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1、1轴承(bearings)用来支承轴颈(journal)或轴上的回转件，是机器中的重要零部件。Types of Bearingsl滚动摩擦轴承滚动轴承(rolling bearings)l滑动摩擦轴承滑动轴承(journal bearings or plain surface bearings)。滑动轴承若在相对运动表面之间形成润滑油膜(oil-film)将运动副表面分开，不直接接触，则滑动摩擦力可大大降低，并可避免磨损。第1页/共65页2润滑油膜的形成是滑动轴承能正常工作的基本条件，影响润滑油膜形成的因素有滑动轴承的设计内容润滑方式、运动副相对运动速度、润滑剂(lubricant)的物理性质
2、和运动副表面的粗糙度(surface roughness)等。1.轴承的结构类型及材料2.选择润滑剂和润滑方法3.轴承的几何参数 第2页/共65页3滑动轴承的承载能力大，回转精度高，润滑油膜具有抗冲击作用，因此，在工程上获得广泛的应用。滑动轴承的主要应用场合滑动轴承的主要应用场合1.转速极高的轴承2.载荷特重的轴承3.冲击很大的轴承4.要求特别精密的轴承5.剖分式轴承6.有特殊要求的轴承第3页/共65页4 Types of Journal Bearings 滑动轴承的类型Thrust journal bearings推力滑动轴承Axial loadRadial journal bearings
3、径向滑动轴承(向心滑动轴承)Radial load16.1 Structures and Materials of Journal Bearings 滑动轴承的结构和材料第4页/共65页5l l静静压压滑滑动动轴轴承承(Hydrostatic(Hydrostatic Bearings)Bearings)在滑动轴承与轴颈表面之间输入高高压压润润滑滑剂剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑流体静压润滑静压滑动轴承Types of Journal BearingsTypes of Journal Bearings第5页/共65页6动压滑动轴承l l动动压压滑滑动动轴轴承承(Hyd
4、rodynamic(Hydrodynamic Bearings)Bearings)利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然形成的流体压力油膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动力润滑流体动力润滑Types of Journal BearingsTypes of Journal Bearings第6页/共65页7l动静压轴承能同时利用高压油的静压作用和轴的转动引起的动压效应来承载 静压轴承和动静压轴承可以在很宽的速度范围内（包括静止状态）和载荷范围内无磨损地工作，避免动压轴承在启动与停机阶段的磨损问题，但其供油系统复杂。第7页/共65页8 滑动轴承通
5、常由轴承体(座)、轴瓦及轴承衬、润滑及密封装置等部分组成。在简单的轴承中，可以不用轴瓦、轴承衬及密封等装置。根据工作条件不同，滑动轴承的结构型式可有不同型式，如径向滑动轴承有整体式、剖分式及自动调心式结构。整体式滑动轴承结构轴瓦Bearing bushingBearing housingOil holeOil groove第8页/共65页9剖分式滑动轴承结构斜剖分式滑动轴承第9页/共65页10调心滑动轴承可调间隙的滑动轴承B第10页/共65页11动压推力滑动轴承空心式单环式多环式推力滑动轴承结构第11页/共65页12轴承表面由多组斜面平面组成，当轴低速旋转时依靠平面接触承载，当以工作速度旋转时
6、依靠斜面形成液体动压润滑a)单向旋转 b)双向旋转 c)可倾瓦推力轴承第12页/共65页13 轴瓦分为剖分式和整体式结构。为了改善轴瓦表面的摩擦性质，常在其内径面上浇铸一层或两层减摩材料，通常称为轴承衬，因此轴瓦又有双金属轴瓦和三金属轴瓦。整体式轴瓦轴瓦的固定 Structures of Bearing Bushings 轴瓦结构第13页/共65页14轴瓦的形式和结构按构造分类整体式对开式按加工分类铸造轧制按尺寸分类厚壁薄壁按材料分类单材料多材料需从轴端安装和拆卸，可修复性差。可以直接从轴的中部安装和拆卸，可修复。节省材料，但刚度不足，故对轴承座孔的加工精度要求高。具有足够的强度和刚度，可降低
7、对轴承座孔的加工精度要求。强度足够的材料可以直接作成轴瓦，如黄铜，灰铸铁。轴瓦衬强度不足，故采用多材料制作轴瓦。铸造工艺性好，单件、大批生产均可，适用于厚壁轴瓦。只适用于薄壁轴瓦，具有很高的生产率。第14页/共65页15滑 动 轴 承 的 轴 瓦 结滑 动 轴 承 的 轴 瓦 结构构 2 2单材料、整体式厚壁铸造轴瓦多材料、整体式、薄壁轧制轴瓦多材料、对开式厚壁铸造轴瓦多材料、对开式薄壁轧制轴瓦第15页/共65页16轴瓦的定位 目的：防止轴瓦相对于轴承座产生轴向和周向的相对移动。方法：对于轴向定位有：对于周向定位有：凸缘轴瓦一端或两端做凸缘定位唇定位唇（凸耳）紧定螺钉紧定螺钉（也可做轴向定位）
8、轴 瓦圆柱销轴承座销钉（也可做轴向定位）第16页/共65页17lOil Holes用来供应润滑油Oil hole,Oil groove and Oil Chamber(油孔、油沟和油室)lOil Grooves用来输送和分布润滑油。尺寸可查有关手册3.轴向油沟也可以开在轴瓦剖分面上。Oil holeOil grooveCut open planeShapes and positions for oil grooves1.油沟的形状和位置影响轴承中油膜压力分布情况。润滑油应该自油膜压力最小的地方输入轴承。2.轴向油沟应较轴承宽度稍短，以免油从油沟端部大量流失。第17页/共65页18lOil Ch
9、ambers可使润滑油沿轴向均匀分布，并起着贮油和稳定供油的作用。4.油沟不应开在油膜承 载 区 内，否则会降低油膜的承载能力。不正确的油沟布置Oil chambersAxial oil grooveCircular oil grooveOil hole,Oil groove and Oil Chamber(油孔、油沟和油室)第18页/共65页19轴承材料轴瓦和轴承衬的材料 Materials of Bearings 轴承材料指轴瓦材料通过其表层弹性变形来适应和补偿轴的偏斜和变形的能力轴承失效形式磨损和胶合，以及刮伤、疲劳剥落及腐蚀等。滑动轴承的材料性能应满足的要求：a)良好的减摩性(低的摩擦
10、系数)、耐磨性(抗磨损能力)和抗胶合性(耐热性和抗粘附性)；b)良好的顺应性、嵌入性和跑合性；c)足够的强度（包括疲劳强度、冲击强度和抗压强度）和抗腐蚀性；d)良好的导热性、工艺性及经济性。指材料容纳硬质颗粒嵌入，以减轻轴承滑动表面发生刮伤或颗粒磨损的性能指轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，就能形成相互吻合的表面粗糙度的能力第19页/共65页20常用轴承材料l金属材料（表16.1）轴承合金（仅用于轴承衬），铜合金（广泛应用），铝基合金，铸铁（经济、耐磨）等l多孔质金属材料（表16.2）粉末冶金，含油轴承 l非金属材料（表16.2）第20页/共65页21常用金属轴承材料性能第21页/共65页22常
11、用金属轴承材料性能第22页/共65页23润滑目的减小摩擦功耗，降低磨损，冷却，防尘，防锈，吸振16.2 Lubrication of Journal Bearings 滑动轴承的润滑 Selection of Lubricants 润滑济及其选择Types of LubricantslLubricating oils(润滑油)lLubricating greases(润滑脂)lSolid lubricants(固体润滑剂)lGas lubricants(气体润滑剂)第23页/共65页241.Lubricating OilsMain Feature Indexes(kinematic visco
12、sity)=(dynamic viscosity)(mass density of the oil)lViscosity(粘度)润滑油抵抗剪切变形的能力，表示润滑油内摩擦阻力的大小。Dynamic viscosity(or absolute viscosity)，Kinematic viscositylAdsorptivity(油性，吸附性)润滑油能在金属摩擦表面形成吸附膜的性能。目前尚无一个定量的指标评价润滑剂的油性 第24页/共65页25润滑油的选择应综合考虑轴承的承载量、轴颈转速、润滑方式、滑动轴承的表面粗糙度等因素。a)在高速轻载的工作条件下，为了减小摩擦功耗可选择粘度小的润滑油；b)
13、在重载或冲击载荷工作条件下，应采用油性大、粘度大的润滑油，以形成稳定的润滑油膜；c)静压或动静压滑动轴承可选用粘度小的润滑油；d)表面粗糙或未经跑合的表面应选择粘度高的润滑油；e)流体动力润滑轴承的润滑油粘度的选取，可经过计算进行校核。一般原则如下：第25页/共65页26轴颈的圆周轴颈的圆周速度速度v/(m/s)p3MPa润滑方式润滑方式粘度粘度 40 C/(mm2/s)润滑油名称及牌号润滑油名称及牌号9压力、油浴压力、油浴527LFC7、10、15、22轴承油轴承油95压力、油杯压力、油杯1550LFC15、22、32、46轴承油，轴承油，LTSA32、46汽轮机油汽轮机油52.5压力、油浴
14、压力、油浴油杯、滴油油杯、滴油3260LFC32、46轴承油，轴承油，LTSA46汽轮机汽轮机油，油，LAN46全损耗系统用油全损耗系统用油2.51压力、油浴压力、油浴油环、滴油油环、滴油4270LFC46、68轴承油轴承油,LTSA46、68汽汽轮机油轮机油,LAN46、68全损耗系统用油全损耗系统用油10.3压力、油浴压力、油浴油环、滴油油环、滴油4675LFC46、68轴承油，轴承油，LTSA46、68汽轮机油，汽轮机油，LAN68全损耗系统用油全损耗系统用油0.30.1油杯、油浴油杯、油浴油环、滴油油环、滴油65120LFC68、100轴承油，轴承油，LTSA68、100汽轮机油，汽轮
15、机油，LAN68、100全损耗系全损耗系统用油统用油0.1油杯、油浴油杯、油浴油环、滴油油环、滴油80170LTSA100汽轮机油，汽轮机油，30、40号汽油机号汽油机油，油，LAN100、150全损耗系统用油全损耗系统用油表16.3 滑动轴承轻、中载荷时润滑油的选用(工作温度10 60C)第26页/共65页272.Lubricating Greases低速（轴颈速度小于12m/s）重载或摆动的滑动轴承可以采用润滑脂。润滑脂的主要指标稠度（针入度）和滴点。一般选择原则为：u速度低，载荷大时，选择稠度大的润滑脂；反之，选择稠度小的。u为了避免轴承工作时润滑脂过多的泄漏，润滑脂的滴度应高于轴承工作
16、温度2030C。u工作温度高(120C)采用钠基脂；有水、潮湿或低温(32时，采用压力循环润滑。第32页/共65页3316.3 Design of Journal Bearings with Non-liquid Friction 非液体摩擦滑动轴承的设计u非液体摩擦滑动轴承采用润滑脂、滴油润滑的轴承，由于得不到足够的油量，在相对运动表面间难于产生完整的承载油膜，轴承只能在混合摩擦状态下工作，属于非液体滑动轴承。u非液体摩擦滑动轴承的主要失效形式磨损和胶合，其次是表面压溃和点蚀。u计算准则维持轴承的边界油膜不被破坏为最低要求，即控制轴承的平平均均压压强强p p、滑滑动动速速度度v v和和二二者
17、者乘乘积积pvpv分别不超过其许用值。这一设计准则是建立在简化条件的基础上的。因此只适用于对工作可靠性要求不高的低速、重载或间歇工作的轴承。第33页/共65页34许用值见表16.1和表16.2。Calculation of Radial Journal Bearings 径向滑动轴承的计算第34页/共65页35a)实心式 b)空心式 c)单环式 d)多环式FaFaFaFa许用值见表16.5。Calculation of Thrust Journal Bearings 推力滑动轴承的计算第35页/共65页3616.4 Design of Hydrodynamic Radial Journal B
18、earings 液体摩擦动压向心滑动轴承的设计 Forming Mechanism of Hydrodynamic Lubrication 流体动力润滑形成机理图示A、B两平行平板，板间充满具有一定粘度的润滑油。若板B不动，板A以速度v沿x方向运动。由于润滑油的粘性及与板的吸附作用,润滑油各流层的流速呈线性分布。油层间受剪切作用,称为剪切流(shear flow)。此时通过各垂直于平板截面的流量均相等。当平板A竖直受载时,平板将下沉,润滑油由左右两端被挤出，不能形成承载动压。vv=0uBAStationaryMovingx第36页/共65页37 当两平板相互倾斜呈楔形收敛间隙，板A以速度v从间
19、隙较大的一方向间隙较小的一方运动。vxyuac若两端各流层的速度如图中三角形分布(线性)，则流入间隙的流量必大于流出间隙的流量。但流体是不可压缩的，沿z方向不可能流动，则进入楔形间隙的过剩油量，只有由进口a和出口c被挤压出去，即产生因压力而引起的流动，称为压力流(pressure flow)。第37页/共65页38这时楔形收敛间隙中油层流动的速度为剪剪切切流流与与压压力力流流的的叠叠加加，则进口油流的速度为内凹形曲线，出口为外凸形。油压p分布曲线Fpmaxvxyach0bu此油流形成液体压力可与外载荷F平衡，这种粘性流体流入收敛间隙而产生压力的现象称为流体动力润滑的楔效应流体动力润滑的楔效应。
20、第38页/共65页39雷诺方程描述流体膜压力分布的微分方程，是流体动压润滑理论的基本方程 Basic Equation of Hydrodynamic LubricationReynolds Equation 液体动力润滑的基本方程雷诺方程假设流体为牛顿流体；流体 膜 中 的 流 体 流 动 为 层 流(laminar flow)；不考虑压力对流体粘度的影响；忽略惯性力和重力；认为流体不可压缩。两块成楔形间隙的平扳，间隙中充满润滑油假设两平板在z方向为无限宽(即假设液体在z方向没有流动)板A沿x轴方向相对板B以速度v移动第39页/共65页40h0pmax处的油膜厚度 一维雷诺方程 油压p的变化
21、与润滑油的粘度(viscosity)、表面滑动速度v和油膜厚度h(oil-film thickness)的变化有关。全部油膜压力之和即为油膜承载能力，并与外载F相平衡。研究楔形油膜中一个微单元体，由受力平衡条件得 第40页/共65页41labhh0，p/x0，p沿x方向逐渐增大，速度分布曲线呈凹形，2u/y2 0油压p分布曲线Fpmaxvxyach0bu第41页/共65页42油压p分布曲线Fpmaxvxyach0bulbchh0，p/x0，p沿x方向逐渐减小，速度分布曲线呈凸形，2u/y2 3545，表明按初定的tm，温升t小，轴承承载能力未能充分发挥。此时应降低tm，并允许适当加大轴瓦和轴颈
22、的表面粗糙度，重新计算(5)若t13545，表明按初定的tm，温升t过大，不易达到热平衡，轴承承载能力不够。此时应加大轴承间隙和减小轴瓦和轴颈的表面粗糙度，重新计算。实际情况下，润滑油从入口至出口，温度是逐渐升高的，因而油的粘度在轴承各处也不相同。在计算轴承承载能力时，应采用润滑油平均温度时的粘度。为了保证轴承的承载能力，建议一般平均温度不应超过平均温度不应超过7575。Average temperatureDesign Procedure a trial-and-error type of problem.第55页/共65页56 Selection of Bearing Parameters
23、 参数选择1.Ratio of Bearing Length to DiameterB/d 一般轴承的宽径比B/d在0.31.5范围内。u宽径比小，有利于提高运转稳定性，增大端泄漏量以降低温升。但轴承宽度减小，轴承承载能力也随之降低(表16.6)。u高速重载轴承温升高，宽径比宜取小值；u低速重载轴承，为提高轴承整体刚性，宽径比宜取大值；u高速轻载轴承，如对轴承刚性无过高要求，可取小值；u需要对轴有较大支承刚性的机床轴承，宜取较大值。第56页/共65页572.Relative Clearance/d/rn相对间隙主要根据载荷和速度选取。n速度愈高，值应愈大；n载荷愈大，值应愈小。n直径大、宽径比
24、小，或调心性能好、加工精度高时，取小值，反之取大值。n设计时，可由轴颈圆周速度v按下式初步估算值第57页/共65页583.Average Oil PressurepF/(Bd)为了减少轴承尺寸，并使运转平稳，平均压强可取大些。但压强过高，又会使油膜厚度过小，容易损坏轴承工作表面，为此对润滑油、轴承材料、加工质量及安装质量的要求必须提高。第58页/共65页594.Viscosity 粘度对轴承的承载能力、功耗和轴承温升都有影响，是轴承设计的重要参数。轴承工作时，油膜各处温度是不同的，通常认为轴轴承承温温度度等等于于油油膜膜的的平平均均温温度度。平均温度的计算是否准确，将直接影响到润滑油粘度的大小
25、。平均温度过低，则油的粘度较大，算出的承载能力偏高；反之，则承载能力偏低。设计时，可先假定轴承平均温度(一般取tm5070)，初选粘度，进行初步设计计算。最后再通过热平衡计算来验算轴承入口油温t1是否在3545之间，否则应重新选择粘度再作计算。对于一般轴承，也可按轴颈转速n(r/min)先初估油的动力粘度(Pas)再由计算相应的运动粘度，结合轴颈圆周速度v，由表6.2和表16.3选定润滑油牌号，并选定平均温度tm。然后查图6.7，确定润滑油在tm时的动力粘度值，进行承载能力和热平衡的计算。第59页/共65页6016.5 Introduction to Other Journal Bearing
26、s 其他滑动轴承简介1.Multi-wedge Journal Bearings(多油楔滑动轴承)d)Three-wedge (single direction)a)Ellipseb)Alternatec)Three-wedge (double-direction)第60页/共65页61可倾瓦式多油楔轴承第61页/共65页622.Hydrostatic Bearings(液体静压轴承)3.Gas Bearings(气体轴承)第62页/共65页63本章学习要点本章学习要点1.润滑方法及其选择2.混合润滑径向轴承的计算准则限制平均压强p、滑动速度v、pv的目的。3.液体动力润滑径向轴承油膜承载机理；宽径比、半径间隙、相对间隙、偏心距、偏心率、最小油膜厚度等概念；影响最小油膜厚度的参数及影响关系；动力润滑状态的建立过程；宽径比、相对间隙等参数的选择原则及对承载能力的影响。第63页/共65页64Exercises(see p359 in Machine Design)16.116.1 有一混合摩擦润滑向心滑动轴承，轴颈直径d=100mm，轴承宽度B=100mm，轴的转速n=1200r/min，轴承材料为ZcuSn10P1。试问该轴承最大能承受多大的径向载荷？第64页/共65页65感谢您的观看。第65页/共65页