變速箱徑向滑動軸承的優(yōu)化設計

□ 李 健 □ 鄢萬斌

廣西柳工機械股份有限公司傳動件研究所 廣西 柳州 545007

滑動軸承是機械設備中的重要支承部件，在高速、高精度、重載和結構要求剖分等場合，滑動軸承仍占有重要地位，滑動軸承主要有以下作用。

（1）運轉噪聲低。

（2）載荷、轉速幾乎不受限制。

（3）實現(xiàn)了油膜潤滑后,其理論壽命無限。即使滑動軸承不能使用了,對與它有關的零部件通常不造成損壞或只造成輕微的損傷。

滑動軸承按其承受載荷方向的不同，可分為徑向滑動軸承（承受徑向載荷）和止推滑動軸承（承受軸向載荷）。機械設備的使用壽命及其運行的穩(wěn)定性與滑動軸承有直接關系，滑動軸承設計參數(shù)選取是否合適直接影響了其使用性能。

1 徑向滑動軸承油膜形成原理

徑向滑動軸承承受的載荷通過兩滑動面間的油膜來傳遞，工作時應保證潤滑的最小油膜厚度，使兩工作面不發(fā)生接觸，且油液系統(tǒng)允許的最大雜質顆粒不會卡滯在軸承工作表面之間的間隙中。徑向滑動軸承動壓油膜形成的原理為：徑向滑動軸承的軸頸與軸孔間必須留有間隙，軸靜止時軸頸處于軸承孔最下方的穩(wěn)定位置，并與軸瓦接觸，兩表面間自然形成一收斂的楔形空間。滿足形成動壓油膜的首要條件如圖1（a）所示，當軸頸開始轉動時，速度極低，此時軸承與軸瓦主要是金屬接觸和直接摩擦，進入軸承間隙中的油量較少，軸瓦對軸頸摩擦力的方向與軸頸表面圓周速度方向相反，迫使軸頸在摩擦力作用下沿孔壁向右爬升（圖 1（b））；隨著轉速的增大，軸頸表面的圓周速度增大，進入楔形空間的油量也逐漸加多，這時右側楔形油膜產(chǎn)生了一定的動壓力，將軸頸向左浮起，當軸頸達到穩(wěn)定運轉時，軸頸便穩(wěn)定在一定的偏心位置上（圖1（c）），軸承處于流體動力潤滑狀態(tài)，油膜產(chǎn)生的動壓力與外載荷F相平衡，此時，由于軸承內(nèi)的摩擦阻力僅為液體的內(nèi)阻力，故摩擦因數(shù)達到最小值。

2 滑動軸承常見運動故障

滑動軸承工作時，軸頸與軸瓦處于高速相對旋轉運動狀態(tài)，軸承需要承受旋轉的軸頸及作用于軸頸的軸向載荷，若軸承的潤滑不良、設計不合理，軸承在使用過程中就容易發(fā)生故障，滑動軸承的主要故障有磨損、膠合、燒瓦及疲勞等，具體表現(xiàn)及分析見表1。

3 影響徑向滑動軸承性能的主要因素

（1）軸承的寬徑比。軸承寬徑比（B/D）不同,壓力分布也不同。小寬徑比有利于增大單位面積壓力，提高運轉穩(wěn)定性，增加流量，降低溫升，減小軸向尺寸，但承載能力降低，油膜壓力分布曲線陡峭，易出現(xiàn)軸瓦局部過熱。寬徑比越大,油壓越大,油膜剛度高,承載能力就越大,側漏帶走的摩擦熱就越??；但若寬徑比過大,軸承的工作溫度就會升高,油的黏度將相應降低,也就降低了軸承的承載能力。通?；瑒虞S承的寬徑比取0.3～1.5較為合適。

▲圖1 徑向滑動軸承動壓油膜的形成過程

表1 滑動軸承主要運動故障

（2）軸承間隙。軸承間隙對軸承的運轉性能影響很大，軸承間隙過小,兩摩擦表面磨損就大,產(chǎn)生的熱量多；軸承間隙過大,不能形成油壓,側漏過大,同時,不能保證軸的導向作用?？傊?從摩擦學的機理得出:載荷大,滑動速度低,要求軸承的間隙就小；載荷小,滑動速度高,要求軸承的間隙就大。

（3）軸頸與軸頸表面制造精度。對于滑動軸承,軸頸與軸承表面間的流體油膜厚度越小,軸承的承載能力就越大。但軸承的油膜厚度是不能無限縮小的,當最小油膜厚度小于軸頸與軸承表面的微觀不平度之和時,兩表面就會接觸,使兩表面因混合摩擦而產(chǎn)生磨損,從而影響軸承的安全運轉。軸頸表面和軸承內(nèi)孔的加工失圓,也會破壞承載抽膜,從而磨蝕較軟的軸瓦,使軸瓦表面受到損傷。因此,提高軸頸和軸承內(nèi)孔表面制造質量,將會提高軸承的承載能力和使用壽命。

（4）潤滑劑的黏度和潤滑方式。使用高黏度潤滑油，可提高軸承承載能力，但潤滑流量小，摩擦功耗大，會導致軸承溫升高，油溫高會使?jié)櫥宛ざ冉档?，靠提高潤滑油黏度的方式增加軸承承載能力有一定限制。因此，合理選擇潤滑油的黏度,是對軸承散熱及承載能力的重要保證。由于潤滑油的黏度隨溫度的升高而降低,故對處于邊界潤滑狀態(tài)下的低速重載軸承,必須采用黏度較高的潤滑油。在循環(huán)和供油充足的潤滑條件下,可降低其黏度。

（5）軸頸和軸瓦材料。軸瓦材料一般應具備摩擦相容性、嵌入性、磨合性、摩擦順應性、耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐氣蝕性及一定的抗壓強度。在實際應用中，當軸正常運轉時,只要軸頸和軸瓦材料相對潤滑劑呈中性,使其較好地粘附在滑動表面上,便能保持油膜的最佳承載狀態(tài)。但對于低速重載情況，滑動軸承大都處于邊界潤滑狀態(tài),在啟動和停車時,還將處于混合摩擦甚至干摩擦狀態(tài)，因此,對材料的滑動性能、耐磨性提出了較高的要求，特別是在不易形成流體動壓潤滑狀態(tài)的前提下,軸頸及軸瓦材料的選取對形成油膜 以及軸承的承載能力起著決定性的作用，同時,要求軸頸與軸瓦配對材料具有較高的韌性和相容性,以保證其耐磨和承載能力。

（6）軸的轉速。在形成油膜的前提下,轉速越高,油膜越厚,油層間的相對速度越大，液體的內(nèi)摩擦增大,油膜的黏滯摩擦因數(shù)升高,產(chǎn)生的摩擦熱相應增多,會降低了軸承的承載能力。轉速過低,滑動表面處于混合摩擦狀態(tài),將導致承載能力降低或軸承損傷。要使軸承處于正常的工作狀態(tài),就必須保證轉速能形成足以使接觸面分開的油膜厚度,使油層內(nèi)壓力的合力與軸頸所受外載達到平衡。

總之,影響軸承的承載能力及其壽命的諸多因素最終必然歸結到最小油膜厚度和形成此油膜所容許的最高溫度。

（7）最小油膜厚度的確定。最小油膜厚度h為：

式中：ψm為平均相對間隙；D為軸瓦直徑，mm；ε為偏心率。

為確?；瑒虞S承在液體潤滑狀態(tài)下安全運轉，需要限定最小油膜厚度極限值，以使磨損降到最低程度和減小軸承對裝配、制造誤差的敏感性。最小油膜厚度極限值的計算十分復雜，一般當粗糙度Rz≤4 μm時，滑動表面的幾何誤差很小，裝配良好，潤滑劑經(jīng)過濾，可按表2的經(jīng)驗值確定最小油膜厚度極限值hlim。

表2 hlim的經(jīng)驗值/μm

4 變速箱徑向滑動軸承設計優(yōu)化

4.1 滑動軸承運動故障及分析

某變速箱在試驗過程中出現(xiàn)變速箱擋位卡滯，無動力輸出，拆解發(fā)現(xiàn)部分滑動軸承的軸頸、軸瓦發(fā)生膠合，故障情況如圖2所示。

通過對故障變速箱進行拆解、測量分析，發(fā)現(xiàn)造成滑動軸承故障的主要原因為：軸承間隙偏小，表面精度偏低，且失效軸承的相對轉速很高?；瑒虞S承在高速運轉過程中摩擦熱增多，潤滑油溫高，軸承承載能力降低，而軸承間隙偏小，軸承表面精度偏低，最終導致軸頸與軸瓦產(chǎn)生膠合造成軸承失效。

▲圖2 滑動軸承故障

4.2 滑動軸承設計優(yōu)化

為提高滑動軸承承載能力，解決故障問題，需對該變速箱滑動軸承進行優(yōu)化設計。

4.2.1 寬徑比

重新計算滑動軸承的寬徑比，取滑動軸承寬徑比B/D=0.64較合適。

4.2.2 軸承間隙

檢查故障滑動軸承的原設計徑向間隙值，徑向間隙值為0.009～0.059mm，間隙設計值偏小。由參考手冊推薦，可初步選取平均相對間隙ψm為 0.12%，但對于動壓軸承，按國家標準規(guī)定的公差及配合確定制造公差，難以保證軸承安全運轉，因此，可參考式（2）、式（3）限定偏差：

此時，軸瓦孔徑D與軸頸直徑d的偏差應符合式（4）、式（5）規(guī)定：

根據(jù)滑動軸承的軸頸直徑計算間隙值，考慮軸外徑及孔內(nèi)徑加工時的難易程度，并結合本企業(yè)加工制造能力，最終確定滑動軸承徑向間隙值為0.045～0.085mm，并按此間隙進行軸徑及孔徑的公差分配，由于孔的加工難度大于軸，因此，設計時孔徑公差帶可適當大于軸徑公差帶。

4.2.3 表面粗糙度

滑動軸承燒傷與軸頸及軸瓦表面的粗糙度也有很大關系，原設計中，軸及齒輪滑動軸承處的表面粗糙度為Ra0.8，精度偏低。考慮加工孔及軸的難易系數(shù)不同，一般軸頸表面粗糙度值小于軸瓦孔，根據(jù)滑動軸承設計推薦值，并結合本企業(yè)加工制造能力，確定軸頸及軸瓦孔表面粗糙度為Ra0.4。

4.2.4 油膜厚度

根據(jù)軸頸直徑及滑動速度，由表2可確定最小油膜厚度極限值hlim應取0.005mm。

實際最小油膜厚度值按式（1）計算，根據(jù)已知參數(shù)及前文確定的軸承徑向間隙，計算得到最小油膜厚度h=0.01mm＞hlim，因此，通過優(yōu)化設計，油膜厚度合適，滿足使用需求。

4.2.5 潤滑流量

潤滑油充滿軸承間隙，形成完全油膜時，通過軸瓦兩側的端泄流量qE是由兩部分組成，一部分為承載區(qū)端泄流量qE1，另一部分為非承載區(qū)端泄流量qE2。

承載區(qū)端泄流量qE1可通過式（6）計算，qE1與平均相對間隙ψm、有效轉速ne和軸承寬度B成正比，與軸瓦孔徑D的平方成正比，其中承載區(qū)端理論泄流量qE1可通過手冊查找選?。?/p>

非承載區(qū)端泄流量qE2可通過式（7）計算，qE2與供油壓力ps成正比，與軸瓦孔徑D、平均相對間隙ψm的三次方成正比，與潤滑油有效黏度ηe及軸承寬度B和油槽寬度b的差值成反比。

根據(jù)已知參數(shù)及前文確定的軸承徑向間隙，計算得到該變速箱滑動軸承總的端泄流量qE為0.2 L/min，而實際提供的潤滑油流量為1.4 L/min，因此，通過優(yōu)化設計后，滑動軸承潤滑情況良好。

5 結束語

徑向滑動軸承的使用性能與軸承寬徑比、間隙、制造精度、潤滑劑、軸承材料、轉速、油膜厚度等因素有關，設計中應合理地選取這些參數(shù)，以便提高軸承的性能及使用壽命。筆者結合實際工作，對一種變速箱徑向滑動軸承的運行故障進行了詳細分析，并對關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，提高了軸承的使用性能。

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