Глава 4. Основные нормы взаимозаменяемости типовых соединений деталей машин
Подшипники качения
Подшипники качения предназначены для центрирования вращающихся деталей относительно неподвижных с минимальными потерями энергии.
Подшипник качения состоит из внутреннего кольца (1), наружного кольца (2) и тел вращения (3) (рис. 4.1).
Рисунок 4.1 – Подшипник качения: 1 – внутреннее кольцо, 2 – наружное кольцо, 3 – тело качения, 4 – вал, 5 – корпус
В качестве тел качения могут использоваться: шарики, ролики, иглы, в соответствии с этим различают шариковые, роликовые и игольчатые подшипники. Подшипник является покупной деталью, обладает полной внешней взаимозаменяемостью по трем параметрам: посадочное место d на вал (4), посадочное место D в корпус (5) и шириной B. Одна из деталей 4 или 5 вращается, а другая неподвижна, либо вращается с другой относительно центрируемой угловой скоростью. В зависимости от того, какая из деталей вращается, различают три схемы нагружения (рис. 4.2). Первая, когда вал 4 вращается с угловой скоростью ω, а корпус 5 неподвижен. Вторая схема, корпус 5 вращается с угловой скоростью ω, а вал 4 неподвижен. Третья схема, когда и вал 4 и корпус 5 вращаются, но с разными угловыми скоростями. Наиболее распространена первая схема.
В дальнейшем будем рассматривать в основном первую схему. Изделия 4 и 5 проектируются и при этом необходимо выбирать характер соединения вала с подшипником и корпуса с подшипников по назначению изделия в целом. Поскольку подшипник мы не можем дополнительно обрабатывать, то организация посадок будет заключаться подборе размеров вала и корпуса, выборе характер соединения (посадки переходные, с натягом, с зазором).
Необходимо определить методику выбора посадок, исходя из схемы работы изделия, поэтому надо структурировать вращающиеся и неподвижные тела.
Рисунок 4.2 – Схемы нагружения подшипника качения:
а – вал вращается, корпус неподвижен; б – вал неподвижен, корпус вращается
Допуски на присоединительные размеры подшипников качения D, d, В, отличаются от стандартных допусков на гладкие цилиндрические соединения и регламентируются ГОСТами 520-71 "Подшипники качения. Технические требования" и ГОСТом 3325-85 "Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки".
Для подшипников качения установлено пять классов точности в порядке ее возрастания: 0, 6, 5, 4, 2. Самая низкая точность у 0 и 6 классов, используемых в общем машиностроении. 5 и 4 классы используются в точном машиностроении и в частности в авиацинно-ракетно-космической технике, 2 класс - в приборостроении.
Точность подшипников определяется следующими параметрами:
точностью размера присоединительных поверхностей;
точностью формы и расположения поверхностей колец;
точностью формы и размера тел качения в одном подшипнике.
Существует специфика расположения полей допусков подшипников качения, введено специальное обозначение основного отклонения – L, которая не используется в обозначении гладких цилиндрических соединений.
Расположение полей допусков будет отличаться от стандартных для гладких цилиндрических соединений, т. к. подшипник - деталь покупная, то во всех сборках, он являются главными, т.е. его поверхность (L) является основной и к ней мы формируем посадку за счет изменения сопрягаемой детали. Сборка этих подшипников в узел является специфической специальной задачей.
Рассмотрим поля допусков наружного и внутреннего колец подшипника качения (рис. 4.3).
Соответствующие присоединительные размеры - вал d, а отверстие - D. Заметим, что в отличие от обычных обозначений, наружное кольцо обозначено буквой D, хотя оно является валом. На рисунке - L0, означает L - основное отклонение, 0 - не квалитет в данном случае, а класс точности подшипника. В общем расположение поля допуска основного вала выполнено в тело детали, поле допуска внутреннего кольца подшипника находится вне тела детали. У наружного и у внутреннего колец основным отклонением L обозначено верхнее отклонение. Поле допуска подшипника определяется двумя параметрами: номинальным диаметром и классом точности. Расположение поля допуска определяет основное отклонение, которое всегда равно нулю. Таким образом в сопряжении подшипников качения с валом и с корпусом можно не использовать специальные подшипниковые посадки, иначе пришлось изменить всю систему гладких цилиндрических посадок.
Рисунок 4.3 – Поля допусков наружного и внутреннего колец подшипника качения
Такая система полей допусков подшипников качения позволяет, используя стандартные поля допусков гладких цилиндрических соединений, образовать необходимое поле для практики посадки подшипников качения с сопрягаемыми деталями при небольших зазорах и натягах. Выбор посадок подшипников качения на вал и в корпус определяется схемой работы подшипника, видом нагружения колец и условиями работы.
Внутреннее кольцо вращается с угловой скоростью ω, внешнее кольцо неподвижно. Возникает часто задача определить вид посадок, которые необходимы для решения основной задачи подшипника, а именно длительного центрирования вращающейся части, т.е. внутреннего кольца подшипника вместе с валом, относительно неподвижной, т.е. наружного кольца в корпусе, с минимальными потерями (рис. 4.2). На подшипник действует некоторая постоянная нагрузка R (сила притяжения, динамические нагрузки). Необходимо определить вид посадок внутреннего кольца на вал и наружного кольца в корпус в данной схеме нагружения. Представим себе, что внутреннее кольцо на валу будет посажено с зазором, тогда возникнут проскальзывания вала относительно внутреннего кольца подшипника и произойдет износ, который приводит к увеличению зазора, следовательно, к нарушению условий центрирования и падению ресурса. Подшипник качения будет работать как подшипник скольжения, без условий обеспечения смазки, термических условий и т.д. В этом случае, когда вращается вал, необходимо, чтобы кольцо вращалось вместе с валом. Необходимо обеспечить в месте соединения натяг. Если существует натяг, т.е. возникают определенные силы, препятствующие проскальзыванию, то нагрузка R, которая сосредоточена в нижней части кольца, будет рассредоточена по всей поверхности кольца, т. е. износ по дорожке будет равномерным. Такая нагрузка называется циркуляционной. Наружного кольцо закреплено, следовательно, нагрузка через внутреннее кольцо передается на наружное кольцо и будет все время сосредоточена в одном месте. Эта нагрузка называется местной, тела качения изнашивают беговую дорожку в одном месте, т. е. образуется выемка.
Относительно корпуса необходимо проскальзывание, когда образуется выемка, тогда возникают тангенциальные силы и наружное кольцо имеет возможность проскальзывать в корпусе и износится равномерно, поэтому в этом посадочном месте необходимо обеспечить зазор. Зазор и натяг должны быть достаточно небольшими, большой зазор приведет к потерям точности центрирования, возникновению люфта, при большом натяге, в случае запрессовки тонкостенной конструкции подшипника качения в корпус, произойдет деформация наружного кольца, в результате радиальный зазор, который определяет ресурс и центрирование, уменьшится, и подшипник может заклинить.
Внутреннее кольцо (1) вращаясь вместе с валом (4) (за счет небольшого натяга N) воспринимает нагрузку R всей поверхностью своей беговой дорожки и поэтому изнашивается равномерно. Такая нагрузка называется циркуляционной. Наружное кольцо (2) посажено в корпус (5) с небольшим зазором S, что позволяет при выработке его нижней части, проворачиваться обеспечивая равномерный износ. Нагрузка R воспринимается в данный момент времени только нижней частью кольца (2) и называется местной. Для разных схем нагружения и закрепления в области местной нагрузки следует использовать посадки с зазором, в области циркуляционной - посадки с небольшим натягом.
Рассмотрим первую схему нагружения (рис. 4.2). Класс точности - 6. Вместе с валом вращается внутреннее кольцо. Чтобы обеспечить натяг, необходимо воспользоваться системой отверстия, т.е. выполнить внутреннее кольцо подшипника по основному отверстию, то необходимо использовать основные посадки от р до z, обеспечивающие натяг, но эти посадки приведут к уменьшению радиального зазора и заклиниванию подшипника. Поэтому выбираем поле L6, направленное вне тела детали, тогда можно использовать для обеспечения натяга посадки, которые в стандартных условиях были для валов переходными, убрав вниз поле допуска подшипника, мы переходим к малым натягам, которые обеспечивают ресурс. Для обеспечения зазора выбираем скользящие посадки h6, h7, g6 и т.д.
Специфическое расположение поля допуска внутреннего кольца подшипника позволяет обеспечить небольшие натяги при использовании стандартных полей отклонений гладких цилиндрических валов переходных посадок (k, m, n для первой схемы) (рис. 4.4).
Рисунок 4.4 – Система посадок внутреннего и наружного колец подшипника качения
Аналогично поступают с другими схемами.