機械設計－機構與機電整合設計_徐業良_傳動元件_軸頸軸承與潤滑

各位同學好,歡迎大家來到機械設計機構與機電整合設計這個課程。 我是原子大學機械繫徐業良教授。 在傳動元件的最後,我們談過了這些軸承的滾珠軸承、滾柱軸承這樣子的軸承之後, 最後我們要討論另外一種型態的軸承叫做軸井軸承。 那當然軸井軸承的運作跟潤滑也很有關係, 所以我們討論一點點潤滑上的一些基本的知識。 那首先我們在這個投影片裡頭可以看到一個軸井軸承的一個照片, 那軸井軸承的這個構成呢,我們可以看到它這個套筒跟軸之間並沒有滾動的元件, 沒有滾珠也沒有滾柱,那這個套筒跟軸之間完完全全是靠潤滑油, 這個黃色的套筒跟這個軸之間完完全全靠潤滑油來提供潤滑的效果。 那所以在這個軸井軸承裡頭,我們就順帶的討論一點點潤滑的這件事情, Lubrication,潤滑。那這個圖裡頭它是一個軸井軸承的潤滑的示意圖, 所以我們可以看到這個軸跟它的軸承,那中間它都會,軸跟軸承之間都會有一定的空隙, 那這個空隙就是讓我們可以注入這個潤滑油,那我們看到這個潤滑油它在這個軸的下方會形成一個油墨, 那這個油墨的壓力能夠均勻的分佈,然後有足夠的壓力的話, 它就會似乎是把這個軸在這個軸井裡頭浮起來,那如果達到這個浮起來的效果, 那它就會有一個蠻好的一個潤滑的效果,所以我們在做潤滑的時候, 我們就可以想像我們要有足夠的潤滑油把這個需要潤滑的這個軸在這個軸井裡頭浮起來, 那就是這個圖來表示的這個事情。那我們怎麼樣可以達到這樣的一個好的潤滑效果呢? 那我們都通常說在這個軸井軸承,那我們有三個影響的參數,有三個軸承參數, 那我們也把這三個軸承參數可以把它併起來,那μn除上p。 那μn除上p這三個軸承參數格子是什麼?μ是我們的潤滑油的黏質系數, coefficient of viscosity,這個μ是黏質系數,那n是轉速,這個軸在軸承裡的轉動的速度, 那p就是剛剛提到這個潤滑油的壓力,它的壓力足不足夠把它浮起來等等。 那這個μn除上p我們一個一個來看,那個黏質系數這件事情在潤滑油裡頭可能是一個最重要、最基本的一個規格。 所以我們這邊有一個照片,這是一個機車或是汽車的機油, 然後我們在機油裡頭它都會有一個標示一個號數,比如說這罐機油它標示的號數是10w40, 10w40,那這個號數是什麼意思?那這個號數其實就代表這個機油、潤滑油的黏質系數。 那我們通常說這個油如果它比較黏一點的話,它比較容易形成油墨等等,比較容易產生潤滑的效果, 但是可是相對的,因為它太黏了,它太黏的話它就會損耗在這個轉動過程中間會有摩擦,會損耗它的動力。 所以我們常常說在這個汽車要加機油的時候,那我們比較新的汽車,新的汽車我們的 比如說我們的活塞跟它的氣缸之間,如果間隙不是這麼大的話,那通常會建議加這個號數比較低的機油, 讓它的這個摩擦、摩耗的損失、摩耗造成的動力損失不會這麼大。 那可是如果車子比較老了,車子的磨損比較厲害,也就是說這個活塞跟氣缸壁之間它的間隙比較大, 這個時候就通常會建議去加這個號數比較高一點的機油,像這個40甚至50號的機油,然後讓它的這個間隙比較容易被這個潤滑油所填滿。 那這個10W是什麼意思呢?其實我們知道所有的潤滑油,所有的潤滑油它都會,它的潤滑的效果,它的黏滯係數都會隨著溫度而改變。 例如說我們早上喫早飯的時候,要在這個鍋子裡煎一個蛋,那我們把這個沙拉油倒進去,開始的時候沙拉油可能是滿黏的,不太容易流動。 那然後當鍋子比較熱的時候,我們就可以看到沙拉油開始變得不這麼黏了,可以流動。 所以我們基本的概念就是說,溫度越高,它的黏滯係數就會越低,那相反的這個溫度低的時候,天氣冷的時候,它這個機油就會比較黏。 所以在一些比較寒冷氣候的地方,所以就特別注意前面這個數字10W,這個數字W代表就是冬天,意思就是說在冬天很冷的這個氣候之下,機油還是要必須能夠流動。 所以10W代表的意思就是在負25度C的氣溫之下,它還是有保持的流動性。 如果比如說是5W,那5W的意思就是說大家在更冷的環境,比如說負30度、負35度,它還可以流動。 所以這個機油的耗數基本上就是這樣子的意思。 所以基本的概念就是說,耗數越高,表差越黏,那越黏的話,它的摩擦力也會越大。 它雖然比較容易在高的間隙下提供好的潤滑效果,但是它的摩擦、它的動力損失也比較大。 所以第二個參數是轉速,這個軸在這個軸井之間轉動的速度。 當然我們知道就是說這個轉動速度如果越快的話,它的這個摩擦所造成的摩擦力也會越高。 那最後一個參數是P,最後一個參數是P,那P的話就相反過來,當我們的這個潤滑油有足夠的壓力的話, 前面提到它可能就可以把這個軸在軸井裡頭浮起來,所以壓力比較大的話,它反而會讓它的這個摩擦力下降。 所以我們組合成的這個軸承參數μn除上P,基本上的概念就是這個軸承參數越大的話, 摩擦力越大,軸承參數越小的話,摩擦力越小。 那所以照這樣子的一個概念,我們也可以把這個軸井軸承的軸承參數跟摩擦係數的關係, 它的整個表現的行為,而把這個潤滑的狀況分成這三種狀況。 第一種狀況叫做邊界潤滑,Boundary Lubrication。 那第二種狀況叫做流體動力潤滑,Hydrodynamic Lubrication。 那第三種狀況叫做混合薄膜潤滑,Mixed Film Lubrication。 那事實上如果我們看下面這個圖的話,我們會更清楚的知道這三種潤滑的行為、它的效果。 那這個圖,橫坐標就是我們剛剛提到的軸承參數μn除上P。 那縱坐標是coefficient of friction,是它的摩擦係數。 所以我們看到最前面,最前面的那個區域是Boundary Lubrication,邊界潤滑。 邊界潤滑的特性是什麼呢?邊界潤滑的特性,我們看到它的coefficient of friction, 它的摩擦係數基本上是一個固定的值,也就是說它的摩擦係數不會隨著這個軸承參數的變化改變而改變。 那什麼樣的狀況是這樣的狀況呢?就是我們在國中、高中物理的時候,我們學到的淨摩擦或是動摩擦。 淨摩擦或是動摩擦,它的摩擦係數都是定值,也就是說在這個邊界潤滑的這個情況之下, 並沒有形成油膜,並沒有達成一個潤滑的效果,基本上是表面跟表面的直接的接觸。 所以也就是淨摩擦或是動摩擦,一個摩擦係數為定值的狀況。 所以我們可以看到這個摩擦係數相對是蠻高的。 那最右邊這裡藍色的區域是流體動力潤滑,hydrodynamic lubrication。 那hydrodynamic lubrication我們看到兩個特性,一個特性是說它的這個摩擦係數一下子下降了非常非常多, 而且這個軸承參數越大,這個摩擦係數就會升高。 所以這一個區域是等於是我們的這個完整的潤滑的薄膜已經形成了, 所以這是一個最理想的我們在這個運作的一個區域。 它的完整的薄膜已經形成,造成它的摩擦係數迅速的下降,它有很好的一個潤滑的效果。 同時它的潤滑的行為,潤滑的行為也跟我們預知的行為是一樣的, 也就是說我們軸承參數越大的話,摩擦率會越高,軸承參數小的話,摩擦率就降低。 那中間的這個部分叫做Mixed-film Lubrication,混合動力潤滑。 那混合動力潤滑顧名思義就是說它在靜摩擦跟這個完全的流體動力潤滑之間, 有的部分有薄膜,有的部分又沒有形成薄膜。 所以它是一個這個摩擦係數是反而是隨著那個軸承參數下降的狀況, 這並不是我們預期的一個效果。 所以我們在做這個在做潤滑的時候,我們都希望我們能夠有足夠的潤滑的效果, 能夠在這個流體動力潤滑來運作,這個是我們在潤滑的最好的一個區域。 所以到這裡呢,我們在這一章裡頭所有的傳動元件, 我們從正齒輪、螺旋齒輪、斜齒輪、刮桿刮齒輪、螺桿、皮帶和鏈條, 然後接下來我們又討論到各種各樣的軸承,我們都已經告一個段落。 那希望到這裡大家對於這個傳動元件有一個很好的完整的一個概念。