴承的设计计算一、失效形式与设计准则工作状态：采用润滑脂、油绳或滴油润滑，无法形成完全的承载油膜，工作状态为边界润滑或混合摩擦润滑。失效形式：边界油膜破裂。

设计准则：保证边界膜不破裂。计算类型：因边界膜强度与温度、轴承材料、轴颈和轴承表面粗糙度、润滑油供给等有关，目前尚无精确的计算方法，但一般可作条件性计算。第26页，课件共67页，创作于2023年2月不完全液体润滑滑动轴承的设计计算2二、径向滑动轴承的设计计算已知：径向载荷F(N)、轴颈转速n(r/min)、轴颈直径d(mm)1.验算轴承的平均压力p(MPa)B—轴承宽度，mm（根据宽径比B/d确定）

[p]—轴瓦材料的许用压力，MPa。2.验算轴承的pv(单位为MPa·m/s)值轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fpv成正比(f是摩擦系数)，限制pv值就是限制轴承的温升。v—轴颈圆周速度，m/s；[pv]—轴承材料的pv许用值第27页，课件共67页，创作于2023年2月3.验算滑动速度v(m/s)[v]—材料的许用滑动速度4.选择配合一般可选H9/d9或H8/f7、H7/f6第28页，课件共67页，创作于2023年2月(二)止推滑动轴承的计算已知：轴承所受轴向载荷Fa(单位为N)、轴颈转速n(单位为r/min)、轴环直径d2和轴承孔直径d1(单位为mm)以及轴环数目。1.验算轴承的平均压力p(单位为MPa)[p]﹣许用应力，多环比单环降低50%。第29页，课件共67页，创作于2023年2月2.验算轴承的pv(单位为MPa·m/s)值轴承的环形支承面平均直径处的圆周速度v为第30页，课件共67页，创作于2023年2月12-7液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算(一)流体动力润滑的基本方程方程假设如下：流体满足牛顿定律流体的流动是层流忽略压力对流体粘度的影响略去惯性力及重力的影响流体不可压缩流体中的压力在各流体层之间保持为常数第31页，课件共67页，创作于2023年2月在以上假设下，从两平板所构成的楔形空间中，取某一层液体的一部分作为单元体，通过建立平衡方程和给定边界条件，可得一维雷诺方程：η﹣动力粘度v﹣速度h﹣油膜高度h0﹣压力最高处油膜高度bc段：压力逐渐降低ab段：压力逐渐累加第32页，课件共67页，创作于2023年2月流体动力润滑的必要条件是：1.相对运动的两表面间构成楔形空间。2.楔形空间中充满具有粘性的液体。3.两板相对运动的结果，应使液体在粘性力的作用下由楔形空间的大端流向楔形空间的小端。第33页，课件共67页，创作于2023年2月(二)径向滑动轴承形成流体动力润滑时的过程静止时→轴颈与轴承孔有间隙→形成楔形空间速度较低时→轴颈在摩擦力作用下沿孔壁向右爬升转速↑→轴颈表面的圆周速度↑→带入楔形空间的油量↑→右侧楔形油膜产生的动压力↑→将轴颈向左浮起→轴承处于流体动力润滑状态→摩擦系数达到最小值视频第34页，课件共67页，创作于2023年2月(三)径向滑动轴承的主要几何关系轴承和轴颈的连心线OO1，与外载荷F(载荷作用在轴颈中心上)的方向形成一偏位角φa。轴承孔和轴颈的直径分别用D和d表示，则轴承直径间隙为Δ=D﹣d半径间隙δ

δ＝R－r＝Δ/2直径间隙与轴颈直径之比称为相对间隙ψψ＝δ/r＝Δ/d第35页，课件共67页，创作于2023年2月轴颈在稳定运转时，其中心O与轴承中心O1的距离，称为偏心距e。偏心距与半径间隙的比值，称为偏心率XΧ=e/δ最小油膜厚度为hmin=δ－e第36页，课件共67页，创作于2023年2月采用极坐标，取轴颈中心O为极点，连心线OO1为极轴，对应于任意角的油膜厚度为h，h的大小可在△AOO1中应用余弦定理求得R2=e2+(r+h)2-2e(r+h)cosφ整理后并略去微量(e/R)2sin2φ，得h=δ(1+Χcosφ)δ﹣半径间隙δ＝R－r

X﹣偏心率Χ=e/δ在压力最大处的油膜厚度h0为h=δ(1+Χcosφ0)第37页，课件共67页，创作于2023年2月(四)径向滑动轴承工作能力计算简介1.轴承的承载能力计算和承载量系数假设轴承为无限宽，可以认为润滑油沿轴向没有流动。将一维雷诺方程改写成极坐标表达形式从油膜起始角φ1，到任意角φ进行积分，得任意角位置的压力为压力Pφ在外载荷方向上的分量为第38页，课件共67页，创作于2023年2月积分可得轴承单位宽度上的油膜承载力理论上将Py乘轴承宽度可得油膜承载能力，实际由于油可能从轴承两端泄漏，压力沿轴向呈抛物线分布。第39页，课件共67页，创作于2023年2月油膜沿轴承宽度上的压力分布表达式为py﹣无限宽度轴承沿轴单位宽度上的油膜压力C′﹣取决于宽径比和偏心率的系数对于有限宽度轴承，油膜的总承载能力为Cp﹣承载量系数，计算很困难，工程上可查表确定。η﹣动力粘度ω﹣角速度d﹣轴半径

B﹣轴承宽度ψ﹣相对间隙＝δ/r＝Δ/d第40页，课件共67页，创作于2023年2月偏心率↑→CP↑第41页，课件共67页，创作于2023年2月液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算62.最小油膜厚度hmin其他条件不变，hmin越小则偏心率越大，轴承的承载能力就越大。但hmin不能无限缩小，它受到轴颈和轴承表面粗糙度、轴的刚性及轴承与轴颈的几何形状误差等的限制。动力润滑轴承的设计应保证：hmin≥[h][h]=4S(Ra1+Ra2)S﹣安全系数，考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等，常取S≥2。对于一般轴承可取为0.8μm和1.6μm，0.4μm和0.8μm。对于重要轴承可取为0.2μm和0.4μm，或0.05μm和0.1μm。Ra1、Ra2﹣分别为轴颈和轴承孔表面粗糙度

第42页，课件共67页，创作于2023年2月3.轴承的热平衡计算热平衡方程：产生的热量=散失的热量Q=Q1+Q2

q﹣润滑油流量 ρ﹣滑油密度c﹣润滑油的比热容 ti﹣油入口温度to﹣油出口温度 αs﹣表面传热系数摩擦热 Q=fFv润滑油带走的热 Q1=qρc(to-ti)轴承散发的热 Q2=αsπdB(to-ti)第43页，课件共67页，创作于2023年2月热平衡方程 fFv=qρc(to-ti)+αsπdB(to-ti)为了达到热平衡而必须的润滑油温度差△t﹣润滑油流量系数，查表12-16系数ξ与宽径比有关，若B/d<1，则ξ=(B/d)1.5

若B/d≥1，则ξ=1f﹣摩擦系数第44页，课件共67页，创作于2023年2月由于轴承内部各处温度不一样，计算时采用平均温度tm=ti+△t/2为了保证轴承能正常，建议平均温度tm≤75℃设计时，给定tm，根据热平衡算出△t，最后校核ti当ti>35℃~40℃时，表明轴承承载能力有冗余，可采取如下措施：1.增大表面粗糙度，以降低成本2.减小间隙，提高旋转精度3.加宽轴承，充分利用轴承的承载能力第45页，课件共67页，创作于2023年2月当t1<35℃~40℃时，表明轴承的承载能力不足，可采取如下措施：1.加散热片，以增大散热面积3.适当增大轴承间隙4.提高轴和轴承的加工精度2.增加冷却装置加风扇、冷却水管、循环油冷却油泵冷却器冷却水风冷第46页，课件共67页，创作于2023年2月0.6~1.5—电动机、发电机、离心机、齿轮变速器应用：B/d=0.3~1.0—汽轮机、鼓风机0.8~1.2—机车、拖拉机0.6~0.9—轧钢机(五)参数的选择1.宽径比B/d

取值范围：B/d=0.3~1.5影响效果：B/d小，增大端排泄量以降低温度；

B/d大，增大轴承的承载能力。第47页，课件共67页，创作于2023年2月2.相对间隙ψ选取原则：(1)速度高，ψ取大值；载荷大，ψ取小值；(2)直径大，宽径比小，调心性能好，加工精度高，ψ取小值；反之，ψ取大值。经验公式应用0.001~0.0002﹣汽轮机、电动机、发电机、齿轮变速器0.0002~0.0015﹣轧钢机、铁路机车辆0.0002~0.00125﹣机床、内燃机0.001~0.003﹣鼓风机、离心机第48页，课件共67页，创作于2023年2月3.润滑油粘度先假定轴承平均温度(一般取tm=50～75℃)，初选润滑油粘度，进行初步设计计算。最后再通过热平衡计算来验算轴承入口油温ti是否在35～40℃之间，否则应重新选择润滑油粘度再做计算。初始计算时，动力粘度可取第49页，课件共67页，创作于2023年2月例题设计一机床用的流体动力润滑径向滑动轴承，载荷垂直向下，工作情况稳定，采用对开式轴承。已知工作载荷F=100000N，轴颈直径d=200mm，转速n=500r/min，在水平剖分面单侧供油。1.选择轴承宽径比根据机床轴承常用的宽径比范围，取宽径比为13.计算轴颈圆周速度2.计算轴承宽度第50页，课件共67页，创作于2023年2月4.计算轴承工作压力5.选择轴瓦材料[p][v][pv]选定轴承材料为ZCuSn10P1v=5.23pv=13.1第51页，课件共67页，创作于2023年2月6.初估润滑油动力粘度7.计算相应的运动粘度取润滑油密度ρ=900kg/m38.选定平均油温现选平均油温tm=50℃第52页，课件共67页，创作于2023年2月9.选定润滑油牌号，参照表4-1选定粘度等级为68的润滑油

10.由图查得，v50=40cSt6840第53页，课件共67页，创作于2023年2月11.换算出润滑油在50℃时的动力粘度12.计算相对间隙13.计算直径间隙14.计算承载量系数第54页，课件共67页，创作于2023年2月15.求出轴承偏心率根据Cp及B/d的值查表12-6，经过插值求出偏心率X=0.713第55页，课件共67页，创作于2023年2月16.计算最小油膜厚度17.确定轴颈、轴承孔表面粗糙度按加工精度要求取轴颈表面粗糙度为Ra0.8μm，轴承孔表面粗糙度为Ra1.6μmRa1=0.0008mmRa2=0.0016mm18.计算许用油膜厚度取安全系数S=2因hmin>[h]，故满足工作可靠性要求第56页，课件共67页，创作于2023年2月19.计算轴承与轴颈的摩擦系数因轴承的宽径比B/d=1，取随宽径比变化的系数ξ=1，计算摩擦系数20.查出润滑油流量系数P292第57页，课件共67页，创作于2023年2月21.计算润滑油温升润滑油密度ρ=900kg/m3比热容c=1800J/(kg·C)表面传热系数αs=80W/(m2·C)22.计算润滑油入口温度因一般取ti=35～40℃，故上述入口温度合适。第58页，课件共67页，创作于2023年2月23.选择配合轴承孔尺寸为轴颈尺寸为24.求最大、最小间隙25.校核轴承的承载能力、最小油膜厚度及润滑油温升分别按△max、△min。进行校核，如果在允许值范围内，则绘制轴承工作图；否则需要重新选择参数，再做设计及校核计算。第59页，课件共67页，创作于2023年2月12-8其它形式滑动轴承简介(一)自润滑轴承轴承材料﹣为降低磨损，常用工程塑料和碳-石墨轴径材料﹣为防止锈蚀或降低摩擦系数，常用不锈钢、碳钢镀硬铬，使轴承和轴径两者表面硬度差加大

主要设计参数(1)宽径比：B/d=0.35~1.5(2)轴瓦厚度：对于完全塑料的轴瓦，壁厚为d/(12~20)(3)直径间隙：

∆≈0.00