6.9. Конструирование опор валов конических шестерен

В узлах конических передач широко применяют консольное закрепление вала-шестерни. При таком закреплении опоры вала располагают по одну сторону от шестерни. Конструкция узла получается простой, компактной и удобной для сборки и регулирования.

Недостаток консольного расположения шестерни - повышенная концентрация нагрузки по длине зуба шестерни. Концентрацию нагрузки можно уменьшить повышением жесткости узла. Повышенные требования к жесткости диктует и необходимая по условиям работы конического зацепления высокая точность осевого положения конической шестерни.

При проектировании узла выбирают направление наклона зубьев и направление вращения шестерни одинаковыми, чтобы осевая сила в зацеплении была направлена от вершины делительного конуса. В конструкциях узлов конических шестерен применяют радиально-упорные подшипники, главным образом конические роликовые, как более грузоподъемные и менее дорогие, обеспечивающие большую жесткость опор.

При относительно высоких частотах вращения (п > 1500 мин ) для снижения потерь в опорах, а также при необходимости высокой точности вращения применяют более дорогие шариковые радиально-упорные подшипники.

Подшипники устанавливают по схеме врастяжку (см. рис. 6.19) - широкие торцы наружных колец подшипников расположены внутрь, навстречу друг другу.

Силы, действующие в коническом зацеплении, вызывают появление радиальных реакций опор. Радиальную реакцию считают приложенной к валу в точке пересечения его оси с нормалями, проведенными через середины контактных площадок на кольцах подшипника.

Обозначим: а₂ - расстояние между точками приложения реакций; а₁ - размер консоли; d - диаметр вала в месте установки подшипника; / - расстояние до вершины делительного конуса (см. рис. 3.3). При конструировании следует принимать: d > l,3 а₁; в качестве а₂ - большее из двух: а₂ 2,5 а₁ или а₂ 0,6/. Конструктор стремится получить размер а₁ минимальным для уменьшения изгибающего момента, действующего на вал. После того как определен этот размер, по приведенным соотношениям принимают расстояние а₂. При этом узел получается весьма компактным (см. также рис. 14.4).

Установка подшипников по схеме враспор (широкие торцы наружных колец расположены наружу) приводит к значительному увеличению размера узла в осевом направлении. Применять ее в силовых конических зубчатых передачах не рекомендуется.

6.10. Конструирование опор валов-червяков

На рис. 6.24, а, б показаны варианты выполнения подшипниковых опор при фиксации вала-червяка по наиболее простой и дешевой схеме враспор (см. рис. 3.6, б). Такую схему применяют при ожидаемой разности температур червяка и корпуса до 20 °С и относительно коротких валах. Так, при установке вала d = 30 ... 50 мм на шариковых радиально-упорных подшипниках отношение l/d не более 8, на конических роликовых l/d не более 6.

Так как на червяк действует значительная осевая сила, то в опорах устанавливают радиально-упорные подшипники. Преимущественно применяют конические роликовые подшипники (рис. 6.24, а).

Шариковые радиально-упорные подшипники применяют при длительной непрерывной работе передачи с целью уменьшения потерь мощности и тепловыделения в опорах, а также для снижения требований к точности изготовления деталей узла (рис. 6.24, б). Однако размеры опор, выполненных с применением радиально-упорных шарикоподшипников, вследствие их меньшей грузоподъемности, больше, чем при конических роликоподшипниках. Поэтому окончательный выбор опор вала червяка иногда делают после сравнительных расчетов и прочерчиваний. Следует иметь в виду, что по схеме враспор не рекомендуют устанавливать радиально-упорные подшипники с большим углом контакта ( > 18°). При необходимости применения таких подшипников, а также при больших ожидаемых тепловых деформациях вала для закрепления в корпусе вала-червяка используют схему с одной фиксирующей и одной плавающей опорами (схема по рис. 3.6, в).

На рис. 6.25, а-в показаны наиболее распространенные варианты выполнения фиксирующей опоры вала-червяка в схеме в (см. рис. 3.6). Так как радиально-упорные однорядные подшипники воспринимают осевую силу только одного направления, то для фиксации вала в обоих направлениях в фиксирующей опоре устанавливают два таких подшипника.

Для крепления подшипников в корпусе предусматривают упорный заплечик (рис. 6.25, а). При сборке червяк устанавливают в корпусе через отверстие под подшипник. Иногда диаметр отверстия получается меньше диаметра вершин витков червяка, и сборка оказывается невозможной. Диаметр отверстия можно увеличить, устанавливая подшипники фиксирующей опоры в стакане (рис. 6.25, б), который затем закрепляют в корпусе.

Применение конического подшипника с упорным бортом на наружном кольце (см. табл. 19.26) значительно упрощает конструкцию (рис. 6.25, в): отверстие в корпусе гладкое, без заплечика, отсутствует стакан.

На рис. 6.25, в показаны конические роликоподшипники, поставленные широкими торцами наружных колец навстречу друг другу, а на рис. 6.25, б - широкими торцами наружу. Установка подшипников по рис. 6.25, в характеризуется большей угловой жесткостью.

в)

Рис. 6.25

Для того, чтобы предварительно комплект вала-червяка вместе с подшипниками можно было вставить в стакан или в корпус, предусматривают зазор С > 1 ... 2 мм (см. 6.24, 6.25).

Зазоры в подшипниках фиксирующей опоры регулируют набором тонких металлических прокладок, которые ставят под фланец крышки подшипника (рис. 6.25, б); осевым перемещением внутренних колец (рис. 6.25, а, в).

6.11. Опоры плавающих валов

Плавающими называют валы, обе опоры которых плавающие. В этом случае обеспечена возможность самоустановки плавающего вала относительно другого вала, зафиксированного от осевых перемещений. Такая самоустановка необходима, например, в шевронных или косозубых зубчатых передачах, представляющих собой разделенный шеврон. При изготовлении колес таких передач неизбежна погрешность углового расположения зуба одного полушеврона относительно зуба другого полушеврона. Вследствие этой погреш

. Рис. 6.26

ности первоначально в зацепление входят зубья только одного полушеврона. Возникающая в зацеплении осевая сила стремится сместить колесо вместе с валом вдоль оси вала. Если позволяют опоры, то вал перемещается в такое положение, при котором в зацепление входят зубья обоих полушевронов, а осевые силы, возникающие в них, уравновешены. Осевую фиксацию вала в этом случае осуществляют не в опорах, а зубьями шевронных колес. В качестве опор плавающих валов применяют радиальные подшипники. Чаще всего используют подшипники с короткими цилиндрическими роликами. В случае применения этих подшипников значительно уменьшается сила, потребная для осевого перемещения вала. Устраняется изнашивание корпусной детали в месте установки

подшипника, так как осевое плавание вала обеспечено за счет смещения внутренних колец подшипников совместно с комплектами роликов относительно наружных колец.

Одной из распространенных является конструктивная схема, показанная на рис. 6.26, а (см. также рис. 14.3, а). Здесь внутренние кольца подшипников закреплены на валу, а наружные в корпусе. Осевое плавание вала обеспечивают тем, что внутренние кольца подшипников с комплектом роликов могут смещаться в осевом направлении относительно неподвижных наружных колец. Осевое плавание вала происходит в процессе его вращения. При этом сила, потребная для перемещения вала, очень мала, что является достоинством этой схемы.

Одним из недостатков является необходимость изготовления канавок в корпусе для установки колец, образующих искусственный упорный заплечик. Этого недостатка лишена схема, представленная на рис. 6.26, б (см. рис. 14.3, б). В этой схеме внутренние кольца подшипников закреплены упором в заплечик вала. Наружные кольца имеют свободу осевого перемещения на величину зазора z в сторону крышки подшипника.

Значение зазора z = 0,5 ... 0,8 мм зависит от размеров узла и точности изготовления зубьев сопряженных шевронных колес, точности их сборки. Показанная на рис. 6.26, б (см. рис. 14.3, б) схема соответствует моменту сборки передачи.

В начальный момент осевого плавания вала ролики подшипников смещают наружные кольца на некоторую величину в сторону крышек. При этом зазор z уменьшается и в дальнейшем за счет тепловых деформаций выбирается полностью. Кольца находят, таким образом, свое положение и в дальнейшем остаются неподвижными.

При осевом плавании вала внутренние кольца подшипников с комплектами роликов смещаются относительно наружных колец. На рис. 6.26, в показано положение деталей подшипника при работе передачи. При этом между роликами и бортом наружного кольца при плавании вала имеет место осевой зазор S, который в процессе работы изменяется в некоторых пределах, определяемых точностью изготовления зубьев зубчатых колес.

Важным достоинством этой схемы является возможность регулирования начальной величины осевого смещения наружного и внутреннего колец подшипника. Регулирование осуществляют набором металлических компенсаторных прокладок К, устанавливаемых под фланцы обеих крышек подшипников. В результате регулирования можно добиться точного взаимного расположения наружного и внутреннего колец подшипников. При этом размеры деталей узла, влияющие на осевое положение колец, могут быть выполнены по свободным допускам.

6.12. Опоры соосно расположенных валов

Такие опоры выполняют, например, в соосном двухступенчатом цилиндрическом редукторе (рис. 6.27). При этом на внутренней стенке корпуса рядом располагают разные по габаритам подшипники соосных валов 1 и 2. Один из них является опорой входного, а другой выходного вала. Сами валы фиксируют, как правило, по схеме враспор. На рис. 6.28,а-в показаны возможные конструктивные варианты выполнения опоры соосно расположенных валов (выносной элемент А, рис. 6.27).

На рис. 6.28, а показан вариант, когда отверстия под подшипники выполняют непосредственно во внутренней стенке корпуса. Обработку отверстий ведут с двух сторон, образуя упорные заплечики для подшипников в обоих отверстиях. Это создает определенные трудности при обработке.

Однако при таком исполнении может быть достигнута наиболее высокая точность установки подшипников.

Расточку отверстия можно упростить, если выполнять его сквозным диаметром D₂ (по наружному диаметру большего подшипника, рис. 6.28, б). Но для установки подшипника с меньшим наружным диаметром D₁ применяют дополнительную деталь-кольцо 1. Кольцо фиксируют кольцевым выступом на наружной поверхности, входящим в канавку корпуса. Подшипники доводят до упора в торцовые поверхности кольца 1, поэтому точность изготовления кольца должна быть высокой. Необходимо помнить, что для установки кольца корпус должен быть разъемным.

Таким образом, некоторое упрощение расточки отверстия достигают применением кольца /, выполнением канавки в корпусе и необходимым применением съемной крышки во внутренней стенке корпуса.

Кольцо 1 можно сделать без фиксирующего выступа (рис. 6.28, в). В этом случае упрощается и обработка отверстия корпуса, и конструкция кольца. Однако соосно расположенные валы образуют общую систему: осевые силы, нагружающие опоры одного из валов, воздействуют и на опоры другого вала. Поэтому при расчете подшипников одного вала необходимо учитывать осевые силы, действующие на него со стороны другого вала.

Регулирование осевых зазоров при сборке опор по рис. 6.28, а и б производят независимо для каждого вала, а при сборке опор по рис. 6.28, в - сразу для четырех подшипников обоих валов.

При постановке кольца 1 предпочтительным является вариант по рис. 6.28, в.