Подшипники скольжения (также называемые фрикционными подшипниками) служат для восприятия и передачи усилий между компо­нентами, перемещающимися относительно друг друга. Эти подшипники определяют положение компонентов по отношению к друг другу и обе­спечивают точность их положения вовремя дви­жения. Они также используются в механизмах преобразования линейного движения во враща­тельное (например, в поршневых двигателях).

 

Существуют следующие типы подшипников скольжения, имеющих соответствующий тех­ническим требованиям срок службы:

гидроди­намические подшипники, в которых трущиеся поверхности разделены смазывающей пленкой (жидкостное трение);

самосмазывающиеся под­шипники, в большинстве которых используется смешанное трение (часть опорной нагрузки передается посредством контакта между трущимися поверхностями);

подшипники сухого трения (т.е. при отсутствии жидкой смазывающей пленки).

Гидродинамические подшипники скольжения

 

Большинство гидродинамических подшипни­ков, используемых в автомобилях, являются радиальными подшипниками скольжения (рис. «Распределение давления в радиальном подшипнике скольжения» ), которые в основном применяются в качестве подшипников коленчатых и рас­пределительных валов. Обычно подшипники представляют собой вкладыши с зазором спе­циальной формы (например, овальным зазо­ром). В качестве компонентов, базирующихся в осевом направлении, используются упорные подшипники, которые как правило, радиальных нагрузок не испытывают.

Гидродинамические подшипники скольже­ния надежны в работе, если они не подверга­ются чрезмерным:

• Износу (отсутствие износа обеспечивается надежным разделением движущихся по­верхностей слоем смазки);
• Механическим напряжениям (материал подшипника должен обладать достаточной прочностью);
• Термическим нагрузкам (при сохранении тепло­вой устойчивости материала и при расчетном вязкостно-температурном режиме смазки).

 

Для надежной работы гидродинамического под­шипника скольжения, необходимо обеспечить наличие несущей нагрузку пленки смазочного масла в широком рабочем диапазоне. Эта пленка создается в радиальном подшипнике, когда вал расположен эксцентрично. Это, в свою очередь, создает давление смазочного материала.

Вращающийся вал подает смазку в зазор. Эксцентриситет в пределах системы «шейка вала-вкладыш» выбран таким образом, что общее давление смазочного материала под действием внешнего усилия поддерживается в состоянии равновесия. Распределение ги­дродинамического давления в сходящемся зазоре подшипника определяется из решения дифференциального уравнения Рейнольдса.

Нагрузочная способность смазочной пленки определяется посредством интегриро­вания распределения давления и выражается безразмерным числом Зоммерфельда S₀:

S₀ = Fψ² / (Db·η_eff ·ω_eff)

При увеличении числа Зоммерфельда S₀ увеличивается относительный эксцентриси­тет, а минимальная толщина пленки смазки h₀ уменьшается. При этом применимо сле­дующее выражение:

h₀= (D — d)/2 -e = 0,5Dψ·(1 -е)

Относительный эксцентриситет равен:

ԑ = 2e / (D — d)

 

Число Зоммерфельда используется также для определения коэффициента трения в подшипнике и оценки на его основе мощно­сти трения и термических напряжений (DIN 31652, директива VDI 2204).

Режимы трения в гидродинамическом под­шипнике скольжения можно пояснить при помощи кривой Герси-Штрибека (см. рис. «Кривая Герси-Штрибека (диаграмма)» ). Имеются три различных режима трения:

• Сухое трение;
• Смешанное трение;
• Жидкостное трение.

 

Приведенные в табл. «Коэффициент трения для различных видов трения» коэффициенты трения имеют приблизительное значение и могут использоваться только для сравнения различ­ных видов трения.

Поскольку гидродинамические подшип­ники некоторое время работают при смешан­ном трении, они сохраняют свои функциональные возможности при среднем объеме загрязнения и высоких динамических и тер­мических нагрузках (особенно в поршневых двигателях). Материал подшипников должен отвечать ряду требований, порой противоре­чащих друг другу. К ним относятся:

• Приспособляемость (компенсация несоосности за счет пластической деформации без сокращения срока службы);
• Смачиваемость пленкой жидкости;
• Абсорбирующая способность (способ­ность опорной поверхности абсорбиро­вать частицы грязи без увеличения износа вала и вкладышей подшипника);
• Износостойкость (при смешанном трении);
• Сопротивление задирам (материал под­шипника не должен схватываться с материалом вала даже при высоких скоростях и давлениях);
• Противозадирные характеристики (стой­кость к износу);
• Приработка в эксплуатации (комплексная оценка, включающая приспособляемость, из­носостойкость, абсорбирующую способность);
• Механическая прочность;
• Выносливость (усталостная прочность, особенно в условиях высоких термиче­ских нагрузок).

 

Если подшипники (например, поршневых паль­цев) работают в условиях высоких нагрузок и низ­ких скоростей скольжения, определяющее значе­ние приобретают высокая усталостная прочность и износостойкость по сравнению с сопротивле­нием задирам. Материалами, используемыми в подшипниках в таких случаях, являются твердые бронзы или специальные латунные сплавы. (табл. «Эмпирические величины максимальной удельной нагрузки подшипников»).

 

Коренные и шатунные подшипники колен­чатого вала в двигателях внутреннего сгора­ния работают в условиях высоких скоростей и динамических нагрузок. Поэтому в них при­меняют многослойные вкладыши (рис. «Многослойные подшипники: конструктивная схема триметаллических подшипников» ), в том числе хорошо зарекомендовавшие себя триметаллические подшипники.

 

 

Срок службы подшипников скольжения в системах привода коленчатых и распре­делительных валов может быть увеличен посредством использования специальных технических решений, таких как подшипники с напылением или подшипники скольжения с канавками для смазки. Подшипники с напы­ленным слоем (рис. «Подшипники с напыленным слоем(не содержащим свинца)» ) имеют рабочий слой материала AlSn, отличающегося высокой износостойкостью и наносимого посредством процесса PVD (физическое осаждение паров) на нижележащий высокопрочный материал (см. табл. «Материалы для гидродинамических радиальных подшипников скольжения» ).

Подшипники скольжения с канавками для смазки (рис. «Подшипник с канавками на поверхности трения» ) демонстрируют определенные преимущества в некоторых областях применения. В этих подшипниках окружные канавки в рабочей поверхности заполнены слоем мягкого мате­риала (гальванический слой, аналогичный слою, имеющемуся в триметаллических подшипниках)

Вышеупомянутые подшипники с успехом применяются в двигателях внутреннего сго­рания с максимальными рабочими нагрузками (например, в двигателях с турбонадду­вом, в которых имеют место очень высокие рабочие давления).

 

 

Данные по материалам см. также в DIN 1703,1705,1716,17660,17662,17665,1494,1725,1743 и ISO 4381,4382, 4383.

 

Важное замечание:

Некоторые из сплавов, указанных в табл. «Материалы для гидродинамических подшипников скольжения», содержат свинец. Директивой ЕС 2000/53/ЕС применение свинца в легковых автомобилях, начиная с середины 2008 года запрещено. Применение свинца пока что разрешено в коммерческих автомобилях. Также применимо для машиностроения вообще.

1,4,6 Материалы KS для подшипников качения;

2         Материал производства компании Wieland;

3          Материал производства компании Bogra;

5,7      Материалы производства компании Federal Mogul;
8          Антифрикционный слой производства компании Miba.

 

Металлокерамические подшипники скольжения

 

Изготавливаются из пористых, пропитанных жидкой смазкой металлокерамических мате­риалов. Металлокерамические подшипники скольжения применяются во многих небольших электродвигателях. Они представляют собой хороший компромисс между точностью и легкостью монтажа, не требуют обслуживания при эксплуатации, у них невысокая стоимость и большой срок службы; обычно используются в электродвигателях с диаметром вала от 1,5 до 12 мм. Стоимость подшипников из железной и стальной металлокерамики невысока, они меньше окисляют смазку, поэтому применение их в автомобилях предпочтительнее, чем использование под­шипников из бронзовой металлокерамики (см. табл. «Материалы для металлокерамических подшипников» ). Достоинствами подшипников из брон­зовой металлокерамики являются большая на­грузочная способность, меньшие уровень шума и коэффициент трения. Они используются в ау­диоаппаратуре, оборудовании систем инфор­мации и управления, а также в фотоаппаратах.

 

 

Металлокерамические подшипники имеют длительный срок службы при условии при­менения оптимальных видов смазки:

Минеральные масла: недостаточно хорошие низкотемпературные свойства, умеренное старение.

Синтетические масла (эфиры, поли-а-оле­фины): обладают хорошей текучестью на холоде, высоким сопротивлением тепловым нагрузкам, низкой испаряемостью.

Синтетические масла (масла, загущенные мы­лами щелочных металлов): обеспечивают низ­кое начальное трение, малый износ.

 

Подшипники скольжения со скользящим контактом

 

Полимерные подшипники скольжения из термопластич­ных смол

 

Преимущества полимерных подшипников из термопластич­ных смол :

• Невысокая цена;
• Отсутствие опасности образования задиров.

 

Недостатки полимерных подшипников из термопластич­ных смол :

• Низкая теплопроводность;
• Относительно низкие рабочие температуры;
• Возможное разбухание в условиях высо­кой влажности;
• Низкая нагрузочная способность;
• Высокий коэффициент теплового рас­ширения.

 

Наиболее часто применяемые синтетические материалы:

• Полиоксиметилен (РОМ, РОМ-С);
• Полиамид (РА);
• Полиэтилен и полибутилентерефталат (PET, РВТ);
• Полиэфирэфиркетон (РЕЕК).

 

Трибологические и механические свойства могут изменяться в широких пределах в за­висимости от применяемых смазок и упроч­нения базового термопластика.

 

Присадки к смазочным материалам:

 

• Политетрафторэтилен (PTFE);
• Графит (С);
• Силиконовое масло и другие жидкие сма­зочные материалы, с недавнего времени также заключаемые в микрокапсулы.

 

Упрочняющие добавки:

 

• Стекловолокно (GF);
• Углеродное волокно (CF).

 

Примеры применения подшипников из термопластич­ных смол:

 

• Подшипники механизма стеклоочистителя (РА и стекловолокно);
• Регуляторы оборотов холостого хода (РЕЕК + углеродное волокно, PTFE и иные добавки).

 

Подшипники скольжения из полимерных смол и эластомеров

 

Эти материалы с высоким внутренним трением редко используются для подшипников автомо­билей. К полимерным смолам относятся:

• Фенольные (с высоким внутренним тре­нием, например, Resitex),
• Эпоксидные смолы (требуют добавки PTFE или С, упрочнение волоконными материа­лами требуется вследствие присущей им хрупкости)
• Полиимиды (высокая температурная стой­кость и механическая прочность).

 

Пример применения подшипников из полимерных смол и эластомеров:

• Полиимидные осевые ограничители вала электродвигателя стеклоочистителя.

 

Композитные подшипники скольжения с металлической основой

 

Композитные подшипники с металлической основой представляют собой соединение синтетических материалов, искусственных волокнистых мате­риалов и металлов. По сравнению с полностью синтетическими подшипниками или подшипни­ками с упрочняющими заполнителями (рис. «Сечение самосмазывающегося композитного подшипника» и  «Поперечное сечение композитного подшипника с металлической основой и упрочняющими волокнистыми вставками из PTFE и стекловолокна» ), имеют более высокие уровень восприятия нагрузок, допустимые зазоры, теплопрово­дность, стойкость к колебаниям и вибрации.

 

 

Пример применения композитных подшипников с металлической основой :

На покрытую слоем гальванического олова или меди стальную основу (толщиной не­сколько мм) наносится слой бронзовой металлокерамики толщиной 0,2-0,35 мм и пористостью 30-40 %. Поверх нее накаты­вается синтетическое покрытие с низким трением. Покрытие состоит из:

1. Полиформальдегида или поливинил — денфторида, пропитанного маслом или со­держащего смазочные выемки, или
2. PTFE + ZnS или MoS₂ или графита в ка­честве присадки.

 

Композитные подшипники с металлической основой выпускаются в самых различных формах и составах. При добавлении PTFE композитные подшипники с металлической основой обладают очень высокой нагрузоч­ной и демпфирующей способностью.

Примеры применения в автомобилях композитных подшипников с металлической основой:

• Подшипники поршневых штоков в стойках подвески;
• Выжимные подшипники сцепления;
• Подшипники тормозных колодок в бара­банных тормозах;
• Подшипники шаровых опор;
• Подшипники дверных петель;
• Подшипники в натяжителях ремней безопасности;
• Подшипники в шарнирах рулевого управления;
• Подшипники шестеренчатых насосов.

 

Для использования в топливных насосах вы­сокого давления дизельных двигателей требу­ются композитные подшипники со специально модифицированным покрытием. Покрытие состоит из РЕЕК или PPS с добавками (напри­мер, углеволокно, ZnS, ТiO₂ и графит). Размер частиц иногда лежит в нанодиапазоне.

 

Углеграфитные подшипники скольжения

 

Углеграфитные подшипники по способу изготов­ления и свойствам конструкционного материала относятся к классу керамических. Основными материалами для них служат порошковый гра­фит и каменноугольная или синтетическая смола, используемая в качестве связующего вещества.

Преимущества углеграфитных подшипников :

• Термостойкость до 350 °С (твердообожженный графит), до 500 °С (электрографит);
• Хорошие антифрикционные свойства;
• Хорошая коррозионная стойкость;
• Хорошая теплопроводность;
• Высокая стойкость к тепловым ударам.

 

В то же время к их недостаткам относится высокая хрупкость.

 

Примеры применения углеграфитных под­шипников:

 

• Подшипники для топливного насоса;
• Подшипники в сушильных печах;
• Регулируемые лопатки в турбонагнетателях.

 

Металлокерамические подшипники скольжения

 

Металлокерамические подшипники состоят из материалов, получаемых методом порош­ковой металлургии. В дополнение к метал­лической матрице материал подшипников содержит равномерно распределенные мел­козернистые частицы твердой смазки.

Матрица: например, бронза, железо, никель. Смазка: например, графит, MoS₂.

Эти материалы пригодны для очень высоко — нагруженных подшипников; кроме того, они могут работать в режиме самосмазывания (табл. «Свойства не обслуживаемых самосмазывающихся подшипников» ).

 

Пример применения металлокерамических подшипников:

 

• Подшипники в шарнирах рулевого управ­ления.

 

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: