《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件第12章

第12章滑動(dòng)軸承12.1摩擦、磨損與潤滑基礎(chǔ)知識(shí)

12.2滑動(dòng)軸承的特點(diǎn)、類型和典型結(jié)構(gòu)

12.3軸瓦的材料和軸瓦結(jié)構(gòu)

12.4滑動(dòng)軸承的潤滑

12.5不完全油膜滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算

習(xí)題12.1摩擦、磨損與潤滑基礎(chǔ)知識(shí)12.1.1摩擦狀態(tài)圖12-1滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài)12.1.2磨損

1.典型磨損過程圖12-2一般的磨損過程

（1）跑合磨損階段。在磨損初期，由于新的摩擦副表面較粗糙，真實(shí)接觸面積小，比壓較大，在開始的較短時(shí)間內(nèi)磨損量較大。經(jīng)跑合后，表面凸峰高度降低，接觸面積增大，磨損速度減緩并趨向穩(wěn)定。初期跑合是一種有益的磨損，可利用它來改善表面性能，提高使用壽命。（2）穩(wěn)定磨損階段。零件經(jīng)過跑合后磨損速度趨緩，處于穩(wěn)定狀態(tài)，這一階段的時(shí)間即為零件的使用壽命。（3）劇烈磨損階段。磨損量加大，潤滑狀態(tài)惡化，導(dǎo)致零件迅速報(bào)廢。2.磨損的分類（1）粘著磨損：由于兩摩擦表面間產(chǎn)生粘著現(xiàn)象使材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面而造成的磨損，稱為粘著磨損。膠合是粘著磨損中最嚴(yán)重的形式，會(huì)造成大片金屬被撕脫或表面間完全“咬死”，是齒輪、蝸桿等傳動(dòng)的失效形式之一。（2）磨粒磨損：硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔系挠操|(zhì)突出物，在摩擦過程中引起脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。在開式傳動(dòng)中，許多零件與礦石或泥沙等直接接觸，磨粒磨損就是其主要的磨損形式。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)金屬材料的硬度比磨粒的硬度大30％時(shí)，被磨表面的磨損量就非常小。

（3）疲勞磨損：這種形式的磨損常出現(xiàn)在滾動(dòng)軸承、齒輪等高副中。當(dāng)接觸表面受到很大的循環(huán)變化接觸應(yīng)力，經(jīng)過一定工作循環(huán)次數(shù)以后，可能在局部表面形成小塊的甚至是片狀的麻點(diǎn)或凹坑，進(jìn)而導(dǎo)致零件失效。這種失效形式稱為表面疲勞磨損，簡稱點(diǎn)蝕。由此建立的接觸疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則是機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的重要的計(jì)算方法。12.1.3潤滑劑

1.液體潤滑劑液體潤滑劑通常也稱潤滑油。常用的液體潤滑劑有：機(jī)油，如動(dòng)植物油；礦物油，主要是石油產(chǎn)品；化學(xué)合成油。潤滑油的性能指標(biāo)主要有粘度、凝點(diǎn)、閃點(diǎn)和油性等。最重要的指標(biāo)是粘度。2.潤滑油的粘度

1)動(dòng)力粘度η

圖12-3所示是兩塊相距為h的平行平板，中間充滿了不可壓縮的潤滑油。當(dāng)一塊平板固定，另一塊平板以速度U沿x軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在層流條件下，沿y坐標(biāo)的油層將以不同速度u沿x方向移動(dòng)。根據(jù)牛頓提出的粘性流體的摩擦定律，即：各油層間的切應(yīng)力與其速度梯度成正比。以公式表示為（12-1）

式中：τ——流體層單位面積上的剪切阻力，即切應(yīng)力；

u——任一流體層上的液體速度；

η——比例常數(shù)，即流體的動(dòng)力粘度，動(dòng)力粘度η的單位為N·s/m2或Pa·s(帕·秒)。圖12-3粘性流體流動(dòng)模型2）運(yùn)動(dòng)粘度ν流體的動(dòng)力粘度與同溫度下的密度ρ的比值，稱為運(yùn)動(dòng)粘度（12-2）運(yùn)動(dòng)粘度的單位為：m2/s，也常用St或cSt表示，換算關(guān)系為：1m2/s=104St=106cSt。3.潤滑油的選擇表12-1工業(yè)用全損耗通用潤滑油粘度牌號(hào)表12-2常用潤滑油的牌號(hào)、性能及應(yīng)用續(xù)表

4.潤滑脂的性能指標(biāo)

對于軸頸圓周速度小于2m/s的難以經(jīng)常供油或擺動(dòng)工作的非液體摩擦軸承，可以采用潤滑脂潤滑。與選用潤滑脂有關(guān)的性能指標(biāo)是錐入度和滴點(diǎn)。

(1)錐入度：是衡量潤滑脂粘稠程度的指標(biāo)。將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)錐體置于25℃的潤滑脂表面，經(jīng)5s后，該錐體沉入脂內(nèi)的深度(以0.1mm為單位)值稱為該潤滑脂的錐入度。錐入度的數(shù)值越大，表明潤滑脂的流動(dòng)性越大。(2)滴點(diǎn)：在規(guī)定的條件下，將潤滑脂加熱至從容器口中滴下第一滴時(shí)的溫度，稱為該潤滑脂的滴點(diǎn)。選擇潤滑脂的滴點(diǎn)應(yīng)比工作溫度高20～30℃。潤滑劑的種類、牌號(hào)及性能可參閱《機(jī)械工程手冊》或《潤滑工程手冊》。12.2滑動(dòng)軸承的特點(diǎn)、類型和典型結(jié)構(gòu)1.徑向滑動(dòng)軸承常用的徑向滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式(如圖12-4(a))和剖分式(如圖12-4(b))。軸承座的材料常用鑄鐵制造，受力很大時(shí)可用鑄鋼件，用螺栓固定在機(jī)架上。整體式滑動(dòng)軸承構(gòu)造簡單，常用于低速、載荷較小的間歇工作機(jī)器上，而且軸只能從軸的端部裝入。剖分式滑動(dòng)軸承的軸瓦一般是對開式，當(dāng)它的軸瓦磨損后可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整墊片或?qū)ζ淦史置孢M(jìn)行刮削、研磨來調(diào)整軸與孔的間隙，應(yīng)用較廣。圖12-4徑向滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)2.普通止推滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)圖12-5普通止推滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)表12-3普通止推滑動(dòng)軸承軸頸基本尺寸的計(jì)算公式

3.調(diào)心式滑動(dòng)軸承

當(dāng)軸承寬度B與軸頸直徑d之比B／d＞1.5時(shí)，軸的變形可能會(huì)使軸瓦端部和軸頸出現(xiàn)邊緣接觸，導(dǎo)致軸承過早被損壞。為防止這種情況發(fā)生，可將軸瓦與軸承座配合表面做成球面，使其自動(dòng)適應(yīng)軸或機(jī)架工作時(shí)的變形造成軸頸與軸瓦不同軸的情況，避免出現(xiàn)邊緣接觸。這種軸承稱為調(diào)心軸承，如圖12-6所示。圖12-6軸頸邊緣接觸與調(diào)心式滑動(dòng)軸承4.可調(diào)間隙式軸承圖12-7間隙可調(diào)式滑動(dòng)軸承軸承12.3軸瓦的材料和軸瓦結(jié)構(gòu)12.3.1軸瓦的材料根據(jù)軸瓦失效形式及工作時(shí)軸瓦不損傷軸頸的原則，軸瓦材料應(yīng)滿足下列要求：①良好的減摩性、耐磨性和磨合性；②足夠的強(qiáng)度；③良好的順應(yīng)性和嵌藏性；④耐腐蝕性；⑤良好的導(dǎo)熱性；⑥良好的工藝性。其中順應(yīng)性是指軸瓦材料補(bǔ)償對中誤差和其他幾何誤差的能力。嵌藏性是指軸瓦材料容納污物和外來微粒，防止刮傷和磨損的能力。

1.金屬材料（1）軸承合金(巴氏合金、白合金)：它是錫、鉛、銻、銅的合金，又分為錫銻軸承合金和鉛銻軸承合金兩類。它們各以較軟的錫或鉛作基體，懸浮以銻錫和銅錫的硬晶粒，常用作軸承襯。

(2)銅合金：銅合金是傳統(tǒng)的軸瓦材料，品種很多，可分為青銅和黃銅兩類。青銅的性能僅次于軸承合金的軸瓦材料，應(yīng)用較多。黃銅為銅鋅合金，減摩性不及青銅，但易于鑄造及機(jī)加工。可作為低速、中載下青銅的代用品。

（3）鋁合金：這種軸瓦材料強(qiáng)度高，耐腐蝕，導(dǎo)熱性良好，但順應(yīng)性、嵌藏性、磨合性較差，要求軸頸表面硬度高、粗糙度低以及配合間隙較大。它一般作為軸承襯材料。（4)鑄鐵：有普通灰鑄鐵、耐磨鑄鐵或球墨鑄鐵，所含石墨具有潤滑作用。耐磨鑄鐵表面經(jīng)磷化處理可形成一多孔性薄層，有利于提高耐磨性。

2.粉末冶金材料

粉末冶金材料是由銅、鐵、石墨等粉末經(jīng)壓制，燒結(jié)而成的多孔隙(約占總體積的10％～35％)軸瓦材料。常用的粉末冶金材料有多孔鐵、多孔青銅、多孔鋁等。3.非金屬材料表12-4常用金屬軸瓦材料的性能表12-4常用金屬軸瓦材料的性能12.3.2軸瓦的結(jié)構(gòu)圖12-8整體式軸套圖12-9剖分式軸瓦圖12-10軸承襯背上的溝槽形式圖12-11常用的油溝形式12.4滑動(dòng)軸承的潤滑12.4.1滑動(dòng)軸承的潤滑劑及其選擇

1.潤滑油的選擇表12-5滑動(dòng)軸承常用潤滑油牌號(hào)選擇表12-6滑動(dòng)軸承潤滑脂選擇2.潤滑方法和潤滑裝置圖12-12常用油杯形式(a)壓注式壓注油杯；(b)旋套式注油杯；(c)針閥式注油杯；(d)油芯式注油杯圖12-13油環(huán)潤滑3.潤滑方法的選擇滑動(dòng)軸承的潤滑方法可根據(jù)由經(jīng)驗(yàn)公式求得的k值選擇。（12-3）式中：p——軸承壓強(qiáng)，單位為MPa；

v——軸頸圓周速度，單位為m／s。當(dāng)k≤2時(shí)，用潤滑脂潤滑；2＜k≤15，用潤滑油潤滑(可用針閥式滴油油杯等)；15＜k≤30，用油環(huán)潤滑或飛濺潤滑；k＞30時(shí)，必須用壓力循環(huán)潤滑。12.5不完全油膜滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算12.5.1失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則

不完全油膜滑動(dòng)軸承工作時(shí)，軸頸與軸瓦表面間處于邊界摩擦或混合摩擦狀態(tài)，其主要的失效形式是磨粒磨損和粘附磨損。因此，防止失效的關(guān)鍵是在軸頸與軸瓦表面之間形成一層邊界油膜，以避免軸瓦的過度磨粒磨損和因軸承溫度上升過高而引起粘附磨損。目前對不完全油膜滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是進(jìn)行軸承壓強(qiáng)p、軸承滑動(dòng)速度v和pv值的驗(yàn)算，使它們不超過軸承材料的相應(yīng)許用值。12.5.2不完全油膜滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)時(shí)，一般已知軸頸直徑d，軸的轉(zhuǎn)速n及徑向載荷Fr。其設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：

(1)根據(jù)軸承使用要求和工作條件，確定軸承的結(jié)構(gòu)形式，選擇軸承材料；

(2)選定軸承寬徑比B／d，一般取B／d≈0.7～1.3，確定軸承寬度B；

(3)驗(yàn)算軸承的工作能力。2.計(jì)算內(nèi)容（1）壓強(qiáng)p的驗(yàn)算。為防止過度磨損，應(yīng)限制軸承壓強(qiáng)（12-4）式中：B——軸承寬度，單位為mm；［p］——軸承材料的許用壓強(qiáng)，單位為MPa，見表12-4。對于低速(v≤0.1m／s)或間歇工作的軸承，當(dāng)其工作時(shí)間不超過停歇時(shí)間時(shí)，僅需進(jìn)行軸承壓強(qiáng)的驗(yàn)算。2）

pv值的驗(yàn)算。軸承工作時(shí)摩擦發(fā)熱量大，溫升過高時(shí)，易發(fā)生粘附磨損。軸承單位投影面積單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量與pv值成正比，因此要限制pv。（12-5）式中：［pv］——軸承材料的許用壓強(qiáng)－速度值，單位為MPa·m／s，見表12-4。

（3）滑動(dòng)速度v的驗(yàn)算。當(dāng)壓強(qiáng)p較小，p與pv值都在許用范圍內(nèi)時(shí)，也可能由于滑動(dòng)速度過高而加速軸承磨損，此時(shí)應(yīng)限制滑動(dòng)速度v。式中：［v］——軸承材料的許用滑動(dòng)速度，單位為m／s，見表12-4。

（12-6）(4)選擇軸承的配合。表12-7滑動(dòng)軸承的常用配合及其應(yīng)用

【例12-1】

試設(shè)計(jì)一起重機(jī)卷筒軸的滑動(dòng)軸承。已知軸承受徑向載荷Fr=150000N，軸頸直徑d=100mm，軸的工作轉(zhuǎn)速n=10r／min。

解

(1)選擇軸承類型和軸承材料。為裝拆方便，軸承采用對開式結(jié)構(gòu)。由于軸承載荷大、速度低，由表12-4選取鑄造銅合金CuAl10Fe5Ni5作為軸承材料，其中［p］=15MPa，［pv］=12MPa·m／s，［v］=4m／s。

(2)軸承寬徑比。選取B／d=1.2，則B=1.2×100=120mm，取B=120mm(3)驗(yàn)算軸承工作能力。

驗(yàn)算p由式（12-4）得驗(yàn)算pv值由式（12-5）得(4)選擇軸承配合和表面粗糙度。查表12-7，選取軸承與軸頸的配合為H8／f7，軸瓦滑動(dòng)表面粗糙度為Ra=3.2μm，軸頸表面粗糙度為Ra=1.6μm。

(5)軸承潤滑劑、潤滑方法和潤滑裝置等的選擇此處略去。習(xí)

題12-1

滑動(dòng)軸承適用于哪些場合?滑動(dòng)軸承的常用材料有哪些?12-2

滑動(dòng)軸承的潤滑狀態(tài)有哪幾種?潤滑油的主要性能指標(biāo)是什么?滑動(dòng)軸承常用的潤滑裝置有哪些?12-3

滑動(dòng)軸