第四篇 轴系零部件

1. 第四篇 轴系零部件 轴系：轴、轴承（滑动轴承、滚动轴承）、 联轴器及离合器 第十二章 滑动轴承 12-1 摩擦学概述 摩擦学：即研究摩擦、磨损及润滑的科学。 摩擦、磨损及润滑三者之间的关系： 作相对运动的两物体接触面间必然产生 摩擦；摩擦的结果必然产生磨损；而减少摩 擦、磨损的有效措施是润滑。

2. 一、 摩擦 （一） 摩擦表面的摩擦状态 1. 干摩擦：两摩擦表面直接接触，不加入任何摩擦剂的摩擦。 干摩擦的摩擦阻力最大，磨损最严重，使用 寿命最短，必须避免。 2. 边界摩擦：摩擦表面间存在润滑油，金属表面与润滑油作用形成 一层很薄的边界膜（1m)，保护金属，这种摩擦称为边界摩擦。 边界摩擦不能完全避免金属的 直接接触，因此仍有磨损产生。

3. 边界膜分为： • 物理吸附膜：利用油中的极性分子牢固的 • 吸附在金属表面形成表面吸附膜（分子间的 • 吸附力）； • 化学吸附膜：利用化学键力形成金属皂膜（吸附在金属表面原子间的吸附力）； • 化学反应膜：油中的S、P、cl 元素与金属表面在（150º∼200ºC）形成化合物。 前两种吸附膜构成润滑油的——油性 油性的好坏取决于油中所含活性物质： 动物油>植物油>矿物油 后一种膜构成润滑油的——极压性

4. Ra1 hmin Ra2 表面粗糙度均方根值 最小油膜厚度 膜厚比： 表面轮廓 算术平均值 3. 混合摩擦：随着摩擦面油膜厚度的增大，表面不平度凸峰接触数量在缩小，形成的油膜 比重增加。

5. 边界摩擦 =1∼5 混合摩擦  增加，油膜厚度增加 >5 液体摩擦 混合摩擦时，仍不能避免金属的直接接触，仍存在摩擦，但比边界磨损小得多。 4. 液体摩擦：摩擦面间的油膜 厚度大到将两表面的不平度凸峰 完全分开,即为完全液体摩擦。 非液体摩擦：混合摩擦，边界摩擦，干摩擦。

6. 磨损量 时间 III II I (二）磨损 磨损曲线：机械零件的磨损过程分为三个 阶段。 1. 跑合磨损阶（I）：由于表面粗糙度，致使接触面积小，单位面积上的载荷大，因此磨损速度很快。 2. 稳定（正常）磨损阶段（II）：磨损过程平稳而又缓慢，标志零件的耐磨寿命。

7. 3. 剧烈（崩溃）磨损阶段（III）：磨损速度急剧增长，间隙增大，振动、噪声增大，精度下降，以致报废。 设计时要尽量缩短跑合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损期的到来。 （三） 润滑 1. 润滑的目的：能降低摩擦、减少磨损，还能防锈、防尘、冷却、缓冲吸振。 2. 润滑剂及其选择： 润滑剂：液体（油、水、液态金属） 气体（空气等） 半固体（润滑脂） 固体（石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯）

8. v v A F 0 x y dy y dx B (1) 润滑油：三大类：有机油、矿物油、合成油。 主要性能指标： <1> 粘度：流体抵抗变形的能力（流体内摩擦力阻力的大小） 两平行平板间充满润滑油，拖动上平板A，且润滑油作层流流动，油层间的剪应力与速度梯度（速度变化率）成正比。 ——粘性定律

9. 表达式： F=1N V=1m/s 1m 1m 1m 式中：“-”表示油层速度v随y的增大而减小。 ——比例常数，即流体的动力粘度。 牛顿液体：服从粘性定律的液体。 a) 动力粘度（绝对粘度） 单位： 国际单位制（SI） Pa· S 绝对单位制（C.G.S) P=100cP 换算： 1Pa·S=10P=1000cP

10. 单位：我国采用恩氏度 当200ml待测油在规定温度t 流过恩氏粘度计所需时间与同体积蒸馏水在20ºc时流过粘度计所需时间之比。 b) 运动粘度：动力粘度与同温度下该 液体的密度的比值。 国际单位制（SI）m²/s 绝对单位制（C.G.S)St 1St=100cSt 我国的石油产品是用运动粘度来标定的。 换算： 1m²/s=104St=106cSt c) 相对粘度（条件粘度）

11. [例]：求50ºc时50号机械油的动力粘度。 =50 cSt  =900 kg/m³ 1cSt=10-6m²/s = = 50×10-6×900=0.045 Pa· s 粘度的性质： 粘—温性：粘度随温度升高而显著降低。(图4—9)

12. 润滑油的选择 ： • 转速高，比压小时，选低的油；转速低，比压 • 大时选高的油。 • 高温时选粘度高些的油。 具体选择时按图表选取。 粘—压性：粘度随压力升高而增高，但一般(<100MPa)时变化很小，忽略不计。对于高副 接触时（齿轮啮合处压力达4000MPa)不可忽略。 <2> 其他性质： 油性与极压性；氧化稳定性；闪点；凝固点。

13. (2) 润滑脂： 润滑油与稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂） 的膏状混合物。 类型： • 钙基脂：抗水性好，耐热性差。 • 工作温度不超过55∼65 ºc • 钠基脂：耐热性好，抗水性差。 • 工作温度可达120 ºc • 锂基脂：既抗水又耐高温(<145 ºc) • 为多用途润滑脂。 • 铝基脂：抗水性好，吸附能力强， • 防锈作用好。

14. 主要性能指标： • 针入度及稠度：重1.5N的标准锥体，在25ºc下，5秒刺入润滑脂的深度。针入度小,不易从摩擦面挤出，承载能力强，密封性好，但摩擦阻力大，填充性差。 • 滴点：润滑脂从标准测量杯的孔里滴下第一滴时的 • 温度。标志其耐高温性能。 润滑脂的选择： • 单位压力高、滑动速度低时，选择针入度小的品种； • 反之,选择针入度大的品种。 • 所用润滑脂 的滴点应高于轴承工作温度20∼30ºc。 • 在水淋及潮湿的环境下，选用钙基脂及铝基脂；在 • 温度较高处选用钠基、锂基或复合钙基脂。 • 具体选择时可参考表。

15. (3) 添加剂：改善润滑油及润滑脂的性能，以适应恶劣的工作条件： 高温、低温、重载、真空等。 • 分散净化剂：使内燃机汽缸、曲轴箱中因氧化生成的胶状物分散，避免其粘着、卡死或过度磨损。 • 抗氧化剂：防止润滑油氧化变质，腐蚀零件。 • 油性添加剂：提高油膜强度，保证边界润滑状态。 • 极压及抗磨添加剂：在金属表面形成一层熔点高，剪切强度低的保护膜，以减轻磨损。 • 降凝剂：严寒地区或低温机械（冷冻机）。 • 增粘剂：改善粘—温特性，使油高温不变稀,低温不致过稠。

16. 3. 润滑方法 (1) 油润滑方法：分散润滑及集中润滑 a) 分散润滑：连续的或间歇的，有压的或无压的 • 手工加油润滑：油孔，自动关闭式铰链油杯，旋套式油杯，压注油杯 • 手动式滴油油杯润滑：作为重要轴承的辅助润滑 • 油芯式油杯润滑 • 针阀式油杯润滑 • 带油润滑：油链、油轮（水平轴，直径为25∼50mm） • 油浴润滑及飞溅润滑：5m/s<v<12∼13m/s • 喷油润滑：喷咀（减少搅油损失） v>12∼15m/s • 油雾润滑：油雾器

17. 滑动轴承的润滑方法可以根据系数 k选定。 b) 集中润滑：一台机器的许多润滑点由一个润滑系统来同时润滑。 (2) 润滑脂 • 预填油脂润滑 • 手工涂抹润滑 • 润滑脂杯润滑 • 连续压注油杯润滑 (3) 润滑方法的选择 式中：p=F/dB 平均压强（N/mm²） v——轴颈线速度（m/s） k2 用润滑脂，油杯润滑； k>2∼16 针阀式油杯润滑； k>16∼32 油链或油轮润滑； k>32 压力润滑。

18. 12-2 滑动轴承概述 滑动轴承是支承轴的零件。 一、类型 1. 按摩擦性质分：滑动摩擦轴承、滚动摩擦轴承。 2. 按承受载荷的方向分： 向心轴承（承受径向载荷） 推力轴承（承受轴向载荷） 向心推力轴承（同时承受径向和轴向载荷） 二、特点及应用 注意：一般尽量采用滚动轴承；某些特殊场合（高速、重载、冲击、精密及一些不太重要的场合）采用滑动轴承。

19. 工作转速特高的轴承； • 要求对轴的支承位置特别精确的轴承； • 特重型轴承； • 承受巨大的冲击和振动载荷的轴承； • 要求制成剖分式的轴承； • 要求径向尺寸较小的轴承； • 特殊工作条件下（水、腐蚀性介质）工作的轴承； 三、滑动轴承设计 1.轴承型式和结构的确定； 2.轴瓦结构和材料的选择； 3.润滑剂及润滑方法的选择； 4.轴承的工作能力计算。

20. 12-3 滑动轴承的典型结构 （一）向心滑动轴承的结构 1. 整体式： 特点：结构简单；拆装不便；磨损后间隙无法调整； 应用：低速轻载或间歇工作。

21. 2. 对开式：（剖分式） 特点：拆装方便；间隙可通过加减垫片调整 应用：广泛。

22. 双油楔椭圆轴承和双油楔错位轴承示意图： 3. 椭圆轴承，多油楔轴承，可倾瓦轴承

23. 三油楔和四油楔轴承示意图：

24. 可倾瓦多油楔径向轴承示意图： 特点：由几个承载油楔共同作用，维持轴较稳定运转。 应用：液体摩擦滑动轴承(重要)

25. （二）推力滑动轴承的结构 1. 固定式：实心式，单环式，空心式，多环式

26. 2. 多油楔式，可倾扇面式 ——易形成液体润滑 可倾瓦止推轴承示意图：

27. 12-4 轴瓦的材料和结构 轴瓦是轴承上直接与轴颈接触的零件。轴瓦表面既承受载荷又是摩擦面，因此轴瓦是轴承的重要组成部分。 （一）轴瓦的材料 1. 对轴瓦材料的主要要求 • 摩擦系数小，磨损小； • 抗粘着性好； • 适应性好：硬度低,塑性好,弹性系数低的材料 • 适应性好； • 容纳异物的能力； • 抗疲劳性好；减薄轴承合金的厚度，制成轴承衬； • 强度：抗压强度，疲劳强度，抗冲击能力； • 抗腐蚀性； • 价格及来源。

28. 软基体 硬颗粒 2. 常用的轴瓦材料 1) 轴承合金（巴氏合金）——轴承衬材料 锡基：以锡为基本成分加入适量锑、铜。 如：ZChSnSb10—6 铅基：以铅为基本成分加入适量锡、锑。 如：ZChPbSn16—16—2 2) 铜合金——常用轴瓦材料 均为优良的轴承材料，但锡基抗腐蚀性、抗粘着性好；而铅基抗腐蚀性较差。

29. 铸造锡磷青铜 • 如：ZCuSn10P1 性能最好的铜合金。 • 铸造锡锌铅青铜 如ZCuSn5Pb5Zn5 • 铸造铅青铜 • 如 ZCuPb30 用于双金属或三金属轴瓦。 • 铸造黄铜 如ZCuZn16Si4或ZCuZn40Mn2 • 用于滑动速度不高的轴瓦。 • 铸造铝青铜 如 ZCu10Fe3 强度高，硬度高， • 与淬硬且表面光洁度高的轴颈配用。 3) 铝合金——双金属轴瓦 如2%铝锡合金强度高，耐腐蚀，导热性好； 轴颈表面必须具有高硬度、高表面光洁度。 4) 铸铁：耐磨铸铁，球墨铸铁。 轻载、低速轴承的轴瓦材料。

30. 5) 多孔质金属材料（含油轴承）——多孔质结构， 具有自润滑作用。 用于平稳无冲击载荷，中、小速度下。 6) 其他非金属材料 如石墨、橡胶、酚醛胶布、尼龙 见表12—2 (金属材料） 表12—3 (非金属材料） （二）轴瓦的结构 已标准化，可直接由手册中查出（自学） 要点： 1. 轴瓦的形式和结构 常用的轴瓦有整体式和对开式两种结构。

31. 2. 轴瓦的定位 轴向定位——两端凸缘； 周向定位——紧定螺钉、销钉。 3. 油孔及油槽：使油可靠地流到摩擦面。 轴向油槽——单轴向油槽、双轴向油槽 周向油槽——宽度一定时，设有周向油槽轴承 的承载能力低于设有轴向油槽的轴承。

32. 12-5 不完全液体润滑滑动轴承的设计计算 不完全液体润滑滑动轴承用于：速度较低、载荷不大、工作要求不高的场合。 一、 径向滑动轴承的计算 （一）主要失效形式：磨损 （二）设计准则：保持边界膜，防止过度磨损 （三）设计计算 已知条件：d(轴颈直径)、n (转速)、P(轴承载荷) 设计步骤： 1.确定轴承类型，选择轴瓦材料 表12—2、表12—3 2.确定轴瓦宽度B：选定B/ d，根据已知d即可定B

33. F • 比压p的验算：防止过度磨损 n d 式中：[p]——轴瓦材料的许用比压。查表12—2、表12—3 B 3. 轴承工作能力验算 • f pV值验算（f 为摩擦系数）： • 限制轴承表面发热量，防止边界膜破裂

34. 轴颈圆周速度V的验算：限制由于安装误差，使轴承边缘压力增大，当V过大时，造成轴承边缘工作温度过高。轴颈圆周速度V的验算：限制由于安装误差，使轴承边缘压力增大，当V过大时，造成轴承边缘工作温度过高。 4. 选择轴承的配合 根据不同使用要求，保证一定的旋转精度，按表12—4合理选择轴承的配合，以保证一定的间隙。

35. 二、止推滑动轴承的计算 1. 验算轴承的平均压力 Fa—轴向载荷，N z—环的数目 [p]许用压力，Mpa 见表12—7

36. 2. 验算轴承的pV值 式中：b—轴颈环形工作宽度，mm n—轴颈的转速，r/min V—轴颈的圆周速度，m/s [pV]—pV 的许用值，MPa· m/s , 见表12—7

37. 12-6 流体动力润滑径向滑动轴承设计计算 按摩擦表面间油膜形成原理分为： 流体动力润滑——动压轴承 流体静力润滑——静压轴承 （一）流体动力润滑的基本方程（雷诺方程） 基本方程：建立流体动力润滑的条件；油膜压力的分布情况。 两平板被一层油膜完全隔开，一定， A（动板），B（定板），取一微单元体。

38. A v x z y B • 假定： • 层流 • 沿Z轴方向无流动 • 流体不可压缩 • 忽略流体的惯性力和重力 • 粘度与压力无关 • 相对运动表面为理想光滑表面

39. dxdz dz dx pdydz dy 沿x方向的平衡条件：x=0

41. 根据无侧漏条件及流量连续性定理，在单位时间内流过各剖面的流量应相等，任意剖面上的流量为根据无侧漏条件及流量连续性定理，在单位时间内流过各剖面的流量应相等，任意剖面上的流量为 沿油压最大处

42. P P P Q B P v  A 水楔 木楔 油楔 为什麽收敛性楔形间隙能形成动压油膜？平行间隙、发散性楔形间隙呢？

43. P=0 o x v A B 1. 平行间隙 油层速度沿y方向呈三角形分布，各截面流量、流速相同 没有油压，油膜不能承受载荷，接触面直接接触，无法实现液体摩擦。

44. P v x h0 V=0 y 2. 收敛性楔形间隙 油由大口进小口出，因为油不可压缩，流量守恒，所以油膜建立起油压，以保持流量守恒。 油压与外载荷P平衡。 各截面油层速度分布=线性分布+抛物线分布 该截面仅有速度流动没有压力流动，因此呈三角形分布。

45. 1.相对运动两表面间必须形成收敛性楔形间隙. 2. 相对运动两表面必须有一定的润滑速度V 当V下降到一定程度，不足以承受外载荷时，失效。 3. 流体必须有一定粘度，供油量充足。 同理可证：发散性楔形间隙，油膜亦不能建立油压。 结论：收敛性楔形间隙可以建立流体动压润滑。 建立流体动力润滑的条件：

46. （二）径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程 向心轴承建立液体动压润滑的过程可分为三个阶段： • 轴的启动阶段； • 不稳定润滑阶段： • 轴颈沿轴承内壁上爬，不时发生表面接触的摩擦； • 液体动压润滑运行阶段： • 这时由于转速足够高，带入到摩擦面间的油量充 • 足，能形成楔形油膜，将轴抬起。

47. n=0 n>>0 轴中心的位置将随着转速与载荷的不同而不断地 改变。

48. a F B/2 B/2 1 hmax w e o j0 R j r a j2 o1 h g z hmin h0 pmax （三）径向滑动轴承的几何关系和承载量系数

49. 1. 向心轴承的几何关系 用极坐标表示比较方便，oo1——极坐标轴。 轴承间隙：=D-d，=R-r, =/d=/r 偏位角a，液体动压油膜起始角1，终止角2 偏心距e，相对偏心距 油膜厚度h，最小油膜厚度hmin，最大比压处油膜厚度h0

50. 2. 承载量系数Cp 雷诺方程用极坐标表示：令dx=rd，V=r，将h,h0代入