第十章　滑动轴承设计

机械设计教程第3版机械工业出版社第十章滑动轴承设计第一节滑动轴承的主要类型和特点第二节滑动轴承的常用材料和结构第三节混合润滑滑动轴承的工作能力设计第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计

第十章滑动轴承设计滑动轴承通过润滑剂作为中间介质将旋转的轴与固定的机架(座)分隔开,以达到减少摩擦的目的,这是一种工作在滑动摩擦状态下的轴承。滑动轴承主要用于滚动轴承难以满足工作要求的场合,如高转速、长寿命、低摩擦阻力、承受大的冲击载荷、低噪声和无污染等条件。另外,为降低成本,一些极简单的回转支撑也常采用滑动轴承。滑动轴承设计的主要内容是:轴承材料的选择,轴承的结构设计,润滑剂与润滑方式的选择,轴承工作能力设计计算等。第一节滑动轴承的主要类型和特点一、滑动轴承的主要类型滑动轴承类型很多,按照不同的分类依据有多种分类方法。首先,根据承受载荷方向的不同,滑动轴承可分为径向滑动轴承(承受径向力)、推力(止推)滑动轴承(承受轴向力)和径向推力滑动轴承(同时承受径向力和轴向力)。其次,按照润滑状态的不同,滑动轴承又可分为液体润滑轴承、气体润滑轴承、固体润滑轴承和混合润滑轴承。其中,液体润滑轴承和气体润滑轴承统称流体润滑轴承。根据流体膜承载机理的不同,流体润滑轴承又可分为流体静压润滑轴承和流体动压润滑轴承。前者依靠液压或气动系统供给压力介质,迫使轴承摩擦副表面被流体膜隔开,通过介质的静压力平衡外载荷;而后者通过摩擦副表面的相对运动将润滑介质带入收敛间隙内,形成分隔摩擦副表面的流体膜,并利用产生的介质压力来平衡外载荷。流体静压润滑轴承的流体膜的形成与转速无关,因此在零速、低速或高速下均能正常工作,刚度和旋转精度高,起动力矩小,寿命长,但设备运行和维护费用高;而流体动压润滑轴承主要用于转速较高的场合。第一节滑动轴承的主要类型和特点一、滑动轴承的主要类型固体润滑轴承是指在工作过程中,不添加流体润滑剂而直接通过基体材料匹配或使用固体润滑剂的轴承。固体润滑轴承主要用于超高温、低温、辐射、真空、腐蚀、氧化等工作环境,以及润滑油或润滑脂难以供给的场合。混合润滑轴承是在边界摩擦与流体润滑并存的摩擦状态下运行的轴承。混合润滑轴承的摩擦磨损较大,精度不高,但供油和轴承结构较为简单,广泛应用于要求不高的通用设备中。此外,根据轴承的结构形式,滑动轴承还可分为整体式滑动轴承和剖分式滑动轴承;后者更便于拆装,常用于轴颈端部装拆困难和需要调整轴承间隙的场合。第一节滑动轴承的主要类型和特点二、滑动轴承的特点滑动轴承具有一系列特点。1)滑动轴承的摩擦副为面-面配合副,承载能力强。2)当滑动轴承为流体润滑状态时,其摩擦因数非常小,且流体膜具有良好的抗冲击性和吸振性,能有效减小噪声,轴承使用寿命长。流体润滑轴承工作时的摩擦阻力主要是流体的内摩擦,其摩擦因数最小可以达到0.001,比滚动轴承小(最小可到0.008)。而混合润滑轴承的摩擦因数较大,最小在0.1左右。当润滑剂不足、转速过低或做间歇旋转时,流体润滑轴承也会处于混合润滑状态。因此,流体动压润滑轴承的起动力矩一般大于滚动轴承。3)滑动轴承的中间元件少,可以达到很高的回转精度。4)滑动轴承结构简单,径向尺寸小,适合于要求结构紧凑的场合;同时,滑动轴承可做成剖分式结构,拆装方便。5)滑动轴承对润滑条件的要求一般较高,维护复杂,因而使用和维护成本较高;但是,对于载荷不大、转速和旋转精度要求不高的场合,滑动轴承的结构和润滑均可大幅简化,其制造和使用成本可比相同规格的滚动轴承更低。第二节滑动轴承的常用材料和结构一、滑动轴承常用材料为提高轴承的耐磨性并保证支撑刚度,滑动轴承结构通常由两部分组成:由钢或铸铁等强度较高的材料制成的轴承座与由铜合金、铝合金或轴承合金等减摩耐磨材料制成的轴瓦。常用滑动轴承材料及其主要性能见表10-1。第二节滑动轴承的常用材料和结构一、滑动轴承常用材料第二节滑动轴承的常用材料和结构二、径向滑动轴承结构径向滑动轴承有两种典型结构。图10-1所示为整体式径向滑动轴承结构。这种滑动轴承结构简单,成本低,但是安装、拆卸和调整都不方便,常用于低速、轻载的工作场合。图10-1整体式径向滑动轴承结构第二节滑动轴承的常用材料和结构二、径向滑动轴承结构图10-2所示为剖分式径向滑动轴承结构,轴承座沿轴线剖开,使轴系的装配与拆卸都很方便。在剖开的轴承座与轴承盖之间设有止口结构,保证装配时轴承座与轴承盖的准确定位。双头螺柱和螺母用于轴承座与轴承盖的连接。为便于轴承的润滑,轴承盖顶部设有注油孔。图10-2剖分式径向滑动轴承结构第二节滑动轴承的常用材料和结构二、径向滑动轴承结构图10-3所示为斜剖分径向滑动轴承结构,剖分面不与底面平行,以适应载荷方向或安装、调整等方面的要求。图10-3斜剖分径向滑动轴承结构第二节滑动轴承的常用材料和结构二、径向滑动轴承结构如果轴的刚度较小,或轴承座的安装精度差,可采用图10-4所示的调心滑动轴承结构,轴瓦可在轴承座的球面内摆动,自动适应轴线方向的变化。图10-4调心滑动轴承结构第二节滑动轴承的常用材料和结构二、径向滑动轴承结构图10-5所示为可调间隙的径向滑动轴承结构,通过调整轴承两端的螺母可以使轴瓦沿轴线移动,在轴瓦外圆锥面的作用下,轴瓦在沿轴线移动的同时内径尺寸发生变化,补偿由于磨损而失去的精度。图10-5可调间隙的径向滑动轴承结构第二节滑动轴承的常用材料和结构三、推力滑动轴承结构推力滑动轴承的承载面与轴线垂直,用以承受轴向载荷。图10-6所示为常用的推力滑动轴承承载面的情况。图10-6a所示为实心端面推力滑动轴承,这种轴承结构简单,但是承载面沿直径方向速度变化大,产生不均匀的磨损以后,导致压强分布不均匀;图10-6b所示为空心端面推力滑动轴承,靠近中心处不承载,避免了实心式结构的缺点;图10-6c所示为单环式推力滑动轴承,可承受单向轴向载荷,承载面可利用径向滑动轴承(图10-2)的端面;图10-6d所示为多环式推力滑动轴承,承载面积增大,承载能力提高,可承受双向轴向载荷,但是各环之间载荷分布不均匀,承载能力受各环加工误差的影响较大。图10-6常用推力滑动轴承承载面的情况第二节滑动轴承的常用材料和结构三、推力滑动轴承结构图10-7所示为径向滑动轴承与推力滑动轴承的组合结构。轴端承载面采用镶嵌结构,以利加工;轴瓦背面采用球面调心结构,可防止偏载,且轴瓦背面设有防转销。图10-7径向滑动轴承与推力滑动轴承的组合结构第二节滑动轴承的常用材料和结构四、轴瓦结构对应径向滑动轴承结构,轴瓦也有整体式结构和剖分式结构。图10-8所示为整体式轴瓦结构。为方便润滑,可在轴瓦表面开设油孔和油沟。轴瓦端部可设置凸缘,作为推力滑动轴承的承载面。为防止轴瓦在轴承座中转动,可设置防转螺钉或防转销,如图10-9所示。图10-8整体式轴瓦结构第二节滑动轴承的常用材料和结构四、轴瓦结构图10-9轴瓦防转结构第二节滑动轴承的常用材料和结构四、轴瓦结构轴瓦可以用一种材料制造,也可以用两种或三种材料制造。用两种材料制造的双金属轴瓦是将轴承合金浇铸在青铜或钢制瓦背上,并经轧制或切削加工制成的。轴承合金与青铜材料结合牢固,但是青铜强度差,如果在轴承合金与青铜构成的轴瓦外再附上一层钢制瓦背就成为三金属轴瓦。为提高轴承合金与瓦背的结合强度,防止脱落,常在瓦背表面制出螺纹、凹槽及榫头结构,如图10-10所示。图10-10瓦背内表面结构第二节滑动轴承的常用材料和结构四、轴瓦结构在轴瓦内设置油孔和油沟有助于润滑剂充满润滑区域。对于工作在边界润滑状态的滑动轴承,应将油沟开在承载区域,使承载区得到良好的润滑。油沟不应过多、过宽,以免占用过多的承载面积,影响承载能力。对于工作在流体动压润滑状态的滑动轴承,油孔和油沟不应开在承载区,而应开在收敛油楔的入口端。图10-11表示开设在油膜承载区的油沟对油膜压力分布的影响,其中图10-11a表示油沟对周向压力分布的影响,图10-11b表示油沟对轴向压力分布的影响。图10-11承载区的油沟对动压滑动轴承压力分布的影响第二节滑动轴承的常用材料和结构四、轴瓦结构油沟位置应与载荷方向相对固定。如果载荷方向是固定的,油沟应开在固定零件上(通常为轴瓦),如果载荷方向是旋转的,应将油沟开在旋转零件上(通常为轴)。为提高径向滑动轴承的油膜刚度和避免高速轻载轴承的振动,可在圆周方向布置多个油楔,形成图10-12所示的多油楔轴承。图10-12多油楔轴承第二节滑动轴承的常用材料和结构四、轴瓦结构要使推力滑动轴承表面形成流体动压,需要在轴瓦表面加工出收敛的油楔,为保证推力轴承在起动和停止时有足够的边界润滑承载能力,在轴瓦表面应留出一定面积的平台。图10-13所示为推力滑动轴承轴瓦形状,其中图10-13a所示的形状用于单向旋转的轴承,图10-13b所示的形状可用于双向旋转的轴承,图10-13c所示为可倾瓦。轴瓦的方向可随载荷情况自行调整,可在较大的参数范围内适应载荷变化的要求。图10-13推力滑动轴承轴瓦形状第三节混合润滑滑动轴承的工作能力设计

第三节混合润滑滑动轴承的工作能力设计图10-15摩擦特性曲线第三节混合润滑滑动轴承的工作能力设计一、混合润滑径向滑动轴承的工作能力设计图10-16a所示为径向滑动轴承主要结构尺寸示意图。图10-16滑动轴承主要结构尺寸示意图a)径向滑动轴承b)推力滑动轴承第三节混合润滑滑动轴承的工作能力设计一、混合润滑径向滑动轴承的工作能力设计

第三节混合润滑滑动轴承的工作能力设计二、混合润滑推力轴承的工作能力设计

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计流体润滑滑动轴承可以通过静压原理,即通过液压泵将一定压力的润滑油压入滑动轴承与轴颈之间获得,也可以通过流体动压原理获得。这里主要介绍流体动压润滑径向滑动轴承的工作原理及其设计方法。第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计一、流体动压润滑的机理图10-17流体动压润滑形成机理第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计一、流体动压润滑的机理

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计一、流体动压润滑的机理

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计一、流体动压润滑的机理

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计一、流体动压润滑的机理图10-18收敛楔形间隙形成流体动压润滑示意图第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计二、流体动压润滑径向滑动轴承的主要几何参数

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计二、流体动压润滑径向滑动轴承的主要几何参数3.偏位角θ和轴承包角β径向滑动轴承稳定工作时,径向外载荷F与轴承孔和轴颈中心连心线之间的夹角称为偏位角,记作θ。轴承包角β一般为120°和180°等。4.最小油膜厚度hmin

hmin=δ-e=rψ(1-ε)(10-13)5.承载区内任意处的油膜厚度h≈R-r+ecosφ=δ(1+εcosφ)(10-14)第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计图10-19流体动压润滑径向滑动轴承稳定工作状态下的几何参数及起动过程第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计图10-20轴承包角180°时,S0-ε的关系曲线第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计2.热平衡计算根据能量守恒的原理,单位时间内轴承产生的热量H1应与散出的热量H2相等。轴承的热量主要是流体内部的摩擦热即H1=fFv=Pf(10-17)式中,f为润滑油的液体摩擦因数;F为轴承径向外载荷(N);v为轴颈的切线速度(m/s);Pf为轴承的摩擦功耗(W)。滑动轴承的散热包括两个方面:一部分通过流动的润滑油带走,另一部分通过热对流和辐射从轴承座扩散到空气中。所以,单位时间散热为H2=(Qρcp+αsπdB)Δt(10-18)式中,Q为润滑油的流量(m3/s),且Q=qVωψd3,其中qV为流量系数,如图10-21所示;ρ为润滑油密度(kg/m3),矿物油ρ=850~900kg/m3;cp为润滑油比定压热容[J/(kg·℃)],矿物油为1675~2090J/(kg·℃);αs为轴承的散热系数[W/(m2·℃)],轻型轴承或环境温度高、轴承散热困难的情况下,αs=50,中型轴承或一般通风条件下的轴承,αs=80,重型轴承或冷却和通风条件良好的轴承,αs=140;d为轴颈的直径(m);B为轴承宽度(m);Δt为轴承的温升,Δt=to-ti,to、ti分别为润滑油的出口温度(℃)和入口温度(°C)。第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计图10-21轴承包角180°时,qV-ε的关系曲线第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计3.形成流体动压润滑所需最小油膜厚度由于轴承和轴颈的加工表面具有一定的表面粗糙度,为实现流体动压润滑状态,要保证轴承正常工作时的最小油膜厚度,即hmin≥[hmin](10-20)[hmin]=S(Rz1+Rz2)(10-21)

式中,S为考虑零件表面几何形状不准确和变形的安全系数,一般取S≥2;Rz1、Rz2分别为轴颈与轴承内表面的表面轮廓最大高度(μm),参见表10-2。第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计三、流体动压润滑径向滑动轴承的工作能力设计4.流体动压润滑径向滑动轴承的设计步骤当已知轴承的工作载荷、转速时,轴承的基本尺寸(B,d,ψ)、润滑油牌号可初步选定,然后按图10-23所示的步骤进行设计。图10-23流体动压径向滑动轴承设计的一般步骤第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计四、流体动压润滑径向滑动轴承主要参数的选择

第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计四、流体动压润滑径向滑动轴承主要参数的选择2.轴承的宽径比B/d轴承宽径比大,承载能力强,但由于润滑油端泄受到影响,而使轴承的散热能力降低;反之,虽然取较小的宽径比会提高轴承的散热能力,但轴承的承载能力相对降低。因此,B/d不应小于0.25。一般情况取B/d≈1。常用机器中滑动轴承的宽径比可参考表10-3。不同工况下的宽径比见表10-4。第四节流体动压润滑滑动轴承的工作能力设计四、流体动压润滑径向滑动轴承主要参数的选择3.润滑油黏度η的选择润滑油黏度对轴承的承载能力和温升都有重要影响。一般重载低速、轴承工作表面粗糙或未经磨合的表面、轴承间隙较大时采用黏度高的润滑油,使之易形成油膜,并具有高的承载能力。另外,在工