第四篇 轴系零部件

1. 第四篇 轴系零部件 一、概述 1、分类 ① 按摩擦性质分 第十二章滑动轴承 相对运动为滑动的轴承 柴油机曲轴 汽轮机轴 凸轮轴等 滑动轴承（sliding bearing） 机床 汽车 机车等用 液体静压轴承（hydrostatic bearing） 相对运动为滚动的轴承 流体动压轴承（hydrodynamic bearing） 滚动轴承（rolling bearing） 滑动轴承

2. ② 按承受载荷的方向分 向心轴承（radial bearing） 主要承受径向载荷和不大的轴向载荷 推力轴承（thrust bearing） 只能承受轴向载荷 向心推力轴承（angular contact bearing） 既承受径向载荷又承受轴向载荷 滑动轴承

3. 2、应用 高速情况下滚动轴承的寿命大为降低 工作转速特别高的轴承 要求对轴的支承位置特别精确的轴承 特重型的轴承 滑动轴承影响精度的零件数少 单件生产，用滚动轴承成本高 承受巨大冲击振动载荷的轴承 油层的阻尼和吸振作用 根据使用要求必须做成剖分式的轴承 径向尺寸较小的轴承 特殊工作条件下工作的轴承 滑动轴承

4. 3、特点 工作平稳，可靠，无噪音，如能保证液体摩擦可大大减少摩擦损失和表面磨损，有一定的吸振能力，但起动摩擦阻力大。 4、轴承设计应解决的问题 决定轴承的结构和型式； 选择轴瓦和轴承衬的结构和材料； 轴承强度和刚度的计算； 润滑剂和润滑方式的选择； 保证润滑而考虑的温度、压力分布、轴承间隙； 轴承的热平衡计算。 滑动轴承

5. 二、滑动轴承的结构 1、径向滑动轴承的结构 ① 对开式滑动轴承 ② 整体式向心轴承 ③ 带锥形表面轴套的轴承 ④ 椭圆轴承和多油楔轴承 滑动轴承

6. 2、止推滑动轴承的结构 ① 固定式推力轴承 ② 可倾扇面推力轴承 滑动轴承

7. P↑、n↑、间隙小、表面粗糙、润滑不良等容易发生粘着 三、轴瓦材料和结构 能够适应轴的弯曲和几何形状误差的能力 硬度低、塑性好和弹性系数低的材料具有良好的适应性 摩擦副间摩擦系数小、耐磨 抗粘着性 尘土、金属磨屑能嵌入轴瓦材料中而不外露的性能 1、对轴瓦材料的要求 轴承合金，尽可能做得薄一些，有利于提高疲劳寿命 适应性 用双金属、三金属的轴瓦结构可以提高强度 容纳异物的能力 含锡成分的材料、铝合金等可减轻腐蚀 抗疲劳性 强度 抗腐蚀性 滑动轴承

8. 含有片状或球状石墨，可起润滑作用 用于低速轻载或开式传动的轴承 2、轴瓦材料 抗腐蚀性好，抗胶合能力强 适用于高速重载 抗胶合能力差，热膨胀性差，脆 ② 轴承合金（巴氏合金）（bearing alloy） 适于中速中载 ① 铸铁（cast iron） 锡基轴承合金（ZChSnSb11—6） 铅基轴承合金（ZChPbSb16—16—2） 用作整体式轴瓦及轴套 用于高速重载 ③ 铜合金（copper base alloy） 铸造铅青铜（ZCuPb30） 强度最高，硬度较高，但容纳异物和适应性差 用作整体式轴瓦及轴套 铸造锡锌铅青铜（ZCuSn5Pb5Zn5） 用于滑动速度不高的轴承 用于低速重载 铸造锡磷青铜（ZCuSn10P1） 铸造铝青铜（ZCuAl10Fe3） 铸造黄铜（ZCuZn16Si4、ZCuZn40Mn2） 滑动轴承

9. ④ 铝合金（aluminum base alloy） 强度高，耐腐蚀，导热性好，但要求轴颈有高硬度、低表面粗糙度 柴油机曲轴瓦用 ⑥ 非金属材料 石墨（plumbago） 橡胶（rubber） 陶瓷 ⑤ 粉末冶金（powder metallurgy） 自润滑原理： 轴颈转动时的抽吸作用； 轴和油的热胀，把油挤入摩擦表面。 韧性小，抗冲击振动能力差 适用于载荷平稳、中小速度或润滑条件较差的场合 酚醛树脂（phenolic resin） 尼龙（nylon） 滑动轴承

10. 3、轴瓦的结构 用铸造方式铸造，内表面可附有轴承衬 ① 整体式 整体铸造 用双金属板轧制等新工艺进行大批量生产 单层、双金属或三金属的卷制 质量稳定，成本低，但轴瓦刚性小 在钢背和轴瓦之间再加一中间层，以提高表层强度 ② 剖分式 厚壁轴瓦 薄壁轴瓦 三金属 滑动轴承

11. 不同材料的组合，用于不同的工况： 用于压力很大及转速很高处 用于承受平稳载荷处 用于高压力、高转速和有冲击载荷处 钢背与紫铜 用于陡震和冲击载荷处 用于低转速和有振动处 钢背与铅青铜或巴氏合金 青铜背与巴氏合金 铸铁背与巴氏合金 铸钢背与巴氏合金 ③ 轴瓦的定位 做出凸缘作轴向定位 用紧定螺钉 用销钉 轴瓦剖分面上冲出定位唇 滑动轴承

12. 4、油孔和油沟 径向载荷相对轴承不转时，开在轴承上 径向载荷相对轴承转动时，开在轴上 油槽的长度稍短于轴瓦的长度 B／d 较大、可靠性要求高的轴承，应开设油槽 轴线水平的轴承，开在非承载区的半环 开设全环，宜开在靠近轴承的两个端部 B／d 较小的轴承，只需开一个油孔； 开设油槽的原则： 油槽开在有利于供油，免于降低轴承承载能力的地方 全环油槽宜开在轴承的上端 由下向上吸油时，可开螺旋油槽 纵向油槽 环形油槽 竖直放置的轴承 油槽的剖面形状，应避免边缘有锐边及棱角 滑动轴承

13. 四、不完全液体摩擦滑动轴承的设计计算 工作要求不高，速度较低，载荷不大，难于维护的轴承 1、失效形式和设计准则 磨损：磨料磨损 滑动轴承

14. 1、失效形式和设计准则（续） 磨损：疲劳磨损 滑动轴承

15. 1、失效形式和设计准则（续） 磨损：腐蚀 滑动轴承

16. 保证两摩擦面（轴颈和轴瓦）间有一层边界润滑油膜保证两摩擦面（轴颈和轴瓦）间有一层边界润滑油膜 设计准则： 2、径向滑动轴承设计计算 已知：在轴的结构设计中得到的轴径d，轴颈转速n，轴颈载荷F ① 确定轴承的基本结构 根据工作条件和使用要求，确定轴承结构形式，选择轴瓦材料，确定轴承的宽度。 滑动轴承

17. 验算p 解决什么问题？ ② 验算轴承的平均压力p 限制p v就是防止油温过高 验算p v 限制什么？ 保证油膜不被破坏，保证润滑，减少磨损 ③ 验算轴承的pv值 p＝F／Bd≤[p] 滑动速度过高，也会加速磨损而报废 验算v 限制什么？ ④ 验算滑动速度v v≤[v] ⑤ 选择轴承的配合 保证一定的间隙，保证旋转精度，一般选： 滑动轴承

18. Fa—轴向载荷 z—支承面数目 d1—轴承孔直径 d2—轴环直径 n—轴颈转速 [p]—许用压力 [pv]—pv的许用值 3、止推滑动轴承设计计算 已知：轴向载荷Fa，转速n ① 根据载荷Fa的大小、方向及空间尺寸等选择轴承结构型式 实心式、空心式 单环式、多环式 ② 根据轴的结构设计初定轴颈基本尺寸 ③ 压力p 的验算 ④ pvm的验算 滑动轴承

19. 五、流体动力润滑径向滑动轴承的设计 1、流体动力润滑理论的基本方程 假设：流体流动具有层流性质 流体不可压缩 流体的重力、惯性力不计 流体的粘度为常量，与压力无关 流体沿厚度（y）方向油压为常数 运动表面为光滑表面 流体与平板面间无相对滑动 滑动轴承

20. 左、右面的压力 和p 上、下面的剪切力 油膜内 沿x 轴的压力变化率和 沿y 轴的剪切力变化率 相等 τ和 x方向的平衡： 滑动轴承

21. 边界条件： y＝0时，u＝v； y＝h（油膜厚度）时，u＝0 代入牛顿粘性液体摩擦定律 流体动力润滑理论的基本方程 油层速度分布： 前一项呈线性分布，由板的运动引起的； 后一项呈抛物线分布，由油压沿x方向的变化引起的。 ① 油层的速度分布 对y 两次积分得 C2＝v 滑动轴承

22. ② 润滑油的流量 ③ 无限长动压轴承的基本方程 流体力学的无侧漏条件和流量连续性定理 滑动轴承

23. 在p＝pmax剖面处油膜厚度为h0，其沿y方向的速度变化呈线性分布，则流量为：q＝vh0／2在p＝pmax剖面处油膜厚度为h0，其沿y方向的速度变化呈线性分布，则流量为：q＝vh0／2 无限长动压轴承的基本方程： 滑动轴承

24. ④ 讨论 入口和出口压力相等 建立不起承载能力 • 若h＝h0 • 沿x方向油膜厚度线性变化 压力逐渐增大 在h＞h0段（原点起） 压力逐渐减小 在h＜h0段 油膜沿x方向各处的压力都大于入口和出口压力，能承受载荷 滑动轴承

25. 速度分析： 入口段： 凹形抛物线 出口段： 凸形抛物线 滑动轴承

26. 油膜能承受外载荷的条件： • 相对运动表面必须形成收敛的楔形空间； • 两表面必须有一定的相对滑动速度，且能把油从大口带入小口； • 润滑油必须有一定的粘度，供油充分。 滑动轴承

27. 2、径向轴承动压润滑的建立 • 转动开始，摩擦力迫使轴颈向摩擦力方向偏移； • 静止时，自然形成弯曲的楔形空间 轴颈中心与孔的中心是否会重合？ • 转速的提高，带入的油量增大，压力也逐渐增大，推动轴颈向速度方向偏移，并逐渐向上托起； • 转速的增大，使压力继续增大，进一步把轴颈推向轴承的中心，直到与外载荷平衡。 滑动轴承

28. 3、承载能力与轴承的宽径比 侧漏比例小 承载能力提高 宽径比大 温度升高 带走的摩擦热小 粘度降低 承载能力下降 为什么是这个结果？ 高速重载温升高，易选小宽径比； 低速重载，为提高整体刚性，易选大宽径比； 高速轻载，对刚性无过高要求的，选小宽径比； 对刚性有较高要求的，选大宽径比。 滑动轴承

29. 4、轴承的间隙 Δ＝D－d δ＝R－r 半径间隙δ： 直径间隙Δ： 间隙的选择原则： • 载荷越大，要求最小间隙越小时，直径间隙应选小一些； • 转速越高，要求最小间隙越大时，直径间隙应选大一些； • 要求旋转精度高的轴承，直径间隙选小一些； • 材料的膨胀系数大，直径间隙应选大一些。 滑动轴承

30. 5、最小油膜厚度和承载能力 ψ＝Δ／d＝δ／r ① 油膜厚度 相对间隙 偏心距 e 轴颈中心与轴承中心的距离 χ＝e／δ 相对偏心距 e＝χδ 最小油膜厚度为： hmin＝δ―e＝δ（1―χ） ＝rψ（1―χ） 滑动轴承

31. o a e R o1 r φ h 任意极角φ处的油膜厚度h 压力最大处的油膜厚度为 滑动轴承

32. ② 任意极角φ处的液体动压力 动压始于φ1终止于φ2，则 滑动轴承

33. ③ 外载方向上的总动压力 滑动轴承

34. ④ 承载能力 理论上，F＝pyB，但是，由于轴承存在侧漏，压力沿轴承宽度方向呈抛物线规律分布。 Cp——承载量系数，其值与包角α、宽径比和相对偏心距 χ 有关。 滑动轴承

35. ⑤ 最小油膜厚度 因为： 当α给定时，而hmin＝rψ（1―χ） χ 越大 hmin越小 Cp越大 F越大 • 尽量减小hmin，但是，hmin受限： • 轴颈和轴承表面粗糙度 • 轴的刚性 • 轴承与轴颈的几何形状误差。 hmin≥[h]＝S（Rz1+Rz2） 滑动轴承

36. 6、轴承中的摩擦系数 液体摩擦的摩擦力： 油层面积 A＝π d B速度梯度 滑动轴承

37. 7、轴承的耗油量 供油为了补充端泄的油； 充足的供油是产生液体摩擦的必要条件； 过大供油会加大摩擦阻力，降低机械效率。 一般根据（χ，B／d）直接查图 滑动轴承

38. 8、轴承的热平衡计算 摩擦产生的热量：Q＝f p v 流动油带走的热量：Q1＝q ρ c（to－ti） 轴承散逸的热量：Q2＝αsπ d B（to－ti） 热平衡：fpv＝q ρc(to－ti)+ αsπd B（to－ti） 平均温度： tm＝0.5（to +ti）≤75℃ 不平衡的处理： 加冷却水套 在非承载区开油沟，加快热量传导 滑动轴承

39. 六、润滑剂的选择 润滑剂的主要作用 • 不完全液体摩擦：降低摩擦，减少磨损，提高轴承效率； • 液体摩擦：是工作介质，也起冷却作用。 1、润滑脂 用于非全液体摩擦轴承中要求不高，难以经常供油，或者特别低速重载、摇摆运动。 滑动轴承

40. 选用原则 • 压力高，滑动速度低时，选择针入度小的润滑脂； • 所选润滑脂的滴点应高于工作温度约20～30℃； • 有水或潮湿的地方，应选用防水性强的钙基和铅基脂； • 温度较高处应选用耐高温的润滑脂。 滑动轴承

41. 2、润滑油 • 选用原则 • 转速高，压力小时用粘度较低的油，反之用高粘度油； • 在较高温度条件下（t＞60℃）工作的轴承，选用粘度高一些的油； • 温差变化较大的场合，应选用粘—温性能较好的油。 3、空气润滑剂 主要用于高速滑动轴承。 滑动轴承

42. 3、空气润滑剂 主要用于高速滑动轴承。 滑动轴承