滑动轴承的分类 ● 7.1.2 滑动轴承的结构和材料 径向非液体摩擦滑动轴承的条件性计算
滚动轴承的结构 滚动轴承的材料 常用滚动轴承的类型和类型选择 滚动轴承的代号 滚动轴承的设计要点
对于跨距较大的轴,因为装配误差或轴的挠曲变形的 影响,会造成轴与轴瓦在边缘接触,局部压强很大,若速 度很大则局部摩擦功也很大。这时只验算和并不能保证安 全可靠,因为和都是平均值。因此还要验算值。
滚动轴承按照其所承受载荷的方向不同,可分为三 大类:径向接触轴承、向心角接触轴承和轴向接触轴承。 径向接触轴承主要承受径向载荷;向心角接触轴承既可承 受径向载荷,又可承受轴向载荷;轴向接触轴承主要承受 轴向载荷。
1) 径向接触轴承 (1) 深沟球轴承(代号6) 主要用于承受径向载荷,也能 承受一定的双向轴向载荷。高速时可代替向心角接触球轴 承。轴承内、外圈轴线) 主要用于承受径向载荷,也能 承受较小的轴向载荷。轴承外圈滚道呈内球面形,故能自 动调心,允许内、外圈轴线) 圆柱滚子轴承(代号N) 轴承内、外圈沿轴向可作相 对移动,沿轴向可分离。能承受大的径向载荷,但不能承 受轴向载荷。内、外圈轴线允许的偏转角很小(小于2′~ 4′)。如图7.13(c)所示。
铜合金是常用的轴瓦材料。主要有锡青铜、铝青铜和 铅青铜三种,青铜的强度高,减摩性、耐磨性和导热性都 较好,但材料的硬度较高,不易跑合。它适用于中速重载、 低速重载的场合。
分为灰铸铁和球墨铸铁。材料中的片状或球状石墨成 分在材料表面上覆盖后,可以形成一层起润滑作用的石墨 层。这是这类材料可以用作轴瓦材料的主要原因。铸铁的 性能不如轴承合金和铜合金,但价格低廉,适用于低速、 轻载不重要的轴承。
摩擦表面完全被润滑油隔开的轴承称为液体 摩擦滑动轴承[如图7.2(a)所示]。这种轴承的摩擦 发生在润滑油内部,是分子间相对运动的内摩擦, 所以摩擦系数很小。由于轴承的摩擦表面不直接 接触,因此避免了轴承金属表面的磨损,是理想 的摩擦状态。但实现液体摩擦必须具备一定的条 件,且要有较高的制造精度。一般多用于高速、 精度要求较高或低速重载的场合。 摩擦表面不能被润滑油完全隔开的轴承称为 非液体摩擦滑动轴承[如图7.2(b)所示]。这种轴承 的摩擦系数较大,摩擦表面容易磨损,但其结构 简单,制造、安装方便,因此用于一般转速、载 荷不大、精度要求不高的场合。
非液体摩擦滑动轴承的设计计算是在确定 结构尺寸之后进行校核性计算。 已知条件: 轴颈直径d、转速v、载荷情况和工作要求。 设计步骤如下: (1) 确定轴承结构及轴瓦材料。根据工作条件及要求,确 定轴承结构,并按表7-1选取轴瓦材料。 (2) 选取轴承的宽径比。一般情况下取轴承的宽径比b/d = 0.5~1.5,在选定b/d后,可由轴径d计算轴承宽度b。 (3) 校核轴承的工作能力。
滑动轴承按所受载荷的方向分为径向滑动轴承和推力 滑动轴承。 1) 径向滑动轴承的结构 工作时只承受径向载荷的滑动轴承称为径向滑动轴承。 这类轴承的结构形式有整体 式、剖分式和调心式三种。 图7.3所示为整体式滑动轴承,它由轴承座和轴瓦组 成。轴瓦压装在轴承座孔中。轴承座用螺栓与机座联接, 顶部设有安装注油油杯的螺纹孔。这种轴承的结构简单, 成本低廉。但是摩擦表面磨损后,轴颈与轴瓦之间的间隙 无法调整,且轴颈只能从端部装入,使装拆不便,所以整 体式轴承常用于低速、轻载、间歇工作且不重要的场合。 如手动机械、农业机械等。
n——轴的转速(r/min); [v]——轴承材料的许用速度(m/s),见表7-1。 如以上几项计算不满足要求,可改选轴瓦材料,或改 变几何参数。 对于推力滑动轴承的计算可参阅有关资料。
滚动轴承是机械中广泛应用的标准零部件。它具有摩 擦阻力小、效率高、易于起动、润滑方便、互换性好等优 点。但其抗冲击能力差,高速时噪声大。设计时可根据载 荷性质与大小、转速及旋转精度等条件,正确选择轴承类 型和尺寸,进行轴承的组合结构设计,并确定润滑及密封 方式等。
滚动轴承的基本结构如图7.11所示,它是由内圈1、 外圈2、滚动体3和保持架4等四部分组成,其中滚动体是 滚动轴承中不可缺少的重要元件。常用的滚动体,如图 7.12所示。保持架的作用是均匀分布滚动体,以减小滚动 体的摩擦和磨损。
图7.5所示为调心式滑动轴承,它利用轴瓦与轴承座 间的球面配合使轴瓦可在一定角度范围内摆动,以适应轴 受力后产生的弯曲变形,避免图7.6所示轴与轴承两端局 部接触和局部磨损。但球面不易加工,故只用于轴承宽径 比b/d>1.5~1.75的轴承。
2) 推力滑动轴承的结构 工作时主要承受轴向载荷的滑动轴承称为推 力滑动轴承。 轴颈端面与止推轴瓦组成摩擦副。由于工作 面上相对滑动速度不等,靠近边缘处,相对滑动 速度大,磨损严重,易造成工作面上压强分布不 均。所以常设计成如图7.7(a)所示的空心轴颈或图 7.7(b)所示的单环轴颈。当载荷较大时,可采用多 环轴颈,如图7.5(c),这种结构的轴承能承受双向 载荷。轴向接触环数目不宜过多,一般为2~5个, 否则载荷分布不均现象更为严重。 上述结构形式的轴向接触轴承不易形成液体 动力润滑,通常处在非液体摩擦状态。故多用于 低速、轻载的场合。
非液体摩擦轴承工作时,因其摩擦表面不能被润滑油 完全隔开,只能形成边界油膜,可能存在局部金属表面的 直接接触。因此,轴承工作表面的磨损和边界油膜的破坏 导致工作表面的胶合是其主要失效形式。而边界膜的强度 与轴瓦材料有关,还与摩擦表面的压力和温度有关。温度 高、压力大边界膜容易破坏。非液体摩擦轴承设计时一旦 材料选定,则应限制温度、压力和速度。但计算每点的压 力很困难,目前只能用限制平均压强的办法进行条件性计 算。
● 7.1.1 滑动轴承的分类 机器中用来支承轴的部件叫轴承(如图7.1所示)。根据 轴承工作时的摩擦性质,轴承可分为滚动摩擦轴承(简称 滚动轴承)和滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)。
由于滚动轴承具有摩擦阻力较小,机械效率较高,标 准化程度高等特点,使其在中、低转速以及精度要求较高 的机械中得到广泛应用。但在许多情况下又必须采用滑动 轴承,这是因为滑动轴承具有一些滚动轴承不能替代的特 点。 滑动轴承工作表面的摩擦状态有液体摩擦和非液体摩 擦之分
轴承材料是指与轴颈直接接触的轴瓦或轴承 衬的材料。滑动轴承最常见的失效形式是轴瓦磨 损和胶合(烧瓦),所以对轴瓦的材料和结构有些 特殊要求。轴承材料应具有以下性能:足够的强 度(包括抗压强度、疲劳强度);良好的减摩性、 耐磨性和跑合性;较好的抗胶合性;较好的顺应 性和嵌藏性;良好的导热性及加工工艺性等。 应该指出的是,任何一种材料很难全面满足 这些要求。因此在选材料时,应根据轴承的具体 工作条件,有侧重地选用较合适的材料。
轴承的内、外圈和滚动体,一般是用强度高、 耐磨性好的铬锰高碳钢制造。常用牌号如GCr15、 GCr15SiMn等(G表示滚动轴承钢),热处理后硬度 可达到62HRC~65HRC。由于一般轴承的这些元件 都经过150℃的回火处理,所以通常当轴承的工作 温度不高于120℃时,零件的硬度不会下降。保持 架一般用低碳钢板、铜合金、铝合金、酚醛胶布 或塑料做成。
滚动体与外圈接触处的法线和轴承径向平面(垂直于 轴承轴心线的平面)之间的夹角称为公称接触角,用α 表 示,如图7.13(d)和图7.13(e)所示。向心角接触轴承的受 力分析和承载能力等都与公称接触角有关。公称接触角α 越大,轴承承受轴向载荷的能力也越大。 (1) 角接触球轴承(代号7) 该轴承能同时承受径向 载荷和单方向轴向载荷。公称接触角α 有15°、25°和 40°三种。极限转速较高,一般应成对使用。轴承间隙可 调整,内、外圈轴线) 圆锥滚子轴承(代号3) 轴承能同时承受较大的 径向和单方向轴向载荷。内、外圈沿轴向可以分离,故轴 承的装拆方便,轴承的径向、轴向游隙可调整,向心角接 触轴承都应成对使用。内、外圈轴线(e)所示。
F——轴承承受的径向载荷(N); b——轴承宽度(mm); d——轴颈直径(mm); [p]——轴承材料的许用平均压强(MPa),见表7-1 。
② 验算轴承的pv值 轴承温度对边界膜的影响很大。而轴承内各点的温度 不同,目前尚无适用的温度计算公式。但轴承温度的升高 是由摩擦功耗引起的,设平均压强为,线速度为,摩擦系 数为,则单位时间内单位面积上的摩擦功可视为,因此, 在摩擦系数一定的情况下可以用限制表征摩擦功的特征值 来限制摩擦功耗。
图7.4所示的剖分式滑动轴承是轴承的常见 形式。它由轴承座1、轴承盖2、剖分轴瓦3、双头 螺柱4等组成。轴承盖与轴承座的剖分面应尽量取 在垂直于载荷的直径平面内,为防止轴承盖和轴 承座横向错位,并便于装配时对中,剖分面上开 有定位止口,同时可通过放置于轴承盖与轴承座 之间的垫片以调整磨损后轴颈与轴瓦之间的间隙。 剖分式滑动轴承在拆装轴时,轴颈不需要轴 向移动,故拆装方便。图中给出的35°角为允许 载荷方向偏转的范围。
轴瓦是轴承与轴颈直接接触的零件,对于重要轴承, 在轴瓦内表面还浇铸一层减摩性能好的轴承衬。轴承衬应 可靠地贴合在轴瓦基体表面上,为此可采用如图7.8所示 的结合型式。轴瓦是滑动轴承的主要零件,有整体式(用 于整体式轴承,如图7.9所示和剖分式(用于剖分式轴承, 如图7.10所示)。并在轴瓦上制出油孔与油沟,以便于给 轴承加注润滑油,使摩擦表面得到润滑。油孔与油沟的位 置应设置在不承受载荷的区域内。为了使润滑油能均匀分 布在整个轴颈上,油沟应有足够的长度,通常可取轴瓦长 度的80%。
粉末冶金是一种多孔金属材料,由铜、铁、石墨等粉末经压制、 烧结而成,若将轴承浸在润滑油中,使微孔中充满润滑油,则称为 含油轴承,具有自润滑性能。但该材料韧性小,只适用于平稳的无 冲击载荷及中、小速度情况下。 除了上述几种材料外,还可采用非金属材料,如塑料、尼龙、 橡胶等作为轴瓦材料。常用轴瓦材料的性能和应用见表7-1。
滚动轴承的承载能力计算 ● 7.3.1 滚动轴承的失效形式 ● 7.3.2 6个基本概念 ● 7.3.3 三个基本计算 ● 7.3.4 两个设计准则 ● 7.4 滚动轴承的组合设计 ● 7.4.1 轴系的固定 ● 7.4.2 滚动轴承的配合 ● 7.4.3 滚动轴承组合结构的调整 ● 7.4.4 滚动轴承的装拆 ● 7.4.5 滚动轴承的润滑 ● 7.4.6 滚动轴承的密封 ●习 题
轴承合金有锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两类。这两 类合金分别以锡、铅作为基体,加入适量的锑、铜制成。 基体较软,使材料获得塑性,硬的锑、铜晶粒起抗磨作用。 因此,这两类材料减摩性、跑合性好,抗胶合能力强,适 用于高速和重载轴承。但合金的机械强度较低,价格较贵, 故只用于作轴承衬材料。