Нормирование точности (6 семестр) / Лекции / 9 Подшипники

9. НОРМИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ПОСАДКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Подшипники качения широко используются в изделиях машино- и приборостроения в качестве опор валов и осей. По сравнению с подшипниками скольжения (посадка с зазором в сопряжении вала и втулки) эти опоры обеспечивают меньшие энергетические затраты на вращение и более стабильный момент сопротивления. Достоинством опор с трением качения является также низкий момент, необходимый для начала движения. В этом также их существенное отличие от подшипников скольжения, для которых момент трогания значительно больше момента установившегося движения, из-за большего трения покоя. К недостаткам подшипников качения можно отнести более сложную конструкцию и большие габариты, чем у подшипников скольжения.

Подшипники качения – это наиболее распространенные стандартные изделия (сборочные единицы) множества конструкций и модификаций, которые изготавливаются на специализированных заводах и встраиваются в более сложные изделия (редукторы, коробки подач и скоростей, шпиндели металлорежущих станков и др.).

Основные функциональные элементы подшипника качения – тела качения (шарики или ролики), которые катятся по дорожкам качения. Дорожки качения, как правило, располагаются на специально изготовляемых наружном и внутреннем кольцах подшипника. Тела качения могут быть разделены сепаратором, который обеспечивает равномерное распределение тел качения по окружности.

Подшипники качения классифицируют по конструктивным разновидностям в зависимости от вида тел качения, направления воспринимаемой нагрузки, точности вращения колец и другим признакам.

По направлению действия воспринимаемой нагрузки различают подшипники:

а) радиальные, которые воспринимают нагрузку, действующую перпендикулярно оси вращения подшипника;

б) упорные, которые воспринимают осевую нагрузку;

в) радиально-упорные, которые воспринимают комбинированную нагрузку.

По форме тел качения различают шариковые и роликовые подшипники, причем ролики могут быть цилиндрические, конические и бочкообразные. Роликовые подшипники с длинными и тонкими цилиндрическими роликами называют игольчатыми.

По числу рядов тел качения подшипники делят на однорядные, двухрядные и многорядные.

В зависимости от наличия уплотнений и защитных шайб подшипники могут быть открытые – без уплотнений и защитных шайб или закрытые – с одним или двумя уплотнениями, с одной или двумя защитными шайбами или одним уплотнением и одной защитной шайбой.

Стандарты также устанавливают серии подшипников (сверхлегкая, особо легкая, легкая, легкая широкая, средняя, средняя широкая, тяжелая серии). Подшипники различных серий отличаются друг от друга размерами, предельным числом оборотов в минуту, статической и динамической грузоподъемностью и другими параметрами.

В условное обозначение подшипника входят кодовые обозначения серии, типа, конструктивных особенностей, диаметра присоединительного отверстия подшипника (диаметр вала, сопрягаемого с данным подшипником), а также класса точности и категории. Полное обозначение стандартного подшипника включает девять позиций, в которых, считая справа налево, закодированы:

• диаметр присоединительного отверстия подшипника (позиции первая и вторая);

• серия подшипника по диаметру (третья позиция);

• тип подшипника (четвертая позиция);

• конструктивные особенности (пятая и шестая позиции);

• серия подшипника по ширине (седьмая позиция).

Восьмая и девятая позиции в обозначении отделяются от седьмой знаком тире и несут следующую информацию:

• класс точности подшипника (восьмая позиция);

• категория подшипника (девятая позиция).

Диаметр присоединительного отверстия подшипника (при размерах от 20 мм до 495 мм) обозначается числом, которое представляет собой частное от деления диаметра на 5. При размерах до 20 мм используют иную кодировку.

Для подшипников с диаметром отверстия до 9 мм последняя цифра указывает фактический внутренний диаметр в миллиметрах. В этом случае на третьем месте справа в обозначении стоит «0».

Для подшипников с диаметрами отверстия от 10 мм до 17 мм обозначения соответствуют приведенным в кодовой таблице 9.1.

Таблица9.1 – Обозначения диаметров отверстий подшипников от 10 мм до 17 мм

d	10	12	15	17
обозначение	00	01	02	03

Серия диаметров может быть сверхлегкая, особо легкая, легкая, средняя, тяжелая.

Типы подшипников и их условные обозначения, установленные стандартом ГОСТ 3189-89 «Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений», приведены в таблице 9.2.

Таблица 9.2 – Условные обозначения типов подшипников

Тип подшипника	Обозначение
Шариковый радиальный	0
Шариковый радиальный сферический	1
Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами	2
Роликовый радиальный со сферическими роликами	3
Роликовый радиальный с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами	4
Роликовый радиальный с витыми роликами	5
Шариковый радиально-упорный	6
Роликовый конический	7
Шариковый упорный, шариковый упорно-радиальный	8
Роликовый упорный, роликовый упорно-радиальный	9

Для наиболее часто используемых серий, типов и конструктивных особенностей подшипника в качестве кодовых цифр использованы нули, которые не указывают в условных обозначениях при отсутствии слева других цифр. Например «Подшипник 205 ТУ 2-034-203-83» — радиальный однорядный, легкой серии, с диаметром посадочного отверстия 25 мм. В обозначении использованы только три позиции справа, поскольку остальные четыре позиции формально заняты нулями.

Категорию и класс точности подшипника качения указывают перед остальной частью условного обозначения подшипника, отделяя от последующих цифр знаком тире, например «Подшипник В6 – 206 ТУ 2-034-203-83» (подшипник радиальный однорядный, легкой серии, с диаметром посадочного отверстия 30 мм категории В и шестого класса точности). Самые распространенные классы точности подшипников, также обозначаемые цифрой 0 (классы «нормальный» и нулевой), в обозначении не указывают.

Точность подшипников качения

Качество подшипника в значительной мере определяется точностью изготовления его деталей и точностью сборки. Подшипники одного типоразмера обладают функциональной взаимозаменяемостью, включая геометрическую взаимозаменяемость по присоединительным поверхностям («внешняя взаимозаменяемость»). К присоединительным размерам подшипника качения относятся наружный диаметр D наружного кольца подшипника, внутренний диаметр d внутреннего кольца подшипника и ширина В.

Для шариковых радиальных и радиально упорных подшипников и для роликовых радиальных подшипников «Подшипники качения. Общие технические условия» устанавливает следующие классы точности подшипников: 8, 7, нормальный, 6, 5, 4, Т, 2 (обозначения указаны в порядке возрастания точности).

ГОСТ 520-2002 устанавливает нормы точности для подшипников всех классов точности, кроме 7 и 8. Подшипники классов точности 7 и 8 изготавливают по заказу при пониженных требованиях к точности вращения деталей.

Для роликовых конических подшипников установлены классы точности 8, 7, 0, нормальный, 6Х, 6, 5, 4, 2.

В обозначениях всех подшипников нормальный класс точности указывают цифрой 0 (кроме роликовых конических подшипников). Для роликовых конических подшипников нулевой класс точности обозначают цифрой 0, а нормальный – буквой N. Для обозначения класса точности 6Х используют знак Х.

Примеры обозначений (без указания слова «подшипник» и номера стандарта) с указаниями классов точности:

А5 – 307; 205; Х – 307; N – 312.

Знак 0 для соответствующих классов точности включают в обозначение, только в тех случаях, если слева от него тоже есть знак маркировки, например:

В0 – 205.

Категории подшипников А, В и С (ГОСТ 520-2002) установлены для ограничения уровня вибрации, установления допускаемых значений уровня вибрации или уровня других дополнительных технических требований.

Категорию подшипника А или В указывают перед обозначением класса точности. Категорию С в обозначении подшипника не указывают.

Основными показателями точности подшипников и их деталей являются:

• точность размеров присоединительных поверхностей (d, dm, D, Dm). Средние диаметры (dm, Dm) поверхностей нормируют наряду с предельными размерами, поскольку при наличии таких отклонений формы, как овальность и конусообразность, существенные различия диаметров в разных сечениях могут привести к недопустимому перераспределению радиального зазора после посадки подшипника. Средний диаметр определяют расчетом как среднее арифметическое наибольшего и наименьшего значений диаметра, измеренных в двух радиальных сечениях кольца;

• точность формы и расположения поверхностей колец (радиальное и торцовое биение, непостоянство ширины колец);

• точность размеров и формы тел качения;

• боковое биение по дорожкам качения внутреннего и наружного колец;

• шероховатость рабочих поверхностей колец и тел качения.

Эти показатели определяют равномерность распределения нагрузки на тела качения при работе подшипника, точность вращения и в значительной мере срок его службы.

Допуски подшипников качения

Выбор полей допусков поверхностей валов и корпусов, сопряженных с кольцами подшипников, регламентируется ГОСТ 3325-85. Этот стандарт распространяется на посадочные поверхности валов и отверстий корпусов под подшипники качения, отвечающие следующим требованиям:

1 Валы стальные, сплошные или полые толстостенные с отношением диаметров d/dо < 1,25, где d — диаметр вала, dо — диаметр отверстия в нем.

2. Материал корпусов — сталь или чугун.

3. Температура нагрева подшипников при работе – не выше 100 °С.

Общее обозначение полей допусков подшипников:

• для среднего диаметра внутреннего кольца подшипника – Ld_m;

• для среднего диаметра наружного кольца подшипника – lD_m.

Поля допусков колец подшипника обозначаются буквами L или l по классам точности, например: L0, L6, …, l5, l4, …

Диаметры наружного и внутреннего колец подшипника приняты соответственно за диаметры основного вала и основного отверстия. Однако поле допуска внутреннего кольца располагается вниз от номинального размера (перевернуто относительно нулевой линии). Такое расположение поля допуска позволяет получать посадки внутреннего кольца подшипника с валами с небольшим натягом без применения дополнительных полей допусков валов, используя основные отклонения n, m, k, j_s .

Схемы расположения полей допусков при посадках подшипников на валы и в отверстия корпусов представлены на рисунке 9.1.

Рис. 9.1. Схемы расположения полей допусков при посадках подшипников

Посадки подшипников качения

Выбор посадок внутреннего кольца подшипника на вал и наружного кольца подшипника в отверстие корпуса зависит:

• от вида нагружения кольца подшипника;

• режима работы подшипника;

• соотношения эквивалентной нагрузки Р и динамической грузоподъемности С;

• типа, размера и класса точности подшипника.

Различают следующие виды нагружения колец подшипника:

• местное – М;

• циркуляционное – Ц;

• колебательное – К.

При местном нагружении действующая на подшипник результирующая радиальная нагрузка воспринимается одним и тем же ограниченным участком дорожки качения кольца и передается соответствующему участку посадочной поверхности вала или корпуса.

При циркуляционном нагружении действующая на подшипник результирующая радиальная нагрузка воспринимается и последовательно в процессе вращения передается всей дорожке качения, а следовательно, и всей посадочной поверхности вала или корпуса.

При колебательном нагружении неподвижное кольцо подшипника подвергается одновременному воздействию радиальных нагрузок: постоянной по направлению и вращающейся, но меньшей или равной по величине первой нагрузке. Равнодействующая этих нагрузок совершает периодическое колебательное движение, которое передается ограниченному участку посадочной поверхности.

Посадки следует выбирать так, чтобы по возможности исключить проскальзывания колец по сопрягаемой поверхности вала или отверстия в корпусе. Для этого циркуляционно или колебательно нагруженное кольцо подшипника обычно монтируют с натягом. Наличие зазора между циркуляционно нагруженным кольцом и посадочной поверхностью детали может привести к его проворачиванию с проскальзыванием поверхностей, следовательно, к развальцовыванию и истиранию металла деталей в сопряжении, что недопустимо.

Если кольцо подшипника испытывает местное нагружение, его проворачивание с проскальзыванием сопрягаемых поверхностей практически исключено из-за малости действующих на него вращающих моментов. Поэтому второе кольцо того же подшипника, если оно нагружено местно, может быть посажено по переходной посадке или посадке с зазором. При таком сочетании посадок колец одного подшипника устраняется опасность заклинивания тел качения из-за чрезмерного уменьшения радиального зазора.

Основная опасность для кольца, которое нагружено местно, – ускоренный износ дорожки качения в месте действия нагрузки. Однако если на это кольцо назначают посадку с зазором и оно не зажато в осевом направлении, то под действием вибрации и толчков оно постепенно проворачивается по посадочной поверхности, благодаря чему износ дорожки качения происходит более равномерно по всей окружности кольца.

На чертежах общего вида выбранные посадки подшипника качения обозначаются с указанием поля допуска подшипника через обозначение его класса точности и вида сопрягаемой поверхности (отверстие внутреннего кольца – литерой L, а посадочная поверхность наружного кольца литерой l). Примеры обозначений посадок колец подшипника качения:

• посадка внутреннего кольца на вал – Ø30L0/k6, где L0 – поле допуска внутреннего кольца подшипника нормального класса точности; k6 – поле допуска вала.

• посадка наружного кольца в корпус – Ø72Н7/l0, где Н7 – поле допуска отверстия корпуса; l0 – поле допуска наружного кольца подшипника нормального класса точности.

На рисунке 9.2 показан фрагмент редуктора, на котором обозначены подшипниковые посадки и сопутствующие посадки, которые в значительной мере определяются тем, что в них входят поверхности, сопрягаемые с кольцами подшипника.

Обозначенные подшипниковые посадки – с натягом по внутреннему диаметру 25L0/n6 и с зазором по наружному диаметру 52H7/l0 по назначению соответствуют работе изделия (внутреннее кольцо нагружено циркуляционно, наружное – местно). Поскольку на ступенях, сопрягаемых с внутренними кольцами подшипника, уже выбрано поле допуска вала n6, то посадки на ту же ступень вала зубчатого колеса и распорной втулки реализуются в системе неосновного вала. Центрирующая посадка зубчатого колеса на вал 25H7/n6 – переходная с преимущественными натягами (формально ее можно рассматривать как переходную посадку в системе основного отверстия). Посадка распорной втулки на вал 25D9/n6 – посадка с весьма значительным зазором в системе неосновного вала – назначена для того, чтобы при низкой точности обработки отверстия обеспечить требуемую точность контакта привалочного торца с боковой поверхностью внутреннего кольца подшипника.

Посадка крышек в отверстия корпусных деталей 52H7/m6 – переходная с большей вероятностью натягов должна обеспечить требуемую точность контакта привалочных торцов крышек с боковыми поверхностями наружных колец подшипников.

Как уже отмечалось выше, опоры на подшипниках качения имеют большие габариты, чем опоры на подшипниках скольжения, Для уменьшения габаритов опор оба кольца подшипников делают как можно тоньше, поэтому они становятся легко деформируемыми и при сборке в значительной мере повторяют форму сопрягаемых с ними поверхностей. В связи с этим к точности формы поверхностей деталей, сопрягаемых с подшипниками качения, приходится предъявлять повышенные требования. Отклонения формы, расположения и шероховатость таких поверхностей нормированы стандартом ГОСТ 3325.

Наибольшую опасность представляют такие погрешности формы, как конусообразность и овальность, поскольку именно эти погрешности приводят к значительному перераспределению радиального зазора (уменьшению его вплоть до полного исчезновения в «неблагоприятных» сечениях).

Еще одна особенность подшипниковых посадок заключается в том, что стандарт предъявляет определенные требования не только к цилиндрическим поверхностям, сопрягаемым с подшипниками, но и к привалочным плоскостям (буртики валов и заплечики корпусов), в которые упираются торцы наружного и внутреннего колец подшипников. На эти поверхности в соответствии со стандартом назначаются допуски торцового биения и устанавливаются определенные высотные параметры шероховатости поверхностей.

На рабочих чертежах вала и корпуса обозначают допуски размеров, допуски формы и расположения посадочных и опорных торцовых поверхностей заплечиков валов и отверстий корпусов, а также шероховатость данных поверхностей (рисунок 9.3).

Рисунок 9.3 - Обозначение допусков на рабочем чертеже вала