机械设计基础--第十一章(轴 承)

Fundamentals of Machine Design
（第十一章）
第十二章 轴 承
一、基本内容及学习要求 二、学习指导 三、典型实例分析 四、复习题 五、复习题参考答案
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一、基本内容及学习要求
1．基本内容 ⑴ 滑动轴承的结构类型及特点； ⑵ 轴瓦的材料与结构； ⑶ 滑动轴承的润滑； ⑷ 非液体摩擦滑动轴承的计算； ⑸ 滚动轴承的类型及特点，滚动轴承的代号； ⑹ 滚动轴承的类型选择； ⑺ 滚动轴承的失效形式； ⑻ 滚动轴承的疲劳寿命计算和静强度计算。
二、学习指导
4. 轴瓦。 轴瓦是滑动轴承中的关键零件，其工作表面既是承载表面， 又是摩擦表面。因此，轴瓦的材料选取是否适当以及结构是否 合理，对滑动轴承的性能将产生很大的影响。
⑴ 轴瓦和轴承衬的材料
① 对轴承材料的基本要求是：要有足够的强度；良好的减 摩性和耐磨性；良好的塑性、顺应性和嵌入性；良好的导热性 和抗胶合性。
b) 钠基润滑脂：有较好的耐热性（使用温度可达 140oC ），但耐水性较差；
c) 锂基润滑脂：其耐热性和耐水性都较好，使用温 度在－20oC~150oC 。
二、学习指导
润滑脂常用于低速、重载和为避免润滑油流失或不易 加润滑油的场合。
润滑脂的主要性能指标是针入度和滴点。针入度表示 润滑脂的粘稠程度，它是用150g的标准圆锥体放于25oC的 润滑脂中，经5s后沉入的深度（单位为 0.1mm）表示。针 入度愈小，则润滑脂越粘稠。滴点是指润滑脂在滴点计中 受热后滴下第一点油时的温度，滴点标志润滑脂的耐高温 能力。选用时应使润滑脂的滴点高于工作温度20oC以上。
二、学习指导
③ 固体润滑剂。固体润滑剂有石墨、二硫化钼（MoS2）、 聚四氟乙烯等。它通常与润滑油或润滑脂混合使用，也可以单 独涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜，或者混入金属或塑料粉 末中烧结成形，制成各种耐磨零件。石墨性能稳定，在 350oC 以上才开始氧化 ，并可在水中工作。聚四氟乙烯摩擦因数低， 只有石墨的一半。二硫化钼吸附性强，摩擦因数低，适用温度 范围广（－60oC~300oC ），但遇水后性能会下降。
二、学习指导
⑥ 径向尺寸受限制的轴承。滑动轴承的径向尺寸比滚动轴 承的小（但轴向尺寸比滚动轴承大）。
⑦ 在特殊环境下工作的轴承。如在水或腐蚀性介质中工作。 ⑧ 在一般工作条件下，但要求结构紧凑、简单及价廉等情 况时，也常用滑动轴承。 ⑶ 滑动轴承的特点 ①高速、高精度、重载、巨大冲击和振动的工作条件。 ②结构简单、紧凑的一般工作条件和特殊的工作环境。 ⑷ 径向滑动轴承的主要结构形式有整体式和剖分式，一般 由轴承座、轴瓦、润滑装置和密封装置等组成。
二、学习指导
3．滑动轴承的类型、结构及特点 ⑴ 滑动轴承的类型 滑动轴承按所承受载荷的方向分为径向滑动轴承和推力滑动轴 承。 ⑵ 滑动轴承的应用范围 ① 工作转速很高的轴承。因滚动轴承在很高转速下，寿命大 大降低。 ② 对轴的支承位置精确性要求很高的轴承。 ③ 特重型轴承。 ④ 承受巨大冲击和振动载荷的轴承。因滑动轴承中的油膜有 缓冲和减振作用。 ⑤ 根据装配要求必须做成剖分式的轴承。如曲轴用的轴承。
p F [ p] Bd
pv F dn Fn [ pv]
Bd 60 1000 19100B
v dn [v]
60 1000
校核结果不能满足要求时，应根据具体情况改进轴瓦材料 或改变轴承尺寸（B或d），直到满足要求为止。对于低速或间 歇转动轴的轴承只需进行压强校核。
选择轴承配合：根据不同的使用条件选择轴承的配合，以 保证适当的间隙和旋转精度。
二、学习指导
5. 滑动轴承的润滑 润滑的目的是：降低摩擦功耗，减小磨损，同时还起到冷 却、吸振和防锈等作用。润滑对轴承的工作能力和使用寿命影 响很大。因此，必须合理选择润滑剂及润滑装置。
⑴ 润滑剂
常用的润滑剂有：润滑油、润滑脂和固体润滑剂。为提高润 滑剂的使用性能，常在润滑油和润滑脂中加入各种添加剂。
二、学习指导
c) 非金属材料。非金属材料主要有塑料、石墨、陶瓷、 木材和橡胶等。塑料轴承的塑性、跑合性、耐腐蚀性、耐 磨性好，具有一定的自润滑作用；但其导热性差，所以要 注意冷却，可用于不宜使用润滑油的机器中。橡胶轴承是 用硬化橡胶制成，由于橡胶弹性大，所以可用于有振动的 机器，也用于水润滑且有灰尘或泥砂的场合。
二、学习指导
⑵ 轴瓦的结构 径向轴瓦有整体式和对开式两种结构。整体式轴瓦 按材料和制法可分为卷制轴套、双金属轴套、整体轴套 和粉末冶金轴套等。 剖分式轴瓦分为厚壁轴瓦和薄壁轴 瓦两种，厚壁轴瓦采用离心铸造法，在铸铁、铜或青铜 轴瓦内表面上浇注一层轴承合金。为使轴承衬与轴瓦贴 合牢固，常在轴承内表面上制出头沟槽或螺纹。
二、学习指导
⑷ 推力滑动轴承
非液体摩擦推力滑动轴承的计算与径向滑动轴承相似。 多环推力轴承校核公式为
校核轴承压强p：
p
4
F
(d
2 2
d12 )Z
[ p]
校核pvm值： pvm≤[pv]
二、学习指导
7. 滚动轴承的类型、特点和选择
⑴ 滚动轴承的结构和类型
① 滚动轴承的结构一般由外圈、内圈、滚动体和保持架组 成。内、外圈分别与轴颈和轴承座孔配合。当内、外圈相对转 动时，滚动体沿滚道滚动。保持架的作用是将滚动体均匀地分 隔开，避免滚动体直接接触产生磨损。
② 常用的轴承材料有：金属材料、多孔质金属材料和非金料。 轴承合金：它是锡、铅、锑、铜的合金，具有 良好的减摩性和抗胶合能力，顺应性、嵌入性和跑合性也很好，但 强度低、硬度低、价格高，不能单独制成轴瓦，只能作为轴承衬材 料使用。主要用于重载和中、高速的工作场合。
铜合金：它是铜与锡、铅、锌、铝的合金，是广泛使用的轴承 材料。铜合金具有较高的强度和较好的减摩性和耐磨性，但顺应性、 嵌入性和跑合性不如轴承合金。铜合金分青铜和黄铜两类。青铜的 减摩性和耐磨性比黄铜好，是最常用的轴承材料。青铜有锡青铜、 铅青铜和铝青铜等几种，其中锡青铜的减摩性、耐磨性和抗腐蚀性 能最好，适用于中速、重载的场合。铅青铜具有较高的抗胶合能力 和冲击韧性，适用于高速、重载的场合。铝青铜的强度和硬度都较 高，适用于低速、重载的场合。黄铜适用于低速、中载的场合。
二、学习指导
③ 摩擦表面的工作温度对边界油膜的性能影响很大。当 达到临界温度时，吸附膜就会破裂，使摩擦磨损加剧。而反 应膜在临界温度时才开始生成并起润滑作用。所以正确使用 添加剂，控制好轴承的工作温度，对提高边界油膜的润滑性 能至关重要。
摩擦状态在一定条件下是可以转换的，对液体动压润滑 轴承来说，启动阶段处于边界摩擦，随着轴承转速的提高， 经混合摩擦逐渐过渡到正常运转条件下的液体摩擦。
一、基本内容及学习要求
2．学习要求 ⑴ 了解滑动轴承的类型、特点及应用场合； ⑵ 掌握径向和推力滑动轴承的典型结构和轴瓦的结构； ⑶ 了解轴瓦的材料及轴承的润滑； ⑷ 掌握非液体摩擦滑动轴承的设计计算； ⑸ 了解各类型轴承的特点、代号（熟练掌握基本代号和后置 代号的意义），能正确选择轴承类型； ⑹ 在理解滚动轴承受载情况和失效形式的基础上，掌握滚动 轴承的尺寸选择计算； ⑺ 掌握滚动轴承组合设计方法，正确设计滚动轴承轴系部件 的结构；
滚动轴承的内、外圈和滚动体应具有高的硬度和接触疲劳 强度，良好的耐磨性和冲击韧性。一般用含铬轴承钢制造，经 热处理后，硬度不低于60～65HRC，工作表面要求磨削抛光。 保持架多采用钢板冲压制成，也可采用黄铜、硬铝或塑料制成 实体保持架。
② 非液体摩擦是边界摩擦与混合摩擦的统称，处于此摩擦 状态的最低要求是：始终维持边界油膜的存在，这也是非液体滑 动轴承的设计准则。
③液体摩擦是滑动轴承理想的摩擦状态，但实现液体摩擦是 有条件限制的，所以实际中使用较多的往往是非液体摩擦轴承。
二、学习指导
2. 边界摩擦的几个主要特点 ① 边界摩擦是指在运动副中存在一层极薄油膜时的摩擦。 它既不同于干摩擦（因为它对滑动轴承有一定的润滑作用）， 也不同于液体摩擦（因为它的油膜厚度不足以将两金属表面完 全分开），故润滑作用显著低于液体摩擦。 ② 边界油膜有两种形式：吸附膜和反应膜。它与润滑油 的性能密切相关。润滑油在摩擦表面形成吸附膜的能力称为油 性，而形成反应膜的能力称为极压性。在润滑油中加入油性添 加剂或极压添加剂，可使边界油膜的润滑性能大大提高。
二、学习指导
⑵ 润滑方法 润滑方法是指向摩擦副表面供给润滑剂的方法。几种常 用的润滑方法是：手加油润滑、滴油润滑、油环润滑、飞溅 润滑、压力润滑等。 润滑方法的选择，可以根据下面的经验公式确定：
K pv3
当K≤2时采用脂润滑，旋盖式油杯；K>2～16时采用油润 滑，针阀式油杯；K>16～32时采用油润滑，油环、飞溅或压 力循环润滑；K>32时，压力润滑。
二、学习指导
薄壁轴瓦可采用轧制或浇结法制造。在钢背上用轧 制或金属粉末烧结的方法，使轴瓦材料贴附在钢背上， 然后经冲裁、弯曲成形及精加工等工序制成。薄壁轴瓦 适用于大批量生产，在汽车发动机上广泛应用。
为了使润滑油能流到轴瓦的整个工作面上，轴瓦上 要开出油孔和油沟。通常油孔和油沟开在非承载区，这 样可以保证承载区油膜的连续性，提高承载能力，使润 滑油能均匀地分布在整个轴颈长度上。
一、基本内容及学习要求
⒊ 重点 本章的重点是非液体摩擦滑动轴承的设计计 算、滚动轴承疲劳寿命计算和组合设计。
⒋ 难点 非液体摩擦滑动轴承的设计计算和滚动轴承 疲劳寿命计算是本章的难点。
二、学习指导
1. 摩擦状态
摩擦可分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦四种状 态。
① 干摩擦的摩擦阻力最大，磨损也最严重，在滑动轴承中 表现为强烈的温升甚至把轴瓦烧坏，所以在滑动轴承中不允许出 现干摩擦。
① 润滑油。润滑油有：动、植物油、矿物油和合成油。矿 物油来源充分，成本低廉，适用范围广，是应用最广泛的液 体润滑剂。
二、学习指导
润滑油主要性能是粘度，粘度表征液体流动的内摩擦性 能，粘度越大的液体其内摩擦阻力大，有利于形成油膜，承 载后油膜不易被破坏。粘度是选择润滑油的主要依据。
影响润滑油粘度的因素主要是温度和压力。温度升高时， 粘度降低；压力加大时，粘度升高，但压力在 5 MPa以下时， 粘度的变化很小，可以忽略不计。
选择润滑油时，应考虑速度、载荷和环境条件。对于速 度低、载荷大、温度高的轴承应选用粘度大的油；反之，选 用粘度小的油。
二、学习指导
② 润滑脂。润滑脂是一种膏状的半固体润滑剂，它 是在润滑油内加入稠化剂（如钙、钠、铝、锂等金属皂） 混和稠化而成。按所用金属皂的不同，润滑剂主要有：
a) 钙基润滑脂：耐水性好，但耐热性较差（使用温 度不超过 60oC ）；
二、学习指导
⑶ 径向滑动轴承设计 原始数据：轴的直径d、转速n和径向载荷F。 设计步骤： ① 确定轴承类型：根据工作条件和使用要求，确定轴承 类型和选取轴瓦材料。 ② 确定轴承宽度：根据轴承的宽径比B/d (推荐用 B/d=0.5～1.5)，确定轴承宽度B。 ③ 校核轴承工作能力。
二、学习指导
校核轴承压强 校核轴承pv值 校核滑动速度v
二、学习指导
6. 非液体摩擦滑动轴承的计算 ⑴ 主要失效形式 非液体摩擦滑动轴承的主要失效形式为过度磨损和胶合， 处于变载荷条件下工作的轴承还可能发生疲劳破坏。 ⑵ 设计依据 维持边界油膜不遭破坏。由于影响边界油膜破裂的因素很 复杂，尚缺乏可靠的计算方法。因此，通常采用条件性的计算 方法，即： ① 防止过度磨损而限制轴承的压强 p； ② 防止轴承因温升过高发生胶合而限制 pv值； ③ 防止轴承边缘局部发生严重磨损而限制滑动速度 v。
二、学习指导
铸铁：包括普通灰铸铁或加有镍、铬、钛等合金成分的耐磨 铸铁和球墨铸铁，铸铁具有一定的减摩性和耐磨性，价格低廉， 易于加工；但塑性、顺应性、嵌入性差，故适用于轻载、低速和 不受冲击的场合。
b) 多孔质金属材料。多孔质金属材料制成的轴承又称含油轴 承，它具有自润滑作用。这种材料是用金属粉末经压制和烧结而 成，材料呈多孔结构，轴承工作前经热油浸泡，使孔隙内充满润 滑油。工作时由于热膨胀以及轴颈转动的抽吸作用，使油自动进 入润滑表面；不工作时因毛细管作用，油被吸回轴承内部。若能 定期浸油，效果更佳。这种材料耐磨性好，价格比青铜低，但强 度较差，故适用于不便加油的中低速、平稳无冲击载荷的场合。