第11章轴承设计教学内容摩擦状态滑动轴承滚动轴承滚动轴承组合结构设计第11章轴承设计教学目标了解摩擦状态；掌握非液体润滑滑动轴承的材料、结构形式、润滑和设计计算；了解液体动压润滑的形成机理及其形成的必要条件；掌握滚动轴承的结构、类型和代号；掌握选择滚动轴承类型的基本方法；掌握滚动轴承寿命计算的基本理论及方法；合理进行滚动轴承结构设计。第11章轴承设计重点非液体润滑滑动轴承设计滚动轴承的类型和代号滚动轴承寿命计算的基本理论及方法滚动轴承组合结构设计难点滚动轴承寿命计算的基本理论及方法滚动轴承组合结构设计第11章轴承设计轴承是机器中支承轴及轴上零件的部件。根据轴承工作时摩擦性质的不同，轴承可分为滑动轴承滚动轴承11.1摩擦状态滑动轴承的摩擦状态滑动轴承的运动形式是以轴颈与轴承瓦相对滑动为主要特征，亦即摩擦性质为滑动摩擦。滑动轴承的润滑条件不同，会出现不同的摩擦状态。滑动轴承的摩擦状态一般分为干摩擦状态、边界摩擦状态、液体摩擦状态和混合摩擦状态，如图11-1所示。干摩擦：两摩擦表面直接接触，相对滑动，中间不存在任何润滑剂，称为干摩擦。液体摩擦：两摩擦表面被液体层完全隔开，摩擦性质仅取决于液体内部分子之间粘性阻力的摩擦状态称为液体摩擦。11.1摩擦状态边界摩擦：两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性质的摩擦状态称为边界摩擦。混合摩擦：在实际应用中，轴承工作表面有时是边界摩擦和液体摩擦并存的混合状态，称为混合摩擦。高速长期运转的轴承多要求在液体摩擦状态下工作；一般工作情况下的轴承则维持边界摩擦或混合摩擦状态。11.2滑动轴承滑动轴承的类型按其承受载荷的方向分为径向轴承止推轴承按其滑动表面间润滑状态的不同分为液体润滑轴承不完全液体润滑轴承自润滑轴承液体润滑按其承载机理的不同分为液体动力润滑轴承液体静压润滑轴承滑动轴承的主要结构形式整体式径向滑动轴承特点：结构简单，成本低廉；无法调整间隙，装拆不方便。应用范围：低速、轻载或间隙工作的机器中。如农业机械、手动机械等。对开式径向滑动轴承特点：装拆方便，间隙可调；与整体式滑动轴承相比，结构复杂，成本较高。应用广泛。止推滑动轴承单环式：结构简单，润滑方便。广泛用于低速、轻载的场合。多环式：能承受较大的轴向载荷，有时还能承受双向的轴向载荷。轴瓦结构轴瓦是轴承的重要元件，它与轴相对滑动构成滑动摩擦副，所以轴瓦应用减摩材料制成。整体式轴承的轴瓦为一整体轴承套。剖分式轴承的轴瓦由上、下两半组成。为了将润滑油引入轴承，并布满于工作表面，轴瓦上开有供油孔和油沟。供油孔和油沟应开在轴瓦的非工作区，否则会降低油膜承载能力。轴向油沟也不应在轴瓦全长上开通，以免润滑油自油沟端部直接大量泄漏。常见油沟形式如图11-7所示。轴瓦结构滑动轴承的失效形式常见失效形式磨粒磨损刮伤咬粘（胶合）疲劳剥落腐蚀此外还有流体侵蚀、电侵蚀和微动损伤等。主要失效形式是磨粒磨损和胶合。滑动轴承的常用材料轴承材料：轴承衬和轴瓦的材料根据轴承的主要失效形式，对轴承材料的主要要求是：良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性。减摩性好是指配对材料的摩擦因数低。耐磨性是指单一材料抵抗磨粒磨损和胶合的性质。良好的跑合性、顺应性、嵌藏性和塑性。跑合性好是指经短期轻载运转，即可进入低磨损率的正常磨损期。顺应性是指轴承材料顺应对中误差及其几何误差的能力。嵌藏性是指轴承工作表面落上硬颗粒后，硬颗粒能嵌入轴承表面，而不损伤轴颈表面的特性。良好的导热性能、加工工艺性。足够的强度，热膨胀系数低和良好的抗腐蚀性能。常用的轴承材料金属材料（轴承合金、青铜、铸铁）多孔质金属材料非金属材料。滑动轴承的常用材料1.轴承合金（又称巴式合金）轴承合金有锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两类。轴承合金由于其特有的金属组织，具备了作轴承材料的优良性质，并且易浇注，但由于其机械强度低、价格高，故通常作为轴承衬材料，浇注在青铜、钢或铸铁轴瓦上。锡基轴承合金的热膨胀系数比铅基轴承合金的低，常用于高速、重载机械。铅基轴承合金常用于中速、中载机械。2.青铜在一般机械中，有50%滑动轴承采用青铜材料。青铜主要有锡青铜、铅青铜和铝青铜等。铝青铜的强度和硬度都较高，但抗胶合能力差。适用于重载、低速机械。滑动轴承的常用材料3.铸铁常用铸铁材料有灰铸铁和减摩铸铁。由于铸铁材料塑性差，跑合性差，故只用于低速、轻载或不重要的场合。4.其他材料除上述常用的三种金属材料外，轴承材料还可以采用多孔质金属材料和非金属材料。用多孔质金属材料制成的轴承，又称含油轴承。这种轴承主要用于轻载、低速和不易注油的场合。非金属材料中应用最多的是各种塑料如尼龙、夹布胶木等。塑料材料具有摩擦因数低、抗压强度高、耐磨性好等优点。但导热能力差。因此应注意冷却。常用金属轴瓦材料的性能和许用值见表11-1。滑动轴承润滑剂的选用润滑脂及其选用润滑油及其选用非液体润滑滑动轴承设计计算采用润滑脂或滴油润滑的径向滑动轴承，在相对运动表面难以产生一个完全的承载油膜，轴承只能在混合摩擦润滑状态下运转。在工程上，这类轴承常以维持边界膜不遭破坏作为设计的最低要求。但是促使边界膜破坏的因素较复杂，目前采用简化的条件性设计计算。这种方法一般只适用于工作可靠性要求不高的低速、重载或间隙工作的轴承。径向滑动轴承的设计计算已知轴承载荷、轴颈转速和轴颈直径，进行验算。限制轴承工作面的平均比压p、轴承的平均比压与相对滑动速度v的乘积pv以及v值，以保证轴承的摩擦状态。限制轴承的平均比压限制轴承的pv值限制轴承的相对滑动速度v轴承宽度与轴颈直径之比（B/d）称为宽径比。轴承太窄或太宽，都会降低承载能力。一般推荐用B/d=0.8～1.5。滑动轴承的常用配合（间隙配合）有：H9/d9、H8/f7、H7/f6等。止推滑动轴承的设计计算推力滑动轴承的工作面为轴颈端面，多为环形面，如图11-12b所示。其计算方法和径向滑动轴承类似。限制轴承的平均比压p限制轴承的pv值多环轴颈的环数不宜过多。考虑到各环受力的不均匀，多环轴承的各环[pv]按表11-1中所列值的70%计。液体摩擦滑动轴承简介油膜承载机理用润滑油把摩擦表面完全分隔开时的摩擦，称为液体摩擦。这种摩擦的性质取决于润滑油的粘度，而与两个摩擦表面的材料无关。获得液体摩擦主要有两种方法：用油压把轴颈顶起，强制形成压力油膜来实现液体摩擦的轴承称为液体静压轴承（轴承处于液体静力润滑状态）。利用轴颈本身的泵油作用，把油带入摩擦面间，建立压力油膜而把摩擦面分开，用这种方法来实现液体摩擦的轴承称为液体动压轴承（轴承处于液体动力润滑状态）。油膜产生压力的原理动压演示液体动压滑动轴承液体动力润滑的基本方程式就是润滑油膜压分布的微分方程，即雷诺方程。建立方程的假设条件是：流体为牛顿流体，即流体的流动是层流，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； 流体不可压缩，故流体中没有“洞”可以“吸收”流质； 油与板面吸附牢靠，表面油分子随板面一起运动或静止，两者之间无滑动出现； 流体膜中的压力沿膜厚方向是不变的； 油在两平板之间沿z 轴方向没有流动，即 z方向为无限宽。 液体动压滑动轴承 一维雷诺方程 流体动力润滑形成的必要条件 相对滑动的两表面间必须有收敛的楔形空间； 必须具有足够的相对滑动速度，并保证流体由大口进入； 润滑油必须有一定的粘度，供油充分。 径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程 确定轴承结构及润滑方式采用剖分式径向滑动轴承，旋盖式注油杯注脂润滑。 选轴承材料该轴承为中速、中载轴承轴承设计，选用ZCuSn5Pb5Zn5材料，由表11-1查得[p] 确定轴承宽度轴承载荷中等，取B/d 校核轴承p、v及pv值 MPa [pv]由计算可知所选轴承材料、几何尺寸符合要求。 滑动轴承的类型按其承受载荷的方向分为径向轴承；止推轴承。 液体润滑轴承；不完全液体润滑轴承；自润滑轴承。 滑动轴承的主要结构形式 整体式径向滑动轴承； 对开式径向滑动轴承； 止推滑动轴承。 滑动轴承的失效形式 磨粒磨损、咬粘（胶合）、疲劳剥落。 轴承常用材料金属材料（轴承合金、青铜、铸铁） 多孔质金属材料 非金属材料。 常用轴瓦结构 整体式轴承 剖分式（对开）轴承。 非液体润滑滑动轴承设计计算 限制轴承工作面的平均比压 限制轴承的平均比压与相对滑动速度v的乘积pv限制相对滑动速度v值 11.3 滚动轴承 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。 滚动轴承的三大功能： 支撑轴及轴上的零件； 保持轴的旋转精度； 减轻转动副的摩擦和磨损。 滚动轴承是标准件。 滚动轴承的结构及材料。 构造 滚动体 滚动轴承的主要类型及其代号 滚动轴承的特点 摩擦因数小，启动力矩小，传动效率高。 轴向尺寸较小，径向尺寸比滑动轴承大。 某些滚动轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。运转精度较高。 可方便地应用于空间任何方位的轴上。 对金属屑等异物特别敏感。 滚动轴承的主要类型 滚动轴承按其所能承受的载荷方向可分为 向心轴承 主要承受径向载荷Fr。 推力轴承 只能承受轴向载荷Fa。 向心推力轴承 能同时承受径向载荷和轴向载荷。 按滚动体类型分为 球轴承 滚子轴承 滚针轴承 常用轴承类型 更多滚动轴承的类型、性能及特点见表11-2。 滚动轴承的代号 滚动轴承是标准件，国标规定了滚动轴承代号的表示方法，即使用字母加数字来描述滚动轴承的类型、尺寸、公差等级和结构特点等内容，并将代号打印在轴承的端面上。 滚动轴承代号的组成见表11-3。 型号举例 滚动轴承代号比较复杂，若遇到看不懂的代号时，应查轴承手册或机械设计手册。 滚动轴承类型的选择 重点考虑 工作载荷（大小、方向和性质） 转速的高低 对调心性能的要求 此外，还要考虑轴承的安装、拆卸、经济性等方面的要求。 轴承所受的载荷 载荷大小 重载荷 滚子轴承（线接触）轻载荷和中等载荷 球轴承（点接触）载荷的方向 纯径向载荷 圆柱滚子轴承、滚针轴承纯轴向载荷 推力轴承以径向载荷为主 深沟球轴承径向载荷和轴向载荷都较大 角接触球轴承或圆锥滚子轴承载荷性质 冲击载荷 用滚子轴承。轴承的转速 高速或要求旋转精度高 优先选用球轴承转速较低、载荷较大或有冲击载荷 宜选滚子轴承 转速较高时、轴向载荷不十分大 可采用角接触球轴承轴承手册上可以查到每一种轴承的极限转速 调心性能的要求 轴承内外圈之间偏斜角较大时，可选用调心轴承。 轴的刚度和轴承座孔的支承刚度较低时，应尽量避免使用圆柱滚子和滚针等轴承。 安装、调整性能内外圈可分离的轴承：圆柱滚子轴承N0000、滚针轴承NA0000、圆锥滚子轴承30000等。 刚性要求 一般可通过轴承的预紧来提高轴承的刚性。 经济性： 精度越高，价格越昂贵。 滚动轴承的失效形式 滚动轴承的失效形式 疲劳点蚀 通常疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式。 塑性变形 低速轴承在过大的冲击载荷或静载荷下，会使套圈滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限，滚道和滚动体会出现不均匀的永久塑性变形凹坑。 磨损 滚动体和内外圈的工作面产生磨损。速度过高时还会出现胶合、表面发热甚至滚动体回火等现象。