第 12 章 滑动轴承

1. 第12章 滑动轴承 §12-1滑动轴承概述 §12-2滑动轴承的典型结构 §12-3滑动轴承的失效形式及常用材料 §12-4滑动轴承轴瓦结构 §12-5滑动轴承润滑剂的选择 §12-6不完全液体润滑滑动轴承的设计计算 §12-7液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算 §12-8其它形式滑动轴承简介

2. 优点多，应用广 用于高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合。 §12-1滑动轴承概述 轴承的功用：用来支承轴及轴上零件 。 一、轴承的基本要求 1．能承担一定的载荷，具有一定的强度和刚度。 2．具有小的摩擦力矩，使回转件转动灵活。 3．具有一定的支承精度，保证被支承零件的回转精度。 二、轴承的分类 滚动轴承 按摩擦性质分 滑动轴承 分 类 向心(径向)轴承 按受载方向分 推力(止推)轴承 向心推力(径向止推)轴承 按润滑状态分 不完全液体润滑滑动轴承 不完全液体润滑滑动轴承

3. 三、滑动轴承的应用领域 1.工作转速特高的轴承，汽轮发电机； 2.要求对轴的支承位置特别精确的轴承，如精密磨床； 3.特重型的轴承，如水轮发电机； 4.承受巨大冲击和振动载荷的轴承，如破碎机； 5.根据装配要求必须做成剖分式的轴承，如曲轴轴承； 6.在特殊条件下（如水中、或腐蚀介质）工作的轴承， 如舰艇螺旋桨推进器的轴承； 7.轴承处径向尺寸受到限制时，可采用滑动轴承。 如多辊轧钢机。 四、滑动轴承的设计内容 轴承的型式和结构选择；轴瓦的结构和材料选择；轴承的结构参数设计润滑剂及其供应量的确定；轴承工作能力及热平衡计算。

4. §12-2 滑动轴承的结构型式 一、 向心滑动轴承 油杯孔 轴承座 1) 整体式向心滑动轴承 轴承 组成：轴承座、轴套或轴瓦等。 特点： 1)结构简单，成本低廉。 2)因磨损而造成的间隙无法调整。 3)只能从沿轴向装入或拆。 应用： 低速、轻载或间歇性工作的机器中。

5. 榫口 2) 剖分式向心滑动轴承 螺纹孔 将轴承座或轴瓦分离制造，两部分用联接螺栓。 联接螺栓 特点：结构复杂，可以调整因磨损而造成的间隙，安装方便。 轴承盖 剖分轴瓦 轴承座 应用场合： 低速、轻载或间歇性工作的机器。 剖分式向心滑动轴承

6. F F F F 1 2 1 1 2 1 2 2 二、 推力滑动轴承 作用：用来承受轴向载荷 结构形式： 空心式---轴颈接触面上压力分布较均匀，润滑条件比 实心式要好。 单环式---利用轴颈的环形端面止推，结构简单，润滑 方便，广泛用于低速、轻载的场合。 多环式---不仅能承受较大的轴向载荷，有时还可承受 双向轴向载荷。 各环间载荷分布不均，其单位面积的承载能力比单环式低50%。

7. F F F 绕此边线自行倾斜 结构特点： 在轴的端面、轴肩或安装圆盘做成止推面。在止推环形面上，分布有若干有楔角的扇形快。其数量一般为6~12。 用来承受停车后的载荷。 ---倾角固定，顶部预留平台， 固定式 类型 ---倾角随载荷、转速自行 调整，性能好。 可倾式 巴氏合金

8. §12-3滑动轴承的失效形式及常用材料 一、滑动轴承常见失效形式 磨粒磨损----进入轴承间隙的硬颗粒有的随轴一起转动，对轴承表面起研磨作用。 刮伤----进入轴承间隙的硬颗粒或轴径表面粗糙的微观轮廓尖峰，在轴承表面划出线状伤痕。 胶合----当瞬时温升过高，载荷过大，油膜破裂时或供油不足时，轴承表面材料发生粘附和迁移，造成轴承损伤。 疲劳剥落----在载荷得反复作用下，轴承表面出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹，扩展后造成轴承材料剥落。 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，材料腐蚀易形成点状剥落。

9. 轴瓦磨损 表面划伤 疲劳点蚀 其它失效形式: 气蚀---气流冲蚀零件表面引起的机械磨损； 流体侵蚀---流体冲蚀零件表面引起的机械磨损； 电侵蚀---电化学或电离作用引起的机械磨损； 微动磨损----发生在名义上相对静止，实际上存在循环 的微幅相对运动的两个紧密接触的表面上。 轴瓦失效实例:

10. 汽车用滑动轴承故障原因的平均比率 故障原因 不干净 润滑油不足 安装误差 对中不良 超　载 比率／％ 38.3 11.1 15.9 8.1 6.0 故障原因 腐　蚀 制造精度低 气　蚀 其　它 比率／％ 5.6 5.5 2.8 6.7 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。 (一)轴承材料性能的要求 1) 减摩性----材料副具有较低的摩擦系数。 2) 耐磨性----材料的抗磨性能，通常以磨损率表示。 3) 抗胶合----材料的耐热性与抗粘附性。 4) 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。 5) 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。 6) 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。

11. 轴承衬 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。 能同时满足这些要求的材料是难找的，但应根据具体情况主要的使用要求。 工程上常用浇铸或压合的方法将两种不同的金属组合在一起，性能上取长补短。 (二)常用轴承材料 轴承合金 铜合金 金属材料 铝基轴承合金 滑动轴承材料 铸铁 多孔质金属材料 工程塑料 碳—石墨 非金属材料 橡胶 木材

12. 1) 轴承合金（白合金、巴氏合金） 是锡、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； 只能作为轴承衬材料浇注在钢、铸铁、或青铜轴瓦上。 工作温度：t<120℃由于巴式合金熔点低

13. 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、与之相配的轴径必须淬硬。 青铜可以单独制成轴瓦，也可以作为轴承衬浇注在钢或铸铁轴瓦上。 锡青铜 →中速重载 铅青铜 →中速中载 →低速重载 铝青铜 3）铝基合金 铝锡合金： 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。

14. 5) 多孔质金属材料 运转时轴瓦温度升高，由于油的膨胀系数比金属大， 油自动进入摩擦表面起到润滑作用。含油轴承加一次油，可使用较长时间。 含油轴承： 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。 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的优点。 缺点：导热性差、膨胀系数大、容易变形。为改善此 缺陷，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。

15. 表12-1 常用轴瓦及轴承衬材料的性能

16. 续表12-1 常用轴瓦及轴承衬材料的性能

17. §12-4滑动轴承轴瓦结构 整体轴套 对开式轴瓦 一、轴瓦的形式和结构 需从轴端安装和拆卸，可修复性差。 整体式 按构造 分　类 对开式 轴瓦的类型 按尺寸 分　类 可以直接从轴的中部安装和拆卸，可修复。 按材料 分　类 按加工 分　类

18. §12-4滑动轴承轴瓦结构 薄壁轴瓦 厚壁轴瓦 一、轴瓦的形式和结构 节省材料，但刚度不足，故对轴承座孔的加工精度要求高 。 整体式 按构造 分　类 对开式 薄壁 轴瓦的类型 按尺寸 分　类 厚壁 按材料 分　类 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。 按加工 分　类

19. §12-4滑动轴承轴瓦结构 两种材料 单一材料 一、轴瓦的形式和结构 整体式 强度足够的材料可以直接作成轴瓦，如黄铜，灰铸铁。 按构造 分　类 对开式 薄壁 轴瓦的类型 按尺寸 分　类 厚壁 单材料 轴瓦衬强度不足，故采用多材料制作轴瓦。 按材料 分　类 多材料 按加工 分　类

20. §12-4滑动轴承轴瓦结构 卷制轴套 铸造轴瓦 一、轴瓦的形式和结构 铸造工艺性好，单件、大批生产均可，适用于厚壁轴瓦。 整体式 按构造 分　类 对开式 薄壁 轴瓦的类型 按尺寸 分　类 厚壁 单材料 按材料 分　类 多材料 只适用于薄壁轴瓦，具有很高的生产率。 铸造 按加工 分　类 轧制

21. 二、轴瓦的定位方法 目的：防止轴瓦与轴承座之间产生轴向和周向的相 对移动。 凸缘定位 ----将轴瓦一端或两端做凸缘。 轴向定位 凸耳(定位唇)定位 凸缘 凸耳

22. F 紧定螺钉 周向定位 销钉 三、轴瓦的油孔和油槽 作用：把润滑油导入轴颈和轴承所构成的运动副表面。 进油孔 油槽

23. φa F δ δ 双轴向油槽开在轴承剖分面上 单轴向油槽在最大油膜厚度处 开孔原则： 1)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； 2)轴向油槽不能开通至轴承端部，应留有适当的油封面。 形式：按油槽走向分——沿轴向、绕周向、斜向、螺 旋线等。

24. d 45˚ B 轴承中分面常布置成与载荷垂直或接近垂直。载荷倾斜时结构如图 大型液体滑动轴承常设计成两边供油的形式，既有利于形成动压油膜，又起冷却作用。 宽径比B/d----轴瓦宽度与轴径直径之比。重要参数 液体润滑摩擦的滑动轴承: B/d=0.5~1 非液体润滑摩擦的滑动轴承: B/d=0.8~1.5

25. §12-5 滑动轴承润滑剂的选择 一、 概述 作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。 液体润滑剂----润滑油 分类 半固体润滑剂----润滑脂 固体润滑剂 二、润滑脂及其选择 特点：无流动性，可在滑动表面形成一层薄膜。 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。

26. 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．在有水淋或潮湿的环境下，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。

27. 表12-4 滑动轴承润滑脂的选择

28. η 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 ℃ 30 40 50 60 70 80 90 二、润滑油及其选择 润滑油的特性： 粘--温图 → η ↓ 1）温度 t ↑ → η ↑ 2）压力p↑ L-TSA32 但p <10 Mpa时可忽略。变化很小 L-TSA32 选用原则： L-TSA32 1)载荷大、转速低的轴承，宜选用粘度大的油； L-TSA32 2)载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油； 3)高温时，粘度应高一些；低温时，粘度可低一些。

29. 表12-5 滑动轴承润滑油的选择 轴径圆周速度 　平均压力　 轴径圆周速度　 平均压力 m/s p< 3 Mpa m/s p< (3~7.5) Mpa <0.1 L-AN68、110、150 <0.1 L-AN150 0.1~0.3 L-AN68、110 0.1~0.3 L-AN100、150 0.3~2.5 L-AN46、68 0.3~0.6 L-AN100 2.5~5 L-AN32、46 0.3~1.2 L-AN68、100 5~9.0 L-AN15、22、32 1.2~2.0 L-AN68 >9.0 L-AN7、10、15 注： 1）表中润滑油是以40℃时的运动粘度为基础的牌号 2）不完全液体润滑，工作温度<60℃

30. 三、固体润滑剂及其选择 特点：可在滑动表面形成固体膜。 ---性能稳定、t >350 ℃才开始氧化， 可在水中工作。 石墨 -----摩擦系数低，只有石墨的一半。 聚氟乙烯树脂 二流化钼（MoS2） -----摩擦系数低，使用温度范围广 (-60~300 ℃)，但遇水性能下降。 适用场合：用于润滑油不能胜任工作的场合，如高温、 低速重载、有环境清洁要求。 其应用日渐广泛 使用方式： 1.调和在润滑油中； 2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜； 3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。

31. §12-6不完全液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：因采用润滑脂、油绳或滴油润滑，由于轴承的不到足够的润滑剂，故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。 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。 设计准则：保证边界膜不破裂。 校核内容： １．验算平均压力 p ≤[p]，以保证强度要求； ２．验算摩擦发热pv≤[pv]； fpv是摩擦力，限制pv 即间接限制摩擦发热。 ３．验算滑动速度v≤[v]。 ，p，pv的验算都是平均值。考虑到轴瓦不同心，受载时轴线弯曲及载荷变化等的因素，局部的p或pv可能不足，故应校核滑动速度v。

32. F d n F F πdn p= ≤[p] pv = · Bd Bd 60× 1000 二、径向滑动轴承的设计计算 已知条件：外加径向载荷F (N)、轴颈转速n(r/mm)及 轴颈直径d (mm) 验算及设计 ： １.验算轴承的平均压力p B----轴瓦宽度， [p]----许用压强。见下页 ２.验算摩擦热 ≤[pv] v—轴颈圆周速度，m/s； n—轴速度，m/s； [ pv]—轴承材料的许用值。见下页

33. 表12-2 常用轴瓦及轴承衬材料的性能 [p] Mpa [pv] Mpa.m/s HBS 金属型 砂型 最高工作温度℃ 材料及其代号 轴径硬度 平稳 冲击 25 20 20 15 铸锡锑轴承合金 ZSnSb11Cu6 27 150HBS 150 铸铅锑轴承合金 ZPbSb16Sn16Cu2 150 10 30 150HBS 15 铸锡青铜 ZCuSn10P1 280 15 45HBC 15 90 80 铸锡青铜 ZCuSn5Pb5Zn5 45HBC 15 280 8 60 65 铸铝青铜 ZCuAl10Fe3 12 100 45HBC 15 280 110 3.验算滑动速度V [v]—材料的许用滑动速度 v≤ [v]

34. 表12-2 常用轴瓦及轴承衬材料的性能

35. F F d2 d1 d1 d2 ４．选择配合 一般可选: H9/d9或H8/f7、H7/f6 二、止推滑动轴承的计算 已知条件：外加径向载荷F (N)、轴颈转速n(r/mm) 1)根据轴向载荷和工作要求， 选择轴承结构尺寸和材料； 2)验算平均压力； ≤[p] z--轴环数 3)验算pv值 考虑承载的不均匀性， [p]、[pv]应降低50%。

36. 表12-7 止推滑动轴承的[p]、[pv] [p] [pv] 轴环端面、凸缘 轴承 Mpa Mpa.m/s 铸铁 2.0~2.5 未淬火钢 青铜 4.0~5.0 1~2.5 轴承合金 5.0~6.0 青铜 7.5~8.0 淬火钢 轴承合金 8.0~9.0 1~2.5 淬火钢 12~15

37. §12-7液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算 v v F F F F F F v v v v b a c h2 h0 h1 c b a 先分析平行板的情况。板B静止，板A以速度向左运动，板间充满润滑油，无载荷时， 液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。 一、动压润滑的形成原理和条件 如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷， 当板A运动时，两端速度若程虚线分布，则必然进油多而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力与外载荷平衡，板A不会下沉。这说明了在间隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。 两平形板之间不能形成压力油膜！ 动压油膜----因运动而产生的压力油膜。

38. 形成动压油膜的必要条件： 1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙； 2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体； 3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动芳方向必须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。

39. z x ▲流体满足牛顿定律，即 ； V y du A τ=η d y B 二、流体动力润滑基本方程的建立 为了得到简化形式的流体动力平衡方程（Navier－Stokes方程），作如下假设： ▲流体的流动是层流; 即层与层之间没有物质和能量的交换； ▲忽略压力对流体粘度的影响; 实际上粘度随压力的增高而增加； ▲略去惯性力及重力的影响，故所研究的单元体为 静平衡状态或匀速直线运动，且只有表面力作用 于单元体上； ▲流体是不可压缩的； ▲流体中的压力在各流体层之间保持为常数。

40. y-h 1 dp z u= (y2- hy) + v h 2η dx x dp dτ V = y dx d y dp du d2u 得： =η τ=η dx A d y2 dy 1 dp u= y2+C1y+C2 τ 2η dx τ+dτ p+dp p B v 1 dp →C1= h + h 2η dx 取微单元进行受力分析: pdydz+(τ+dτ)dxdz-(p+dp)dydz –τdxdz=0 整理后得： 任意一点的油膜压力p沿x方向的变化率，与该点y向的速度梯度的导数有关。 又有： 对y积分得： →C2 = -v 边界条件： 当y=0时，u=-v 当y=h时，u=0 代入得：

41. pmax p dp h0-h 得： =6ηv dx h3 z x F v v b a x c h0 c b a y 任意截面内的流量： 依据流体的连续性原理，通过不同截面的流量是相等的 该处速度呈三角形分布，间隙厚度为h0 b-b截面内的流量： 负号表示流速的方向与x方向相反，因流经两个截面的流量相等，故有： --- 一维雷诺方程 液体动压润滑的基本方程，它描述了油膜压力p的变化与动力粘度、相对滑动速度及油膜厚度h之间的关系。 由上式可得压力分布曲线: p=f(x) 在b-b处：h=h0， p=pmax 速度梯度du/dy呈线性分布，其余位置呈非线性分布。流量相等，阴影面积相等。

42. φa hlim F →质心左移 e 径向滑动轴承动压油膜的形成过程： 静止 →爬升 →将轴起抬 转速继续升高 →稳定运转达到工作转速 ∑ Fy =F ∑ Fx ≠ 0 e ----偏心距 ∑ Fy =F ∑ Fx = 0 ▲轴承的孔径D和轴颈的直径d名义尺寸相等；直径间 隙Δ是公差形成的。 ▲ 轴颈上作用的液体压力与F相平衡，在与F垂直的方 向，合力为零。 ▲轴颈最终的平衡位置可用φa和偏心距e来表示。 ▲轴承工作能力取决于hlim，它与η、ω、Δ和F等有关， 应保证 hlim≥[h]。

43. φa D d hlim h0 h e 三、径向滑动轴承的几何关系和承载量系数 稳定工作位置如图所示 ，连心线与外载荷的方向形成一偏位角， 设轴孔半径为：R, r 直径为：D， d ，偏心距: e偏位角：φa 直径间隙：Δ＝ D－ d 半径间隙：δ＝ R－ r ＝ Δ/ 2 相对间隙：ψ＝δ / r ＝ Δ / d 定义: χ＝ e / δ 为偏心率 最小油膜厚度： hmin= δ－e ＝rψ(1-χ) 定义连心线OO1为极坐标的极轴： 在三角形 中有：R2＝e2+ （r+h)2 –2e(r+h)cos v

44. 略去二次微量 ，并取根号为正号，得： 任意位置油膜厚度： 压力最大处的油膜厚度： dp h0-h 将一维雷诺方程： 改写成极坐标的形式 dx h3 =6ηv 积分得： φ0为压力最大处的极角。 将dx=rdφ, v=rω，h0, h代入上式得：

45. 在外载荷方向的分量： 积分可得轴承单位宽度上的油膜承载力： 理论上只要将py乘以轴承宽度就可得到油膜总承载能力，但在实际轴承中，由于油可能从轴承两端泄漏出来，考虑这一影响时，压力沿轴向呈抛物线分布。

46. D D D D D D F F F F F F d d d d d d B B … … 油膜压力沿轴向的分布： 理论分布曲线----水平直线，各处压力一样； 实际分布曲线----抛物线 且曲线形状与轴承的宽径比B/d有关。 B/d=1/2 B/d=1/4 B/d=1/3 B/d=1 B/d=∞

47. D F d y B z 或 油膜沿轴承宽度上的压力分布表达式为： py为无限宽度轴承沿轴向单位宽度上的油膜压力； C’为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 解释这些参数的含义 式中Cp为承载量系数，计算很困难，工程上可查表确定。

48. 表12-8 有限宽度滑动轴承的承载量系数Cp

49. 四、最小油膜厚度 动力润滑轴承的设计应保证：hmin≥[h] 其中： [h]=S(Rz1+Rz2) Rz1、Rz2—— 分别为轴颈和轴承孔表面粗糙度十点高度。 一般轴承可取为3.2μm和6.3μm，1.6 μm和3.2μm。 重要轴承可取为0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm。 S—— 安全系数，常取S≥2。 考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等

50. 五、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 其中，摩擦热： Q=fρv W 滑油带走的热：Q1 = qρc(to-ti) W 轴承散发的热： Q2 =α3πdB (to-ti) W 式中: q ----润滑油流量m3/s； ρ ----滑油密度kg/m3； c ----润滑油的比热容，J/(kg. ℃ )； ti ----油出口温度℃ ； to----油入口温度℃ ； α3 ----表面传热系数 W/(m2. ℃ )。