24

Подшипники качения Конструкции, условные обозначения, правила установки

Цель занятия: изучение конструкций, условных обозначений и правил установки подшипников качения.

Оборудование и принадлежности: набор подшипников качения, штангенциркуль, линейка, калькулятор для инженерных расчетов, справочник-каталог по подшипникам качения.

1. Основные типы подшипников качения

Подшипники качения (рис. 1) обычно состоят из двух колец 1 и 2, первое устанавливают на вал, второе – в корпус машины, тел качения 3 и сепаратора 4, удерживающего тела качения на определенном расстоянии друг от друга [1].

Примечание: При изображении на чертежах внутренней конструкции подшипников качения, входящих в сборочные единицы, сепаратор 4 не показывают [2].

Достоинствами подшипников качения являются: малые моменты сил трения при трогании и в движении; небольшой расход смазочных материалов при работе; возможность массового изготовления на специализированных заводах.

К недостаткам относятся: трудность установки на валах сложной формы; снижение работоспособности при высоких частотах вращения; низкая работоспособность в агрессивных средах, а также при вибрационных и ударных нагрузках.

Размеры подшипников качения стандартизованы.

По направлению воспринимаемой нагрузки различают подшипники радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные.

По форме тел качения подшипники разделяются на шариковые и роликовые, последние могут быть с короткими цилиндрическими роликами, с коническими роликами, с бочкообразными роликами, с витыми роликами и игольчатые.

В зависимости от числа рядов тел качения подшипники делят на однорядные, двухрядные и многорядные.

По возможности самоустанавливаемости различают подшипники несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся сферические.

По габаритам подшипники делят на размерные серии: по радиальным габаритам предусмотрено семь серий: сверхлёгкая (две серии), особолёгкая (две серии), лёгкая, средняя и тяжёлая; по ширине – пять: особоузкая, узкая, нормальная, широкая и особоширокая [1, 4].

Наиболее распространены подшипники лёгкой и средней серий.

Для удобства закрепления наружные кольца подшипников некоторых типов могут быть выполнены с канавкой под упорное упругое кольцо либо с упорным бортом. С целью предохранения от внешних загрязнений и предотвращения вытекания смазки подшипники при необходимости снабжают защитными шайбами или встроенными уплотнениями.

Кольца и тела качения подшипников изготовляют из шарикоподшип-никовых высокоуглеродистых хромистых сталей марок ШХ15 и ШХ15СГ. Среднее содержание углерода в них 1…1,1%, число в обозначении марки стали указывает среднее содержание хрома в десятых долях процента. Сталь ШХ15СГ содержит дополнительно кремний и марганец. Большое распространение получили также цементируемые легированные стали марок 18ХГТ, 20Х2Н4А и некоторые другие. Твёрдость колец и роликов обычно составляет 60…65 HRC_э, шариков – 62…66 HRC_э. Для работы при высоких температурах применяют теплостойкие стали, при требовании немагнитности – бериллиевую бронзу.

Для изготовления сепараторов массовых подшипников используют мягкую углеродистую сталь, в высокоскоростных подшипниках применяют массивные сепараторы из антифрикционных бронз, анодированного дюралюминия, текстолита, металлокерамики и некоторых других материалов [3].

Шариковые радиальные однорядные подшипники (рис. 2, а) предназначены в основном для восприятия радиальных нагрузок, но могут воспринимать и осевые нагрузки. Они допускают небольшие перекосы вала (до 8). Эти подшипники наиболее распространены в машиностроении.

Приближённо число шариков z определяют по формуле:

z ≈ 2,9 (D + d) / (D – d),

где D – наружный диаметр подшипника;

d – внутренний диаметр подшипника;

с последующим округлением полученного значения до целого.

Диаметр шариков D_ω находят по формуле

D_ω = (0,275…0,3175) ∙ (D – d)

и округляют до ближайшего значения по стандарту.

Радиус профиля дорожки качения ρ_в внутреннего кольца обычно равен:

ρ_в = 0,515 D_ω.

При сборке подшипника кольца смещают в радиальном направлении, образовавшийся зазор заполняют шариками, затем распределяют их равномерно по окружности и устанавливают сепаратор. Возможно также изготовление колец подшипника с канавкой для ввода шариков, что позволяет увеличить число последних и повысить радиальную грузоподъёмность примерно на 40%, однако в этом случае осевая нагрузка на подшипник не допускается [3].

Шариковый радиальный однорядный подшипник с канавкой на наружном кольце (рис. 2, б) упрощает его фиксацию при установке в корпусе сложной формы.

Шариковые радиальные двухрядные сферические подшипники (рис. 2, в) служат для восприятия радиальных нагрузок при возможных перекосах колец (до 2…3°), вызванных неточностью монтажа или упругими деформациями валов, допускается незначительная осевая нагрузка. Внутренняя рабочая поверхность наружного кольца этих подшипников выполнена сферической.

Шариковые радиально-упорные однорядные подшипники (рис. 2, г) воспринимают радиальные и односторонние осевые нагрузки. В некоторых случаях их применяют для восприятия только осевых нагрузок. Эти подшипники выпускались с углами контакта шариков с кольцами α = 12, 26 и 36°, в настоящее время вместо них начинается выпуск подшипников с углами контакта α = 15, 25 и 40°.

Несущая способность таких подшипников на 30…40% больше, чем у шариковых радиальных однорядных. Для работы в условиях стеснённых габаритов возможно изготовление подшипников этого типа с разъёмным внутренним или наружным кольцом и контактом в трёх или четырёх точках [3].

Так как эти подшипники воспринимают осевую нагрузку в одном направлении, для фиксации вала в обе стороны их, как правило, устанавливают по два на вал или в одну опору. При особо больших осевых нагрузках в одной опоре можно устанавливать несколько подшипников этого типа [3, 4].

Шариковые радиально-упорные двухрядные подшипники (рис. 2, д) отличаются повышенной жёсткостью, они могут воспринимать значительные как радиальные, так и осевые нагрузки. Такие подшипники собирают с предварительным натягом.

Шариковые упорно-радиальные подшипники имеют угол контакта шариков с кольцами 60°, особенностями этих подшипников являются возможность воспринимать большие нагрузки и самоустанавливаемость.

Шариковые упорные подшипники (рис. 2, е) воспринимают односторонние осевые нагрузки, их работоспособность резко снижается при перекосах вала. Такие подшипники допускают скорость на валу до 5…10 м/с (большее значение – для подшипников лёгких серий). При скоростях, превышающих указанные значения, работоспособность упорных подшипников резко падает из-за отрицательного влияния на шарики центробежных сил и гироскопических моментов. При вертикальном расположении валов они работают лучше. Если валы расположены горизонтально, требуется тщательная регулировка или постоянное прижатие колец пружинами.

Приближённо число шариков в таких подшипниках равно:

z ≈ 3,56 (D + d) / (D – d),

диаметр шарика

D_ω ≈ 0,375 (D – d),

радиус дорожки качения

ρ ≈ 0,54 D_ω.

Двойные шариковые упорные подшипники (рис. 2, ж) могут воспринимать нагрузку в двух направлениях. Внутреннее (среднее) кольцо этих подшипников закрепляют на валу, а наружные – в корпусе [3].

Р оликовые радиальные подшипники с короткими цилиндрическими роликами (рис. 3, а) благодаря увеличенной контактной поверхности допускают повышенные радиальные нагрузки. Грузоподъёмность таких подшипников на несколько десятков процентов выше, чем у однорядных радиальных шариковых. Однако они не воспринимают осевые нагрузки и плохо работают при перекосах вала.

Эти подшипники легко разбираются в осевом направлении и допускают при работе осевое взаимное смещение колец в определённых пределах, что бывает необходимо для компенсации температурных деформаций или при самоустановке валов, например, в редукторах с шевронными зубчатыми колёсами.

Возможно также изготовление подшипников с бортами на наружном кольце (рис. 3, б), при необходимости фиксации валов в одном направлении применяют подшипники с дополнительным бортом на одном из колец (рис 3, в и г). Для осевой фиксации вала в двух направлениях используют подшипники с дополнительным бортом и упорной шайбой [3].

Роликовые радиальные двухрядные подшипники с короткими цилиндрическими роликами предназначены в основном для установки шпинделей металлорежущих станков. Длина роликов в таких подшипниках принимается равной диаметру, ролики располагают в шахматном порядке. Подшипники характеризуются высокой точностью работы и возможностью регулирования зазора путём упругой деформации внутреннего кольца.

Роликовые радиальные двухрядные сферические подшипники (рис. 3, д) применяют для восприятия больших радиальных нагрузок при возможных перекосах колец до 2,5°. Ролики у них имеют бочкообразную несимметричную или симметричную форму. Подшипники очень чувствительны к воздействию осевых нагрузок. Обладая высокими эксплуатационными показателями, они достаточно сложны при изготовлении.

Роликовые конические однорядные подшипники (рис. 3, е) относятся к группе радиально-упорных, они могут воспринимать совместно действующие радиальные и односторонние осевые нагрузки при средних скоростях (обычно до 15 м/с на поверхности вала). Угол конусности α (половина угла при вершине конуса дорожки качения наружного кольца) у них обычно 12…16°, однако у подшипников, предназначенных для восприятия особо больших осевых нагрузок, его увеличивают до 20…30°. Угол конусности роликов 1,5…2°. Подшипники этого типа отличаются простотой сборки, разборки и регулировки при эксплуатации, они очень широко распространены в машиностроении, в особенности при необходимости регулировки положения валов с установленными на них деталями (например, в конических и червячных редукторах). Для фиксирования вала в осевом направлении такие подшипники должны устанавливаться парно [3, 4].

Роликовые конические однорядные подшипники с упорным бортом на наружном кольце (рис. 3, ж) упрощают конструкцию корпуса и уменьшают размеры подшипникового узла.

При особо больших радиальных нагрузках (например, в прокатных станах) используют роликовые конические многорядные подшипники, воспринимающие также и двусторонние осевые нагрузки, однако эти подшипники весьма чувствительны к перекосу валов.

Ресурс роликовых цилиндрических и конических подшипников повышается примерно в 1,5…2 раза при изготовлении роликов с небольшой выпуклостью (бомбиной), выбираемой так, чтобы при упругой деформации деталей подшипника под нагрузкой площадка контакта распространялась на всю длину ролика. Этим удаётся значительно снизить отрицательное влияние возможного взаимного перекоса колец подшипника в широком диапазоне эксплуатационных условий.

Роликовые упорно-радиальные сферические подшипники, обладающие большой нагрузочной способностью и самоустанавливаемостью, применяют в наиболее ответственных конструкциях, однако их изготовление намного сложнее, чем подшипников других типов.

Роликовые упорные подшипники воспринимают большие осевые нагрузки при небольших частотах вращения. Они могут быть с цилиндрическими, коническими или бочкообразными роликами. Последние воспринимают, наряду с осевыми, небольшие радиальные нагрузки.

Роликовые игольчатые подшипники (рис. 3, з) обладают высокой радиальной грузоподъёмностью, но не воспринимают осевых нагрузок. Их применяют при очень стеснённых радиальных габаритах и скоростях на поверхности вала до 5 м/с, а также при качательных движениях (подшипники верхней головки шатуна, шарнирные муфты карданных валов и т.п.).

Помимо перечисленных, существует достаточно большое количество подшипников качения других конструкций, изготавливаемых по специальным заказам. Сведения о них приводятся в справочниках, каталогах, научной и учебной литературе [1, 3, 4].