ОПМ / ЛекцииДеталиМашин_1 / Лекция 9 Подшипники

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ.

Общие сведения.

Подшипником называют опору или направляющую, определяющую положение движущихся частей по отношению к другим частям механизма. Подшипники, работающие на движение с трением качения, называют подшипниками качения, а на движение с трением скольжения – подшипниками скольжения.

Достоинства подшипников качения:

1.Полная взаимозаменяемость, готовность к эксплуатации без дополнительной подгонки или приработки.

2.Малые осевые размеры, простота монтажа и эксплуатации

3.Малая потребность в смазочном материале.Подшипники с защитными шайбами заполняют пластичным материалом при изготовлении. Этого запаса хватает на весь срок работы.

4.Малые потери на трение, незначительный нагрев при работе.

5.Малое использование дефицитных цветных металлов при изготовлении.

6.Малая стоимость в связи с массовым производством.

Недостатки подшипников качения:

1. Большие радиальные размеры

2. Малая жесткость.

3. Большое сопротивление вращению, шум ,низкая долговечность при высоких частотах вращения.

4. Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.

1. Классификация подшипников качения.

Подшипники классифицируются по направлениям:

- по форме тел качения – шариковые и роликовые (ролики цилиндрические короткие, длинные, игольчатые, бочкообразные, конические, бомбинированные – с небольшой выпуклостью поверхности качения, витыми – пустотелыми)

• по направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные силы); радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые силы); упорные (воспринимают только осевые силы); упорно-радиальные (воспринимают осевые и небольшие радиальные силы)

• по числу рядов тел качения – одно-, двух -, четырехрядные.

• по основным конструктивным признакам – самоустанавливающиеся, несамоустанавливающиеся, с цилиндрическим или конусным отверстиями внутреннего кольца, сдвоенные и т.д.

Назначение основных деталей подшипника:

1 – внутреннее кольцо с диаметром отверстия d;

2 – наружное кольцо. Наружный диаметр подшипника D;

3– тело качения. Диаметр тела качения D_w;

4– сепаратор; охватывает тела качения и перемещается вместе с ними.

Кольца подшипников имеют желоба (канавки), служащие направляющими для тел качения. Сепаратор предназначен для направления, удержания тел качения в определенном положении (с целью обеспечения соосности колец) и для разделения тел качения от их непосредственного контакта (с целью уменьшения изнашивания и потерь на трение)

Материалы деталей подшипников:

Кольца и тела качения изготавливают из специальных шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей марок ШХ15, ШХ20СГ, а так же из цементируемых легированных сталей марок 18ХГТ, 20Х2Н4А. Колца имеют твердость 61…65 НRС, тела качения – 63…67 НRС.

Сепараторы изготавливают из мягкой углеродистой стали марок 08кп, 10кп. Сепараторы высокоскоростных подшипников выполняют массивными из текстолита, фторопласта, латуни , бронзы (в порядке увеличения быстроходности)

3.Система условных обозначений.

Основное условное обозначение может быть составлено из семи цифр, условно обозначающих внутренний диаметр подшипника, размерную серию, тип и конструктивные особенности. Нули стоящие левее последней значащей цифры, не проставляются. В этом случае в обозначении меньше цифр, например 7208.

Две первые цифры справа образуют число, которое обозначает диаметр внутреннего кольца подшипника. Для подшипников с d = 20…495 мм внутренний диаметр определяют умножением этого числа на 5. Так подшипник 7208 имеет диаметр d = 40 мм. Обозначение внутреннего диаметра не входящего в этот диапазон см. ГОСТу 3189-89 (Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений)

Третья цифра справа обозначает серию диаметров и совместно с седьмой цифрой, обозначающей серию ширин, определяет размерную серию подшипника. В порядке увеличения наружного диаметра подшипника (при одном и том же внутреннем) серии бывают: особолегкая – 1; легкая – 2; средняя – 3; тяжелая – 4; и т.д. Так, подшипник 7208 – легкая серия диаметров – 2.

Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника:

Шариковый радиальный однорядный – 0.

Шариковый радиальный сферический двухрядный – 1.

Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами – 2.

Роликовый радиальный сферический двухрядный – 3.

Шариковый радиально-упорный однорядный – 6.

Роликовый конический – 7.

Шариковый упорный, шариковый упорно-радиальный – 8.

Например, подшипник 7208 является роликовым коническим.

Пятая или пятая и шестая цифры справа обозначает конструктивную разновидность подшипников (значение номинального угла контакта в радиально-упорных подшипниках, наличие уплотнений, защитных шайб или канавки на наружном кольце под уплотнительное кольцо и др.)

Седьмая цифра справа обозначает серию по ширине и совместно с третьей цифрой, обозначающей серию диаметров, определяет размерную серию подшипника. В порядке увеличения ширины подшипников (при одном итом же внутреннем и наружном диаметрах) серии ширин бывают :0, 1, 2, 3, …

Подшипники разных типов и серий имеют различающиеся размеры, массу m, грузоподъемность С_r и предельную частоту вращения [n].Наиболее быстроходными являются радиальные шарикоподшипники легкой (02) серии. Подшипники тяжелых серий (04) менее быстроходны, но их грузоподъемность выше. Роликовые конические подшипники характеризует большая, чем у шарикоподшипников равных размеров, грузоподъемность и меньшая предельная частота вращения.

В обозначение подшипников кроме основного обозначеия слева и справа могут быть дополнительные обозначения в виде буквенных или цифровых знаков, характеризующих специальные условия изготовления данного подшипника.

Класс точности подшипника маркируется цифрой слева через тире от основного обозначения. В порядке повышения класса точности обозначают: 0, 6, 5, 4, 2. В общем машиностроении применяют подшипники классов 0 и 6.

В зависимости от наличия дополнительных требований к уровню вибрации, отклонениям формы и расположению поверхностей качения, моменту трения и др. установлены три категории подшипников:

А – повышенные регламентированные нормы; В – регламентированные нормы; С – без дополнительных требований вибрационных, ударных и значительных статических нагрузок.

Возможные знаки с права: Е – сепаратор выполнен из пластических материалов; Р – детали подшипника из теплопрочных сталей; С – подшипник закрытого типа при заполнении смазочным материалом

Характер т причины отказа подшипников качения:

1. Усталостное выкрашивание – под действием переменных контактных напряжений. Наблюдается после длительной работы.

2. Смятие рабочих поверхностей дорожек и тел качения вследствии местных пластических деформаций.

3. Абразивное изнашивание в следствии плохой защиты от попадания абразивных частиц.

4. Разрушение сепараторов от действия центробежных сил и воздействия на сепаратор разно размерных тел качения

5. Разрушение колец и тел качения в следствии перекосов колец или в следствии перегрузок ударного характера

Внешними признаками нарушения работоспособности подшипников являются: потеря точности вращения, повышенный шум и вибрации, повышение сопротивления вращению и температуры.

Критерии работоспособности – сопротивление контактной усталости и статическая прочность.

4.Распределение сил между телами качения.

Если подшипник нагружен центральной осевой силой F_a, линия действия которой совпадает с осью подшипника, то принимают, что все тела качения нагружены одинаково. В радиально-упорных и радиальных подшипниках действует нормальная к поверхности сила – F_n = F_a/(z sinα). Угол α между радиальным направлением и прямой линией, проходящей через точки контакта тела качения с дорожками качения колец, называют углом контакта.

Радиальная сила F_r, нагружает тела качения равномерно. Если нет натяга между кольцами и телами качения, то действие радиальной силы со стороны вала на подшипник воспринимают тела качения в зоне, ограниченной дугой не более 180^о.

При обычном числе Z = 8…20 шариков в подшипнике К_П = 4,37. Тогда сила, действующая на наиболее нагруженное тело качения: F_o = 4.37F_r/z . При учете реальных зазоров в подшипнике, деформаций колец для подшипника: шарикового F_o = F_r/z. роликового F_o = 4.6F_r/z.

Для всех типов подшипников (кроме сферических) напряжение в контакте тела качения с внутренним кольцом выше, чем в зоне контакта тела качения с наружным кольцом

Кинематика подшипника. Определение числа циклов нагружения

Случай вращения наружного кольца при невращающимся внутреннем

Наиболее нагруженная точка расположена в зоне контакта тела качения с внутренним кольцом по линии действия радиальной силы F_r. За один оборот сепаратора опасная точка нагружается Z раз.

Число циклов нагружения опасной точки за L_h часов работы:

N = 60 Zn_рwL_h

Частоту вращения сепаратора определяем при n_в = 0 : n_рw = К₁ n_Н .

С учетом этого N = 60Z К₁ n_Н L_h = 10⁶К₁ Z L,

где К₁ =0,5(D_рw + D_wсоsα)/D_рw > 0,5 ; L_h = 10⁶L/60n

D_рw – диаметр окружности, проходящей через центры тел качения;

D_w – диаметр шарика ; α – угол контакта

L_h – время работы подшипника в часах;

L – продолжительность работы кольца в млн. оборотов

1. Случай вращения внутреннего кольца при невращающемся наружном

Число циклов нагружения:

N = 0,5 Z n_b K₁ 60L_h = 10⁶ 0.5 K₁ Z L = 0,5 10⁶ K₁ K_Э Z L

Неравномерность распределения нагрузки F_r между телами качения в зоне нагружения учитываем введением в расчетную зависимость коэффициента эквивалентности К_Э< 1.

Вывод: случай вращения внутреннего кольца подшипника является более благоприятным, так как число циклов нагружения при этом более чем в два раза меньше по сравнению со случаем вращения наружного кольца.

Статическая расчетная грузоподъемность подшипника.

Базовая статическая грузоподъемность подшипника – статическая нагрузка в Н, которая соответствует расчетному контактному напряжению в центре наиболее нагруженной зоны контакта тела качения и дорожки качения подшипника. В соответствии со стандартом в качестве расчетных контактных напряжений для подшипников приняты:

- радиальных и радиально – упорных шариковых [σ]_Н = 4200 МПа;

- радиальных шариковых самоустанавливающихся [σ]_Н = 4600 МПа;

- радиальных и радиально – упорных роликовых [σ]_Н = 4000 МПа;

- упорных и упорно – радиальных шариковых [σ]_Н = 4200 МПа;

- упорных и упорно – радиальных роликовых [σ]_Н = 4000 МПа.

Базовую статическую грузоподъемность обозначают: радиальную С_оr . осевую С_оа

Расчет на прочность сводится к ограничения действующего контактного напряжения:

; ; = f₀D²_w

Имея в виду, что[F]_r = C_0r – получаем формулу для расчета базовой статической грузоподьемности для шариковых радиальных и радиально – упорных подшипников:

C_0r = f₀ I z D²_wcosα ,

где f₀ - коэффициент, зависящий от типа подшипника, материала, геометрии деталей подшипника, точности их изготовления, принятого расчетного контактного напряжения;

i - число рядов тел качения, z - число тел качения в одном ряду; D_w - диаметр шарика, мм;

α - номинальный угол контакта/

Значения базовой статической грузоподъемности С_0r приведены в каталоге.

При расчете на статическую грузоподъемность проверяют :

F_r< C_0r или F_a < C_0a

Для подшипников радиальных, радиально – упорных, воспринимающих внешнюю комбинированную нагрузку определяют статическую эквивалентную радиальную нагрузку.

Р_0r = Х₀ F_r + Y₀F_a , при условии Р_0r > F_r.

Динамическая грузоподъемность

Базовая динамическая грузоподъемность представляет собой постоянную радиальную или осевую нагрузку в Н, которую подшипник качения теоретически может воспринимать при базовом расчетном ресурсе, составляющем 1 миллион оборотов. Значения указаны в каталоге.

Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка – постоянная радиальная сила, под действием которой подшипник будет иметь такой же ресурс, как и в условиях действительного нагружения.

Р_r = ( Х V F_r + Y F_a)К_Д К_{Т ;}

Х, Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок; зависят от типа и конструкции подшипника ( одно-, двухрядный, значение угла контакта), от предельного е = F_a/F_r . F_a/F_r< e на распределение нагрузки между телами качения превалирующее действие оказывает радиальная сила и осевую силу при определении Р_r не учитывают, полагая Х = 1, Y = 0 . F_a/F_r > e - совместное действие радиальной и осевой нагрузок учитывают через коэффициенты Х, Y - указанные в каталоге.

P_r = F_r V K_ДK_Т .

Эквивалентная динамическая осевая нагрузка для подшипников:

- упорных Р_а = F_a K_д K_Т

- упорно – радиальных Р_а = (Х F_r + Y F_a)К_Д К_Т

При перегрузках до 150% динамический коэффициент К_Д = 1,3… 1,5.

Обычные подшипники работают при температуре до 100⁰, К_Т = 1.

Базовый расчетный ресурс в миллионах оборотов определяют при 90% надежности (индекс в обозначении 100 – 90 = 10).

L₁₀ = (C/P)^k, где С – базовая динамическая грузоподъемность (радиальная С_к или осевая С_а), Н; Р – эквивалентная динамическая нагрузка (радиальная Р или осевая Р_а), Н; к - показатель степени (к = 3 – для шариковых , к – 10/3 – для роликовых подшипников)

Посадки колец подшипников.

Различают три случая нагружения колец подшипника:

циркуляционное - кольцо вращается относительно линии действия нагрузки; соединение колец с валом или корпусом выполняется с натягом.

местное - кольцо неподвижно относительно линии действия нагрузки; применяются посадки допускающие небольшой зазор

колебательное - кольцо не совершает полного оборота относительно линии действия нагрузки; посадки подшипников отличаются от обычных расположением и значением полей допусков на посадочные поверхности колец.

Интенсивность нагружения подшипникового узла оценивают отношением эквивалентной нагрузки Р к базовой динамической грузоподъемности.

Режимы нагружения:

легкий - Р/С < 0,07;

нормальный - 0.07 < Р/С < 0,15;

тяжелый -Р/С > 0,15.