2.1　滑动轴承结构设计技巧与禁忌

2.1.1　滑动轴承结构形式、特点及应用

(1)径向滑动轴承的结构形式、特点及应用

① 整体式　

此种径向滑动轴承如图2⁃2所示,由轴承座、减摩材料制成的整体轴套等组成。轴承座上方设有安装润滑油杯的螺纹孔及输送润滑油的油孔,轴承座用螺栓与机座连接固定。整体式滑动轴承结构简单、易于制造、成本低廉,但在装拆时轴或轴承需要沿轴向移动,使轴从轴承端部装入或拆下,因而装拆不便。此外,在轴套工作表面磨损后,轴套与轴颈之间的间隙(轴承间隙)过大时无法调整。所以这种轴承多用于低速、轻载、间歇性工作并具有相应的装拆条件的简单机器中,如手动机械、农用机械等。

② 剖分式　此种径向滑动轴承如图2⁃3所示,它由轴承座、轴承盖、剖分式轴瓦、螺栓或双头螺柱等组成。轴承盖上开设有安装油杯的螺纹孔。轴承座和轴承盖的结合处设计成阶梯形以便定位对中,并防止错位。剖分式轴瓦由上、下两部分组成,轴瓦的内部通常加一层具有减摩性和耐磨性、由比较贵重的有色金属合金构成的轴承衬,下部分轴瓦承受载荷。剖分式径向滑动轴承的剖分面有水平(图2⁃3)、倾斜(图2⁃4)两种,在实际设计中根据具体情况而定,但是,剖分面不能开在承载区内,防止影响承载能力。轴承座、盖的剖分面间放有垫片,轴承磨损后,可用适当地调整垫片厚度和修刮轴瓦内表面的方法来调整轴承间隙,从而延长轴瓦的使用寿命。对开式滑动轴承装拆方便,易于调整轴承间隙,应用很广泛。

整体式、剖分式滑动轴承特点与应用对比列于表2⁃1中。

③ 自动调心式　自动调心式滑动轴承适用于轴系刚性较差的轴系,其结构形式如图2⁃5所示。这种滑动轴承的特点是:轴瓦外表面做成球面形状,与轴承盖及轴承座的球状内表面相配合,轴瓦可以自动调位,以适应轴颈在轴弯曲时所产生的偏斜。当轴承宽度B和轴承孔直径d之比(宽径比)大于1.5时,应采用这种轴承。

(2)推力滑动轴承结构形式、特点及应用

推力滑动轴承由轴承座和推力轴颈组成,常用的结构形式有实心式、空心式、单环式、多环式几种,见图2⁃6。其中实心式的止推面因中心与边缘的磨损不均,造成止推面上压力分布不均匀,以致中心部分压强极高,不利于润滑,因此应用不多。一般机器中通常采用空心式及单环式,此时的止推面为一环形。轴向载荷较大时可采用多环式轴颈,多环式结构还可以承受双向载荷。

上述几种推力滑动轴承结构的特点与应用列于表2⁃2中。

2.1.2　滑动轴承支撑结构应受力合理

(1)消除边缘接触

边缘接触是滑动轴承中经常出现的问题,它使轴承受力不均,加速轴承磨损,例如图2⁃7(a)所示的中间齿轮的支撑,作用在轴承上力是偏心的,它使轴承一侧产生很高的边缘压力,加速轴承的磨损,是不合理的结构。图2⁃7(b)增大了轴承宽度,受力情况得到改善,但受力仍不均匀。比较好的结构是力的作用平面应通过轴承的中心,如图2⁃7(c)、(d)所示。

支撑悬臂轴的轴承最易产生边缘接触,例如图2⁃8(a)所示一小型轧钢机减速器轴采用的滑动轴承。为了均衡轧钢机工作时的载荷,在减速器的高速轴上悬臂安装了一小直径的飞轮。由于飞轮是悬臂安装,轴挠度较大,对轴承产生偏心力矩,轴承在接近飞轮的一侧产生较大的边缘压力,加之飞轮旋转时产生剧烈的径向颤抖、振动,轴承将磨损严重,甚至烧坏轴承。若改用图2⁃8(b)的结构,在飞轮的外侧增加一个滑动轴承,悬臂轴便成为双支撑,减少了轴的挠度,消除了偏心力矩产生的边缘接触,可使减速器正常运转,轧钢机正常工作。

(2)轴承支座受力应合理

① 符合材料特性的支承结构　钢材的抗压强度比抗拉强度大,铸铁的抗压性能更优于它的抗拉性能。在有些情况下,滑动轴承支撑的结构设计应根据受力状况将材料的特性与应力分布结合起来考虑,使结构设计更为合理。例如图2⁃9的滑动轴承的铸铁支架,从受力和应力分布状况可以看出,图2⁃9(a)支座结构不够合理,而图2⁃9(b)中的拉应力小于压应力,符合材料特性。

② 减少轴承盖的弯曲力矩　图2⁃10为一连杆的大头,图2⁃10(a)较图2⁃10(b)轴承盖所受弯曲力矩大。这种场合的紧固螺栓,设计时应使其中线靠近轴瓦的会合处为宜[图2⁃10(b)]。

③ 载荷向上时轴承座应倒置　剖分式径向滑动轴承主要是由滑动轴承的轴承座来承受径向载荷的,而轴承盖一般是不承受载荷的,所以当载荷方向朝上时,为了使轴承盖不受载荷的作用,禁止采用图2⁃11(a)的安装方式,而应采用图2⁃11(b)的倒置方式,即轴承盖朝下。

(3)受交变应力的轴承盖螺栓宜采用柔性螺栓

当滑动轴承工作中,轴承盖连接螺栓受交变应力时,为使轴承盖连接牢固,提高螺栓承受交变应力的能力,可采用柔性螺栓,

在螺栓长度满足轴承结构条件下,采用尽可能大的螺栓长度,或将双头螺栓的无螺纹部分车细,其直径大约等于螺纹的内径,如图2⁃12所示。不宜采用短而粗的螺栓,因为这种螺栓承受交变应力的能力较差。

(4)不要使轴瓦的止推端面为线接触

滑动轴承的滑动接触部分必须是面接触,如果是线接触[图2⁃13(a)、(b)],则局部压强将异常增大,从而成为强烈磨损和烧伤的原因。因此,轴瓦止推端面的圆角必须比轴的过渡圆角大,必须保持滑动轴承的滑动接触部分有平面接触,如图2⁃13(c)、(d)所示。

(5)止推轴承与轴颈不宜全部接触

非液体摩擦润滑止推轴承的外侧和中心部分滑动速度不同,止推面中心部位的线速度远低于外边,磨损很不均匀,若轴颈与轴承的止推面全部接触[图2⁃14(a)、(b)],则工作一段时间后,中部会较外部凸起,轴承中心部分润滑油更难进入,造成润滑条件恶化,工作性能下降,为此可将轴颈或轴承的中心部分切出凹坑,不仅改善了润滑条件,也使磨损趋于均匀[图2⁃14(c)、(d)]。

(6)提高支座的刚度

合理设计轴承支座的结构,用受拉、压代替受弯曲,可提高支座的刚度,使支座受力更为合理,例如图2⁃15所示的铸造支座受横向力,图2⁃15(a)所示结构辐板受弯曲,图2⁃15(b)所示辐板受拉、压,显然图2⁃15(b)所示支座刚性较好,轴承支座工作时稳定性好。

(7)避免重载、温升高的轴承轴瓦“后让”

通常轴瓦与轴承座接触面在中间开槽或挖空以减少精密加工面[图2⁃16(a)],但承受轴承载荷,特别是承受重载荷的轴承,如果轴瓦薄,由于油膜压力的作用,在挖窄的部分会向外变形,形成轴瓦“后让”,“后让”部分则不构成支承载荷的面积,从而降低了承载能力。

为了加强热量从轴承瓦向轴承座上传导,对温升较高的轴承也不应在两者之间存在不流动的空气包。在以上两种场合,都应使轴瓦具有必要的厚度和刚性,并使轴瓦与轴承座全部接触[图2⁃16(b)]。

(8)轴系刚性差可采用自动调心轴承

轴系刚性差,轴颈在轴承中过于倾斜时[图2⁃17(a)],靠近轴承端部会出现轴颈与轴瓦的边缘接触,出现端边的挤压,使轴承早期损坏。消除这种端边挤压的措施一般可采用自动调心轴承[图2⁃17(b)],其特点是:轴瓦外表面制成球面形状,与轴承盖及轴承座的球状内表面相配合,轴瓦可以自动调位以适应轴颈在弯曲时所产生的偏斜。

2.1.3　滑动轴承的固定

(1)轴瓦的固定

① 轴瓦的轴向固定　轴瓦装入轴承座中,应保证在工作时轴瓦与轴承座不得有任何相对的轴向和周向的移动。滑动轴承可以承受一定的轴向力,但轴瓦应有凸缘,不宜采用图2⁃18(a)的结构。单方向受轴向力的轴承的轴瓦,至少应在一端设计成凸缘,如图2⁃18(b)所示;如果双方向受有轴向力,则应在轴瓦的两端设计成凸缘,如图2⁃18(c)所示。无凸缘的轴瓦不能承受轴向力。

② 轴瓦的周向固定　滑动轴承的轴瓦不但应轴向固定,周向也应固定,即防止轴瓦的转动。为了使轴不移动就能较方便地从轴的下面取出轴瓦,应将防止转动的固定元件安装在轴承盖上,尽量避免如图2⁃19(a)所示安装在轴承座上。防止轴瓦转动的方法一般有如图2⁃19(b)所示的三种。

③ 双金属轴瓦两金属应贴附牢固　为提高轴承的减摩、耐磨和跑合性能,常应用轴承合金、青铜或其它减摩材料覆盖在铸铁、钢或青铜轴瓦的内表面上以制成双金属轴瓦。双金属轴瓦中,两种金属必须贴附牢靠,不会松脱。图2⁃20(a)所示结构两层金属贴附牢固性差,属不合理结构。为此,必须考虑在底瓦内表面制出各种形式的榫头或沟槽[图2⁃20(b)、(c)、(d)、(e)、(f)],以增加贴附性,一般沟槽的深度以不过分削弱底瓦的强度为原则。

(2)凸缘轴承的定位

凸缘轴承的特征是具有凸缘,安装时要利用凸缘表面定位。因此,禁止采用图2⁃21(a)所示的结构,因这种结构不但不能正确地确定轴承位置,而且使螺栓受力不好,所以凸缘轴承应有定位基准面,如图2⁃21(b)所示。

2.1.4　滑动轴承的安装与拆卸

(1)轴瓦或衬套的装拆

如图2⁃22(a)、(b)所示是不合理的结构,因整体式轴瓦或圆筒衬套只能从轴向安装、拆卸,所以要使其有能装拆的轴向空间,并考虑卸下的方法。如图2⁃22(c)、(d)所示为合理结构。

(2)避免错误安装

错误安装对装配者而言是应该尽量避免的,但设计者也应考虑到万一错误安装时,不至于引起重大损失,并采取适当措施。如图2⁃23(a)所示轴瓦上的油孔,安装时如反转180°装上轴瓦,则油孔将不通,造成事故,如在对称位置再开一油孔[图2⁃23(b)],或再加一油槽[图2⁃23(c)],则可避免由错误安装引起的事故。

又如为避免图2⁃24(a)所示上、下轴瓦装错,引起润滑故障,可将油孔与定位销设计成不同直径,如图2⁃24(b)所示。

再如轴承座固定采用非旋转对称结构[图2⁃25(a)],应避免轴承座由于前后位置颠倒,而使座孔轴线与轴的轴线的偏差增大,可采用图2⁃25(b)、(c)的结构,将两定位销布置在同一侧,或使两定位销到螺栓的距离不等,即可避免上述错误的产生。

(3)拆卸轴承盖时不应同时拆动底座

零件装拆时应尽可能不涉及其它零件,这样可避免许多安装中的重复调整工作,例如图2⁃26(a)所示拆下轴承盖时,底座同时也被拆动,这样在调整轴承间隙时,底座的位置也必须重新调整,而图2⁃26(b)所示拆轴承盖时则不涉及底座,减少了底座的调整工作。

2.1.5　滑动轴承的调整

(1)磨损间隙的调整

图2⁃27(a)所示的整体式圆柱轴承磨损后间隙调整很困难。滑动轴承在工作中发生磨损是不可避免的,为了保证适当的轴承间隙,要根据磨损量对轴承间隙进行相应的调整。如图2⁃27(b)所示,剖分式轴承可在上盖和轴承座之间预加垫片,磨损后间隙变大时,减少垫片厚度可调整间隙,使之减小到适当的大小。

磨损间隙一般不一定是全周一样,而是有显著的方向性,需要考虑针对此方向的易于调整的措施或结构。如采用调整垫片应注意间隙调整方向[图2⁃28(a)、(b)],也可采用三块或四块瓦块组成可调间隙轴承[图2⁃28(c)]。

(2)确保合理的运转间隙

滑动轴承根据使用目的和使用条件的不同需要合适的间隙。轴承间隙因轴承材质、轴瓦装配条件、运转引起的温度变化以及其它因素的不同而发生变化,所以事先要对这些因素进行预测,然后合理选择间隙。工作温度较高时,需要考虑轴颈热膨胀时的附加间隙[图2⁃29(a)],图2⁃29(b)、(c)为轴承衬套用过盈配合装入轴承的情况,此时由于存在装配过盈量,安装后衬套内径比装配前的尺寸缩小,这一点不可忽视,图2⁃29(c)考虑了这一问题,而图2⁃29(b)则未考虑。

(3)曲轴支承的胀缩问题

曲轴支承多采用剖分式滑动轴承。图2⁃30(a)所示几处轴承轴向间隙很小或未留间隙,热膨胀后则容易卡死。由于曲轴的结构特点,为保证发热后轴能自由胀缩,只需在一个轴承处限定位置,其它几个轴承的轴向均留有间隙,如图2⁃30(b)所示。

(4)仪器轴尖支承结构

图2⁃31是仪器上常用的滑动摩擦轴尖支承,工作时运转件轴尖与承导件垫座之间应保持适当的间隙BC(B1C1),以使轴尖工作时既转动灵活又不卡死。图2⁃31(a)中,AB=BC/sin45°,图2⁃31(b)中,A1B1=B1C1/sin30°,尽管工作间隙两者相等,即BC=B1C1,但A1B1=AB,这说明当轴尖支承间隙相同时,锥角为90°的轴尖轴向移动较小,而锥角为60°的轴尖轴向移动较大,因此仪器轴尖支承的锥角取图2⁃31(b)所示的60°时,较图2⁃31(a)所示的90°时容易调整,也较容易达到装配要求。

2.1.6　滑动轴承的供油

(1)油孔

① 润滑油应从非承载区引入轴承　不应当把进油孔开在承载区[图2⁃32(a)],因为承载区的压力很大,显然压力很低的润滑油是不可能进入轴承间隙中的,反而会从轴承中被挤出。当载荷方向不变时,进油孔应开在最大间隙处。若轴在工作中的位置不能预先确定,习惯上可把进油孔开在与载荷作用线成45°之处[图2⁃32(b)],对剖分轴瓦,进油孔也可开在接合面处[图2⁃32(c)]。

如果因结构需要从轴中供油时,若油孔出口在轴表面上[图2⁃33(a)],则轴每转一转油孔通过高压区一次,轴承周期性地进油,油路易发生脉动,因此最好制出三个油孔[图2⁃33(b)]。

若轴不转,轴承旋转,外载荷方向不变时,进油孔不应从轴承中引入[图2⁃33(c)],而应从非承载区由轴中小孔引入[图2⁃33(d)]。

② 加油孔不要被堵塞　加油孔的通路部分,如果由于安装轴瓦或轴套时其相对位置偏移或在运转过程中其相对位置偏移,通路就会被堵塞[图2⁃34(a)],从而导致润滑失效,所以可采用组装后对加油孔配钻的方法[图2⁃34(b)],以及对轴瓦增设止动螺钉[图2⁃34(c)]。

(2)油沟

① 应使润滑油能顺利进入摩擦表面　为使润滑油顺利进入轴承全部摩擦表面,要开油沟使油、脂能沿轴承的圆周方向和轴向得到适当的分配。

若只开油孔[图2⁃35(a)],润滑较差。油沟通常有半环形油沟[图2⁃35(b)]、纵向油沟[图2⁃35(c)]、组合式油沟[图2⁃35(d)]和螺旋槽式油沟[图2⁃35(e)],后两种可使油在圆周方向和轴向都能得到较好的分配。载荷方向不变的轴承,可以采用宽槽油沟[图2⁃35(f)],有利于增加流量和加强散热。油沟在轴向都不应开通。

② 液体动力润滑轴承不可将油沟开在承载区　对于液体动力润滑轴承,油沟不应该开在承载区,因为这会破坏油膜并使承载力下降(图2⁃36)。对于非液体摩擦润滑轴承,应使油沟尽量延伸到最大压力区附近,这对承载力影响不大,却能在摩擦表面起到良好的储油和分配油的作用。用作分配润滑油脂的油沟要比用于分配稀油的宽些,因为这种油沟还要求具有储存干油的作用。

(3)油路要顺畅

① 防止切断油膜的锐边或棱角　为使油顺畅地流入润滑面,轴瓦油槽、剖分面处不要出现锐边或棱角[图2⁃37(a)],而要尽量制成平滑圆角[图2⁃37(b)、(c)],因为尖锐的边缘会使轴承中油膜被切断,并有刮伤的作用。

轴瓦剖分面的接缝处,相互之间多少会产生一些错位[图2⁃37(d)],错位部分要制成圆角[图2⁃37(e)]或不大的油腔[图2⁃37(f)]。

在轴瓦剖分面处加调整垫片时[图2⁃37(g)],要使垫片后退少许[图2⁃37(h)]。

② 不要形成润滑油的不流动区　对于循环供油,要注意油流的畅通。如果油存在着流到尽头之处,则油在该处处于停滞状态,以致热油聚集并逐渐变质劣化,不能起到正常的润滑作用,容易造成轴承的烧伤。

图2⁃38(a)所示轴承端盖是封闭的或是轴与轴承端部被闷死,则油不流向端盖或闷死的一侧,油在那里处于停滞状态,造成上述情况不能正常润滑,甚至烧伤等事故。如果在端盖处设置排油通道,从轴承中央供给的油才能在轴承全宽上正常流动[图2⁃38(b)]。

在同一轴承中,为了增加润滑油量而从两个相邻的油孔处给油[图2⁃38(c)],润滑油向里侧的流动受阻,油分别流向较近的出口,不流向中间部分,使中间部分油流停滞,容易造成轴承烧伤,可采用图2⁃38(d)所示结构,在轴承中部空腔处开泄油孔,也可使油由轴承非承载区的空腔中引入,如图2⁃38(e)所示。

③ 不要逆着离心力给油　在同样转速下的旋转轴上,大直径段的离心力大于小直径段的离心力,因此润滑油路的设计,不应采用图2⁃39(a)的形式,因为这样是逆大离心力方向注油,油不易注入。应采用图2⁃39(b)方式,从小直径段进油,再向大直径段出油,油容易由小离心力向大离心力方向流动,从而可保证润滑的正常供油。

④ 曲轴的润滑油路　内燃机主轴承中的机油必须通过曲轴的润滑油路才能到达连杆轴承。曲轴的润滑油路可用不同的方式构成,主轴承中的机油通过曲轴内的油孔直接送到连杆轴承的油路称为直接内油路。图2⁃40所示的斜油道是直接内油路的一种形式。

图2⁃40(a)所示由于油路相对于轴承摩擦面是倾斜的,机油中的杂质受离心力作用总是冲向轴承的一边,造成曲柄销轴向不均匀磨损。另外,油孔越倾斜应力集中越大,斜油道加工也很不方便,穿过曲柄臂时若位置不正确,便会削弱曲柄臂过渡圆角,可将斜油道设计成如图2⁃40(b)所示结构形式,使油孔离开曲柄平面,离心力将机油中的固体杂质甩出并附在斜油道上部,斜油道上部用作机械杂质的收集器,这样连杆轴承就能得到清洁的润滑油。

2.1.7　防止阶梯磨损

滑动轴承滑动部分的磨损是不可避免的,因此在相互滑动的同一面内,如果存在着完全不相接触部分,则由于该部分未受磨损而形成阶梯磨损。为避免或减小阶梯磨损,应采取适当的措施,下面分析几种常见的形式。

(1)轴颈工作表面不要在轴承内终止

如图2⁃41(a)所示,轴颈工作表面在轴承内终止,这样会造成轴颈在磨合时将在较软的轴承合金层面上磨出凸肩,它将妨碍润滑油从端部流出,从而引起过高的温度和造成轴承烧伤。这种场合可将较硬轴颈的宽度加长,如图2⁃41(b)所示,使之等于或稍大于轴承宽度。

(2)轴承内的轴颈上不宜开油槽

如图2⁃42(a)所示,在轴颈上加工出一条位于轴承内部的油槽,也会造成阶梯磨损,即在磨合过程中形成一条棱肩,应尽量将油槽开在轴瓦上[图2⁃42(b)]。

(3)重载低速青铜轴瓦圆周上的油槽位置应错开

对于青铜轴瓦等重载低速轴承轴瓦,在位于圆周上油槽部分的轴颈也发生阶梯磨损[图2⁃43(a)],这种场合可将上下半油槽的位置错开,以消除不接触的地方[图2⁃43(b)]。

(4)轴承侧面的阶梯磨损

如图2⁃44所示,当轴的止推环外径小于轴承止推面外径时,也会造成较软的轴承合金层上出现阶梯磨损[图2⁃44(a)],应尽量避免[图2⁃44(b)],原则上其尺寸应使磨损多的一侧全面磨损。但在有的情况下,由于事实上不可避免双方都受磨损,最好是能够避免修配困难的一方(例如轴的止推环)出现阶梯磨损[图2⁃44(c)],图2⁃44(d)所示较为合理。