機械設計教程第3版機械工業出版社第十章滑動軸承設計第一節滑動軸承的主要類型和特點第二節滑動軸承的常用材料和結構第三節混合潤滑滑動軸承的工作能力設計第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計

第十章滑動軸承設計滑動軸承通過潤滑劑作為中間介質將旋轉的軸與固定的機架(座)分隔開,以達到減少摩擦的目的,這是一種工作在滑動摩擦狀態下的軸承。滑動軸承主要用于滾動軸承難以滿足工作要求的場合,如高轉速、長壽命、低摩擦阻力、承受大的沖擊載荷、低噪聲和無污染等條件。另外,為降低成本,一些極簡單的回轉支撐也常采用滑動軸承?；瑒虞S承設計的主要內容是:軸承材料的選擇,軸承的結構設計,潤滑劑與潤滑方式的選擇,軸承工作能力設計計算等。第一節滑動軸承的主要類型和特點一、滑動軸承的主要類型滑動軸承類型很多,按照不同的分類依據有多種分類方法。首先,根據承受載荷方向的不同,滑動軸承可分為徑向滑動軸承(承受徑向力)、推力(止推)滑動軸承(承受軸向力)和徑向推力滑動軸承(同時承受徑向力和軸向力)。其次,按照潤滑狀態的不同,滑動軸承又可分為液體潤滑軸承、氣體潤滑軸承、固體潤滑軸承和混合潤滑軸承。其中,液體潤滑軸承和氣體潤滑軸承統稱流體潤滑軸承。根據流體膜承載機理的不同,流體潤滑軸承又可分為流體靜壓潤滑軸承和流體動壓潤滑軸承。前者依靠液壓或氣動系統供給壓力介質,迫使軸承摩擦副表面被流體膜隔開,通過介質的靜壓力平衡外載荷;而后者通過摩擦副表面的相對運動將潤滑介質帶入收斂間隙內,形成分隔摩擦副表面的流體膜,并利用產生的介質壓力來平衡外載荷。流體靜壓潤滑軸承的流體膜的形成與轉速無關,因此在零速、低速或高速下均能正常工作,剛度和旋轉精度高,起動力矩小,壽命長,但設備運行和維護費用高;而流體動壓潤滑軸承主要用于轉速較高的場合。第一節滑動軸承的主要類型和特點一、滑動軸承的主要類型固體潤滑軸承是指在工作過程中,不添加流體潤滑劑而直接通過基體材料匹配或使用固體潤滑劑的軸承。固體潤滑軸承主要用于超高溫、低溫、輻射、真空、腐蝕、氧化等工作環境,以及潤滑油或潤滑脂難以供給的場合。混合潤滑軸承是在邊界摩擦與流體潤滑并存的摩擦狀態下運行的軸承?；旌蠞櫥S承的摩擦磨損較大,精度不高,但供油和軸承結構較為簡單,廣泛應用于要求不高的通用設備中。此外,根據軸承的結構形式,滑動軸承還可分為整體式滑動軸承和剖分式滑動軸承;后者更便于拆裝,常用于軸頸端部裝拆困難和需要調整軸承間隙的場合。第一節滑動軸承的主要類型和特點二、滑動軸承的特點滑動軸承具有一系列特點。1)滑動軸承的摩擦副為面-面配合副,承載能力強。2)當滑動軸承為流體潤滑狀態時,其摩擦因數非常小,且流體膜具有良好的抗沖擊性和吸振性,能有效減小噪聲,軸承使用壽命長。流體潤滑軸承工作時的摩擦阻力主要是流體的內摩擦,其摩擦因數最小可以達到0.001,比滾動軸承小(最小可到0.008)。而混合潤滑軸承的摩擦因數較大,最小在0.1左右。當潤滑劑不足、轉速過低或做間歇旋轉時,流體潤滑軸承也會處于混合潤滑狀態。因此,流體動壓潤滑軸承的起動力矩一般大于滾動軸承。3)滑動軸承的中間元件少,可以達到很高的回轉精度。4)滑動軸承結構簡單,徑向尺寸小,適合于要求結構緊湊的場合;同時,滑動軸承可做成剖分式結構,拆裝方便。5)滑動軸承對潤滑條件的要求一般較高,維護復雜,因而使用和維護成本較高;但是,對于載荷不大、轉速和旋轉精度要求不高的場合,滑動軸承的結構和潤滑均可大幅簡化,其制造和使用成本可比相同規格的滾動軸承更低。第二節滑動軸承的常用材料和結構一、滑動軸承常用材料為提高軸承的耐磨性并保證支撐剛度,滑動軸承結構通常由兩部分組成:由鋼或鑄鐵等強度較高的材料制成的軸承座與由銅合金、鋁合金或軸承合金等減摩耐磨材料制成的軸瓦。常用滑動軸承材料及其主要性能見表10-1。第二節滑動軸承的常用材料和結構一、滑動軸承常用材料第二節滑動軸承的常用材料和結構二、徑向滑動軸承結構徑向滑動軸承有兩種典型結構。圖10-1所示為整體式徑向滑動軸承結構。這種滑動軸承結構簡單,成本低,但是安裝、拆卸和調整都不方便,常用于低速、輕載的工作場合。圖10-1整體式徑向滑動軸承結構第二節滑動軸承的常用材料和結構二、徑向滑動軸承結構圖10-2所示為剖分式徑向滑動軸承結構,軸承座沿軸線剖開,使軸系的裝配與拆卸都很方便。在剖開的軸承座與軸承蓋之間設有止口結構,保證裝配時軸承座與軸承蓋的準確定位。雙頭螺柱和螺母用于軸承座與軸承蓋的連接。為便于軸承的潤滑,軸承蓋頂部設有注油孔。圖10-2剖分式徑向滑動軸承結構第二節滑動軸承的常用材料和結構二、徑向滑動軸承結構圖10-3所示為斜剖分徑向滑動軸承結構,剖分面不與底面平行,以適應載荷方向或安裝、調整等方面的要求。圖10-3斜剖分徑向滑動軸承結構第二節滑動軸承的常用材料和結構二、徑向滑動軸承結構如果軸的剛度較小,或軸承座的安裝精度差,可采用圖10-4所示的調心滑動軸承結構,軸瓦可在軸承座的球面內擺動,自動適應軸線方向的變化。圖10-4調心滑動軸承結構第二節滑動軸承的常用材料和結構二、徑向滑動軸承結構圖10-5所示為可調間隙的徑向滑動軸承結構,通過調整軸承兩端的螺母可以使軸瓦沿軸線移動,在軸瓦外圓錐面的作用下,軸瓦在沿軸線移動的同時內徑尺寸發生變化,補償由于磨損而失去的精度。圖10-5可調間隙的徑向滑動軸承結構第二節滑動軸承的常用材料和結構三、推力滑動軸承結構推力滑動軸承的承載面與軸線垂直,用以承受軸向載荷。圖10-6所示為常用的推力滑動軸承承載面的情況。圖10-6a所示為實心端面推力滑動軸承,這種軸承結構簡單,但是承載面沿直徑方向速度變化大,產生不均勻的磨損以后,導致壓強分布不均勻;圖10-6b所示為空心端面推力滑動軸承,靠近中心處不承載,避免了實心式結構的缺點;圖10-6c所示為單環式推力滑動軸承,可承受單向軸向載荷,承載面可利用徑向滑動軸承(圖10-2)的端面;圖10-6d所示為多環式推力滑動軸承,承載面積增大,承載能力提高,可承受雙向軸向載荷,但是各環之間載荷分布不均勻,承載能力受各環加工誤差的影響較大。圖10-6常用推力滑動軸承承載面的情況第二節滑動軸承的常用材料和結構三、推力滑動軸承結構圖10-7所示為徑向滑動軸承與推力滑動軸承的組合結構。軸端承載面采用鑲嵌結構,以利加工;軸瓦背面采用球面調心結構,可防止偏載,且軸瓦背面設有防轉銷。圖10-7徑向滑動軸承與推力滑動軸承的組合結構第二節滑動軸承的常用材料和結構四、軸瓦結構對應徑向滑動軸承結構,軸瓦也有整體式結構和剖分式結構。圖10-8所示為整體式軸瓦結構。為方便潤滑,可在軸瓦表面開設油孔和油溝。軸瓦端部可設置凸緣,作為推力滑動軸承的承載面。為防止軸瓦在軸承座中轉動,可設置防轉螺釘或防轉銷,如圖10-9所示。圖10-8整體式軸瓦結構第二節滑動軸承的常用材料和結構四、軸瓦結構圖10-9軸瓦防轉結構第二節滑動軸承的常用材料和結構四、軸瓦結構軸瓦可以用一種材料制造,也可以用兩種或三種材料制造。用兩種材料制造的雙金屬軸瓦是將軸承合金澆鑄在青銅或鋼制瓦背上,并經軋制或切削加工制成的。軸承合金與青銅材料結合牢固,但是青銅強度差,如果在軸承合金與青銅構成的軸瓦外再附上一層鋼制瓦背就成為三金屬軸瓦。為提高軸承合金與瓦背的結合強度,防止脫落,常在瓦背表面制出螺紋、凹槽及榫頭結構,如圖10-10所示。圖10-10瓦背內表面結構第二節滑動軸承的常用材料和結構四、軸瓦結構在軸瓦內設置油孔和油溝有助于潤滑劑充滿潤滑區域。對于工作在邊界潤滑狀態的滑動軸承,應將油溝開在承載區域,使承載區得到良好的潤滑。油溝不應過多、過寬,以免占用過多的承載面積,影響承載能力。對于工作在流體動壓潤滑狀態的滑動軸承,油孔和油溝不應開在承載區,而應開在收斂油楔的入口端。圖10-11表示開設在油膜承載區的油溝對油膜壓力分布的影響,其中圖10-11a表示油溝對周向壓力分布的影響,圖10-11b表示油溝對軸向壓力分布的影響。圖10-11承載區的油溝對動壓滑動軸承壓力分布的影響第二節滑動軸承的常用材料和結構四、軸瓦結構油溝位置應與載荷方向相對固定。如果載荷方向是固定的,油溝應開在固定零件上(通常為軸瓦),如果載荷方向是旋轉的,應將油溝開在旋轉零件上(通常為軸)。為提高徑向滑動軸承的油膜剛度和避免高速輕載軸承的振動,可在圓周方向布置多個油楔,形成圖10-12所示的多油楔軸承。圖10-12多油楔軸承第二節滑動軸承的常用材料和結構四、軸瓦結構要使推力滑動軸承表面形成流體動壓,需要在軸瓦表面加工出收斂的油楔,為保證推力軸承在起動和停止時有足夠的邊界潤滑承載能力,在軸瓦表面應留出一定面積的平臺。圖10-13所示為推力滑動軸承軸瓦形狀,其中圖10-13a所示的形狀用于單向旋轉的軸承,圖10-13b所示的形狀可用于雙向旋轉的軸承,圖10-13c所示為可傾瓦。軸瓦的方向可隨載荷情況自行調整,可在較大的參數范圍內適應載荷變化的要求。圖10-13推力滑動軸承軸瓦形狀第三節混合潤滑滑動軸承的工作能力設計

第三節混合潤滑滑動軸承的工作能力設計圖10-15摩擦特性曲線第三節混合潤滑滑動軸承的工作能力設計一、混合潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計圖10-16a所示為徑向滑動軸承主要結構尺寸示意圖。圖10-16滑動軸承主要結構尺寸示意圖a)徑向滑動軸承b)推力滑動軸承第三節混合潤滑滑動軸承的工作能力設計一、混合潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計

第三節混合潤滑滑動軸承的工作能力設計二、混合潤滑推力軸承的工作能力設計

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計流體潤滑滑動軸承可以通過靜壓原理,即通過液壓泵將一定壓力的潤滑油壓入滑動軸承與軸頸之間獲得,也可以通過流體動壓原理獲得。這里主要介紹流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作原理及其設計方法。第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計一、流體動壓潤滑的機理圖10-17流體動壓潤滑形成機理第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計一、流體動壓潤滑的機理

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計一、流體動壓潤滑的機理

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計一、流體動壓潤滑的機理

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計一、流體動壓潤滑的機理圖10-18收斂楔形間隙形成流體動壓潤滑示意圖第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計二、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的主要幾何參數

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計二、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的主要幾何參數3.偏位角θ和軸承包角β徑向滑動軸承穩定工作時,徑向外載荷F與軸承孔和軸頸中心連心線之間的夾角稱為偏位角,記作θ。軸承包角β一般為120°和180°等。4.最小油膜厚度hmin

hmin=δ-e=rψ(1-ε)(10-13)5.承載區內任意處的油膜厚度h≈R-r+ecosφ=δ(1+εcosφ)(10-14)第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計圖10-19流體動壓潤滑徑向滑動軸承穩定工作狀態下的幾何參數及起動過程第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計圖10-20軸承包角180°時,S0-ε的關系曲線第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計2.熱平衡計算根據能量守恒的原理,單位時間內軸承產生的熱量H1應與散出的熱量H2相等。軸承的熱量主要是流體內部的摩擦熱即H1=fFv=Pf(10-17)式中,f為潤滑油的液體摩擦因數;F為軸承徑向外載荷(N);v為軸頸的切線速度(m/s);Pf為軸承的摩擦功耗(W)。滑動軸承的散熱包括兩個方面:一部分通過流動的潤滑油帶走,另一部分通過熱對流和輻射從軸承座擴散到空氣中。所以,單位時間散熱為H2=(Qρcp+αsπdB)Δt(10-18)式中,Q為潤滑油的流量(m3/s),且Q=qVωψd3,其中qV為流量系數,如圖10-21所示;ρ為潤滑油密度(kg/m3),礦物油ρ=850~900kg/m3;cp為潤滑油比定壓熱容[J/(kg·℃)],礦物油為1675~2090J/(kg·℃);αs為軸承的散熱系數[W/(m2·℃)],輕型軸承或環境溫度高、軸承散熱困難的情況下,αs=50,中型軸承或一般通風條件下的軸承,αs=80,重型軸承或冷卻和通風條件良好的軸承,αs=140;d為軸頸的直徑(m);B為軸承寬度(m);Δt為軸承的溫升,Δt=to-ti,to、ti分別為潤滑油的出口溫度(℃)和入口溫度(°C)。第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計圖10-21軸承包角180°時,qV-ε的關系曲線第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計3.形成流體動壓潤滑所需最小油膜厚度由于軸承和軸頸的加工表面具有一定的表面粗糙度,為實現流體動壓潤滑狀態,要保證軸承正常工作時的最小油膜厚度,即hmin≥[hmin](10-20)[hmin]=S(Rz1+Rz2)(10-21)

式中,S為考慮零件表面幾何形狀不準確和變形的安全系數,一般取S≥2;Rz1、Rz2分別為軸頸與軸承內表面的表面輪廓最大高度(μm),參見表10-2。第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計三、流體動壓潤滑徑向滑動軸承的工作能力設計4.流體動壓潤滑徑向滑動軸承的設計步驟當已知軸承的工作載荷、轉速時,軸承的基本尺寸(B,d,ψ)、潤滑油牌號可初步選定,然后按圖10-23所示的步驟進行設計。圖10-23流體動壓徑向滑動軸承設計的一般步驟第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計四、流體動壓潤滑徑向滑動軸承主要參數的選擇

第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計四、流體動壓潤滑徑向滑動軸承主要參數的選擇2.軸承的寬徑比B/d軸承寬徑比大,承載能力強,但由于潤滑油端泄受到影響,而使軸承的散熱能力降低;反之,雖然取較小的寬徑比會提高軸承的散熱能力,但軸承的承載能力相對降低。因此,B/d不應小于0.25。一般情況取B/d≈1。常用機器中滑動軸承的寬徑比可參考表10-3。不同工況下的寬徑比見表10-4。第四節流體動壓潤滑滑動軸承的工作能力設計四、流體動壓潤滑徑向滑動軸承主要參數的選擇3.潤滑油黏度η的選擇潤滑油黏度對軸承的承載能力和溫升都有重要影響。一般重載低速、軸承工作表面粗糙或未經磨合的表面、軸承間隙較大時采用黏度高的潤滑油,使之易形成油膜,并具有高的承載能力。另外,在工