Детали машин и основы конструктирования

141

Кольца подшипника, как и тела качения, изготавливаются из подшипниковых сталей. Они воспринимают высокие локальные нагрузки со стороны тел качения и передают их в виде распределенной нагрузки на опору и опираемую деталь. Это позволяет обрабатывать опору и опираемую деталь с менее жесткими требованиями по твердости, качеству шероховатости и формы. Кольца значительно увеличивают радиальные габариты подшипника. Поэтому, если поверхности опоры или опираемой детали допускают обработку до высокой твердости, то их используют взамен колец подшипника.

Сепаратор предназначен для разделения и удержания тел качения на определенном расстоянии друг от друга. Он испытывает вибрацию и подвергается изнашиванию со стороны тел качения и изготавливается из различных как металлических, так и неметаллических материалов. При плотной упаковке тел качения сепаратор может отсутствовать.

Подшипники качения применяются при обычных условиях эксплуатации. Во всех экстремальных случаях используют либо специализированные подшипники качения, либо, что чаще, подшипники скольжения, например: в разъемных опорах коленчатых валов, в опорах особо быстроходных или малоподвижных (качательного движения) валов, в подшипниковых узлах особо высокой точности, при высокой удельной статической или ударной нагрузке, при очень больших или очень малых диаметрах посадочных мест валов, в максимально простых конструкциях и т.д. Важным достоинством подшипников качения является то, что основные их типы стандартизованы и выпускаются в массовом количестве на специализированных предприятиях (следовательно – взаимозаменяемы, дешевы и доступны, просты и удобны в монтаже). Подшипники качения – одно из первых изделий, производство которых стало целиком автоматизированным.

По форме тел качения подшипники подразделяются на шариковые и роликовые. Шариковые подшипники более быстроходны, обладают меньшими потерями на трение, менее чувствительны к прогибу вала. Роликовые подшипники в 1,5...2 раза более грузоподъемны, имеют высокую контактную жесткость (подшипниковый узел более жесткий, что необходимо для устройств с повышенной кинематической точностью).

По виду воспринимаемых нагрузок (реакций в опорах) подшипники качения подразделяются на радиальные, радиально-упорные и упорные. А по способности к компенсации перекоса оси внутреннего кольца (вала) относительно оси наружного кольца (отверстия опоры) – на самоустанавливающиеся и постоянного положения.

В настоящее время все подшипники разделены на десять типов: четыре типа шариковых (радиальные, радиально-упорные, упорные и самоустанавливающиеся-сферические) и шесть – роликовых (радиальные, радиально-упорные, упорные, самоустанавливающиеся-сферические и еще два специальных типа). Их вид, схематичное изображение и воспринимаемые нагрузки показаны на рис.35. На рисунке не отсутствует сепаратор, что допускается при изображении подшипников. Также, чтобы не загромождать рисунок, вектора нагрузок показаны приложенными только к одному из колец подшипника).

Шариковый радиальный однорядный подшипник (рис. 8.36а, номер обозначения типа – 0).

Это наиболее распространенный и дешевый тип подшипников. Он предназначен для преимущественного восприятия радиальных нагрузок (на рисунке – Fr), но может воспринимать и осевые нагрузки (Fa), фиксируя вал в обоих осевых направлениях. Предельно допустимый перекос оси внутреннего кольца относительно оси наружного кольца не должен превышать 20 минут. При большем перекосе, а также при приложении чрезмерных осевых сил подшипник заклинивается, т.е. его проворот становится очень трудным либо невозможным. Предельно допустимая линейная скорость качения шариков (на среднем диаметре) составляет 20м/с. При составлении расчетной схемы, в опоре за точку приложения радиальной реакции принимается середина подшипника.

142

Шариковый радиальный двухрядный сферический подшипник (рис. 8.36б, номер обозначе-

ния типа – 1). Это – самоустанавливающаяся опора, хорошо воспринимающая радиальные нагрузки при перекосе осей колец до 3о (возможен и больший перекос, но тогда должна снижаться величина воспринимаемой нагрузки). Такие перекосы возникают в конструкциях с недостаточно жесткими валами (когда увеличение их жесткости не целесообразно), а также у гибких валов. Подшипник может воспринимать и двустороннюю осевую нагрузку (пунктирные вектора на рисунке), но она затрудняет отслеживание перекосов, и поэтому нагружать ею подшипник не рекомендуется.

Шариковый радиально-упорный подшипник (рис. 8.36в, номер обозначения типа – 6).

Предназначен для восприятия радиальной и односторонней осевой нагрузок. Приложение к подшипнику осевой силы другого направления (к узкому торцу наружного кольца) может вызвать съем кольца с тел качения, что недопустимо. Середина площадки контакта шариков с наружным кольцом (дорожки качения) смещена относительно вертикального положения на угол β, что улучшает восприятие осевой нагрузки. При этом для восприятия относительно небольших осевых нагрузок (Fa / Fr< 0,5) предназначены радиальноупорные подшипники с углом контакта β ≈ 12о (величина угла меняется в зависимости от соотношения осевой и ради-

альной нагрузок), а существенных осевых нагрузок – упорно-радиальные подшипники с углом

β = 26о и β = 36о.

Рис. 8.36 – Основные типы подшипников качения

143

При приложении радиальной нагрузки к подшипнику со смещенной на угол β площадкой контакта вызывает его догружение дополнительной осевой силой S (клиновой эффект). Ее величина равна: S =0,83 e Fr ,

где e ≈ 1,5 tgβ – коэффициент, значения которого приводятся для каждого типоразмера в каталогах на подшипники. Существование силы S, а также возможности сползания наружного кольца требует обязательного торцевого подпора колец подшипника с регулировкой величины этого усилия (такие подшипники называются регулируемыми).

Расчетная точка приложения радиальной реакции смещена относительно середины подшипника. Она располагается в точке А пересечения оси подшипника и нормали к середине площадки контакта шариков и наружного кольца. При больших углах контакта эта точка может выйти за пределы подшипника.

Шариковый упорный подшипник (рис. 8.36г, номер обозначения типа – 8). Предназначен для восприятия односторонней сжимающей осевой нагрузки. Для восприятия двусторонних осевых нагрузок применяют двухрядные подшипники со средним кольцом, фиксируемом на валу. Упорные подшипники чувствительны к перекосу оси вала, и поэтому их часто устанавливают на промежуточных сферических опорах. При горизонтальном расположении валов подшипник работает хуже, чем на вертикальных валах, и требует хорошей регулировки или постоянного поджатия колец подшипника, например, пружинами. Предельно допустимая скорость качения шариков на среднем диаметре не должна превышать 5м/с (при больших частотах вращения центробежная сила вдавливает шарики в клиновой зазор, образованном дорожками качения, что приводит к их заклиниванию).

Роликовый радиальный подшипник (рис. 8.36д, номер обозначения типа – 2). Предназначен для восприятия большой радиальной нагрузки, но вследствие повышенной чувствительности к перекосу осей устанавливают на жестких валах (перекос не должен превышать 10...15 минут). Вследствие скосов на одном из колец (на рисунке – на внутренней поверхности наружного кольца) кольцо становится подвижным в осевом направлении. По этой причине подшипник не способен воспринимать осевую нагрузку, и необходима его осевая фиксация в конструкции подшипникового узла. Подшипники применяют в качестве плавающей опоры. Предельно допустимая скорость качения роликов на среднем диаметре не должна превышать

10м/с.

Существуют разновидности радиального роликового подшипника, воспринимающие незначительные осевые нагрузки.

Игольчатый роликоподшипник (рис. 8.36е, номер обозначения типа – 4). Предназначен для восприятия радиальных нагрузок при очень стесненных радиальных габаритах. Очень чувствителен к перекосу осей, и поэтому требует высокой жесткости вала. Предельно допустимая скорость качения роликов-иголок на среднем диаметре не должна превышать 5м/с. Подшипнику свойственен повышенный коэффициент трения и износ.

Роликовый радиальный подшипник с витыми роликами (рис. 8.36ж, номер обозначения типа – 5). Предназначен для восприятия ударных радиальных нагрузок. Создаваемые ими динамические реакции снижаются благодаря повышенной податливости роликов, навитых из ленты прямоугольного сечения. Несущая способность подшипников значительно меньше, чем у обычных роликоподшипников.

Роликовый радиальный двухрядный сферический подшипник (рис. 8.36з, номер обозначе-

ния типа – 3). Предназначен для восприятия особо больших радиальных нагрузок при значительном перекосе осей колец (до 3о). Внутренняя поверхность наружного кольца имеет сферическую форму, а ролики– бочкообразную. Подшипники могут воспринимать и осевые нагрузки.

Роликовый радиально-упорный (конический) подшипник (рис. 8.36и, номер обозначения типа – 7). Предназначен для восприятия больших радиальных и односторонних осевых нагрузок. Подшипники выпускают с обычным β =10...16о и повышенным β >25о углом конуса: с ростом этого угла повышается осевая нагрузочная способность. С другой стороны, во избежа-

144

ние заклинивания роликов не рекомендуется применение при больших осевых нагрузках подшипников с малым углом β.

Коническая форма подшипника, как и в случае с шариковым радиально-упорным подшипником, вызывает самодогружение его осевой силой S. Ее величина равна:

S = e Fr ,

где e = 1,5 tgβ – коэффициент, значения которого приводятся в каталогах на подшипники. Подшипники требуют обязательной осевой регулировки.

На схеме точка приложения радиальной реакции смещена относительно середины подшипника и находится в точке А пересечения оси подшипника и нормали к оси ролика, проведенной из его середины. При больших углах контакта эта точка может выйти за пределы подшипника.

Упорный роликовый подшипник (рис. 8.36к, номер обозначения типа – 9). Предназначен для восприятия больших осевых нагрузок при небольших частотах вращения (с окружной скоростью до 5м/с). Упорные подшипники чувствительны к перекосу оси вала, и поэтому их часто устанавливают на промежуточных сферических опорах.

У каждого из перечисленных выше подшипников существуют разновидности, расширяющие область их применения. Но не все из них стандартизованы и широко доступны. Также, по сравнению с подшипниками исходного типа, они дороже. Примерами таких подшипников могут служить шариковые подшипники с разъемным кольцом (для повышения нагрузочной способности), сдвоенные подшипники, имеющие общее наружное или внутреннее кольцо, шариковые подшипники со встроенным одноили двусторонним уплотнением и другие.

Практически все типы подшипников выпускают нескольких серий, т.е. при одном и том же внутреннем диаметре они отличаются наружным диаметром и/или шириной. На рис. 8.37 показаны сравнительные габариты подшипника одного типа, но следующих серий (изображение подшипника дано упрощенно):

8, 9 – сверхлегкая,

1– особолегкой,

2– легкой,

5– легкой широкой,

3– средней,

6– средней широкой,

4– тяжелой.

“Утяжеление” серии подшипника повышает его нагрузочную способность, но и увеличивает массу и стоимость, снижает быстроходность (предельную частоту вращения). Наиболее распространены подшипники средней серии.

Рис.8.37 – Соотношение габаритов подшипников разных серий (цифрами указаны условные обозначения серий)

На практике при характеристике подшипников широко пользуются их условным обозначением (шифром), представляющим из себя ряд цифр и букв. Их отсчет ведется справа налево (по арабской системе) и означает:

• две первые правые цифры соответствуют внутреннему (посадочному на вал) диаметру

145

подшипника, деленному на 5 (в интервале 20...495мм). Для подшипников меньших диаметров обозначение следующее: 03 – на диаметр 17мм, 02 – 15мм, 01 – 12мм и 00 – 10мм;

•третья справа цифра указывает на серию подшипника (рис. 8.37);

•четвертая справа цифра обозначает один из десяти типов подшипников (рис. 8.36).

Помимо этих четырех основных цифр в обозначении дополнительно могут присутствовать до 25 цифр и букв, из которых:

•пятая и шестая справа цифры обозначают конструктивные особенности подшипника, такие как различную величину угла контакта радиально-упорных подшипников, наличие встроенных уплотнений и т.д.;

•седьмая справа цифра уточняет серию подшипника;

•цифры, стоящие через тире слева, указывают класс точности подшипника:

0 – нормальный класс,

6 – повышенный,

5 – высокий,

4 – прецизионный,

2 – сверхпрецизионный.

При переходе от одного класса точности к другому, более высокому, стоимость подшипника резко возрастает (рис. 8.38). Точность подшипника влияет на кинематическую и геометрическую точность узла, уровень шума, интервал (степень) рассеяния предельнодопустимых воспринимаемых нагрузок. При этом использование более точных подшипников требует и большей точности изготовления деталей, входящих в подшипниковый узел. Для узлов общего назначения обычной точности применяют подшипники нормального (0) класса точности, а точность деталей должна соответствовать 6,7 квалитетам, степень точности отклонений формы и расположения поверхностей – 6.

Принято цифру 0 нормального класса точности и все нули, стоящие левее последней отличной от 0 цифры, в обозначении не указывать.

Примеры обозначения подшипников:

6-312 – шариковый радиальный однорядный подшипник (цифра 0 левее цифры 3 подразумевается, но не указана) средней серии (3) с внутренним диаметром 60мм (12) повышенного класса точности (6).

60104 – шариковый радиальный однорядный подшипник (0) особолегкой серии (1) с внутренним диаметром 20мм (04) нормального класса точности (так как ничего не указано, то подразумевается 0) с конструктивной особенностью – односторонним уплотнением (6).

36201 – шариковый радиально-упорный подшипник (6) легкой серии (2) с внутренним диаметром 12мм (01) и углом контакта 12о (конструктивная особенность, 3) нормального класса точности.

146

Рис.8.38 – Относительная стоимость Цо и экономическая эффективность Эо подшипников качения в сравнении с радиальным шарикоподшипником нормального класса точности средней серии при одинаковых посадочных диаметрах на вал (условно обозначены как “хх”)

Все стандартные подшипники (кроме упорных) с одинаковыми тремя первыми справа цифрами, обозначающими внутренний диаметр и серию, имеют одинаковые габаритные размеры (наружный диаметр D и ширину B) и посадочный диаметр d.

Система допусков подшипников качения.

Точность подшипника влияет на кинематическую и геометрическую точность узла, уровень шума, интервал (степень) рассеяния предельно-допустимых воспринимаемых нагрузок. При этом использование более точных подшипников требует и большей точности изготовления деталей, входящих в подшипниковый узел. Для узлов общего назначения применяют подшипники нормального (0) класса точности, а точность сопряженных с подшипником поверхностей деталей должна соответствовать 6,7 квалитетам, степень точности отклонений формы и расположения поверхностей – 6.

Класс точности подшипника определяет величину допуска посадочных диаметров его внутреннего и наружного колец. Все подшипники имеют одинаковое расположение полей допусков и внутреннего, и наружного диаметров – под нулевой линией (рис. 8.39). Они обозначаются буквами l для наружного кольца (которое является “валом”) и L – для внутреннего (которое является “отверстием”), а вместо квалитета указывается класс точности подшипника. Поскольку подшипники как стандартные готовые изделия дополнительно обрабатывать нецелесообразно и технологически сложно, то на валу их устанавливают в системе отверстия (основным служит поле допуска внутреннего кольца подшипника), а в корпусное отверстие – в системе вала (основным служит поле допуска наружного кольца подшипника).

147

Рис.8.39 – Схемы расположения полей допусков колец подшипников разных классов точности

Тип посадки подшипника зависит от условий его работы:

•посадка должна быть тем плотнее, чем тяжелее условия, т.е. большая нагрузка, значительные ударные нагрузки. Но большие натяги могут вызвать заклинивание подшипников и усложняют их монтаж;

•посадка должна быть плотной, если радиальное тепловое расширение вала меньше расширения внутреннего кольца, либо радиальное тепловое расширение корпусного отверстия больше расширения наружного кольца (условие отсутствия раскрытия стыка при нагреве);

•назначается посадка с зазором при подвижном в осевом направлении подшипнике (функционально подвижен или подвижность необходима для регулировки зазоров) и местном характере нагружения (нагрузка в опоре действует на один и тот же участок кольца подшипника);

•назначается плотная посадка при циркуляционном нагружении, когда при вращении оказываются нагруженными последовательно все участки кольца.

Рекомендации по выбору посадок подшипников представлены в табл.5.

Таблица 5 Рекомендуемые поля допусков посадок подшипников нормального класса точности

В обозначении посадок колец подшипников нулевого класса точности обозначение допуска на кольца позволяется не указывать. Например:

62H7, что аналогично обозначению 62H7/l0;25k6, что аналогично обозначению 25L0/k6.

Оптимальные посадки подшипников определяются на основе расчетов и опыта эксплуатации подшипниковых узлов в определенных условиях.

Отказы подшипников качения, прежде всего, вызываются:

•усталостным выкрашиванием рабочих поверхностей (дорожек и тел качения), что увеличивает зазоры в подшипниках, шум и сопротивление вращению (коэффициент трения). Этот вид отказа лежит в основе проектного расчета подшипников на долговечность;

148

Рис.8.40 – Установка вала по схеме “враспор”

•разрушение сепаратора от центробежных сил и его взаимодействия с телами качения, что приводит к увеличению трения между телами качения, неравномерности распределения нагрузки. Это – наиболее распространенный вид отказа;

•разрушение колец и тел качения из-за действия нерасчетной динамической нагрузки;

•износ колец и тел качения из-за несовершенства системы смазки и уплотнения подшипни-

ковых узлов.

Долговечность подшипников имеет разброс, величина которого тем больше, чем ниже класс точности подшипника и неопределенней условия его эксплуатации. На долговечность также влияют схема конструкции подшипникового узла (ее соответствие условиям эксплуатации), степень жесткости вала и опорной конструкции, посадка колец подшипников, вид смазки и система смазывания. Подбор и оценка работоспособности подшипников всегда ведется на определенную величину вероятности безотказной работы, по умолчанию принимаемой равной 90%.

На рис.37 приведены данные по относительной стоимости Цо и относительной экономической эффективности Эо ряда типов подшипников и нескольких классов точности радиального шарикоподшипника. Экономическая эффективность Э рассматривалась как отношение коэффициента динамической грузоподъемности подшипника (нагрузочной способности) к его цене.

Конструкции подшипниковых узлов.

Типовые конструкции подшипниковых узлов представлены на рис.8.36, 8.37. Здесь показано не только расположение подшипников, упрощенно изображаемых в виде перечеркнутого прямоугольника, но и входящие в узел крышки и стаканы, фиксирующие кольца и гайки, система регулировки и т.д. Конструкция узла имеет ось симметрии, совпадающей с осью вала, поэтому чертеж дается только для верхней половины конструкции.

Установка вала на плавающих опорах показана на рис. 8.40 (ее схема представлена на рис.8.32а). В качестве таких опор могут использоваться подшипники любых типов, кроме упорных, но чаще – шариковые и роликовые радиальные и двухрядные сферические подшипники.

При установке шариковых и двухрядных сферических подшипников осевая подвижность достигается благодаря посадке с зазором наружного (как на рисунке) либо внутреннего колец. При этом другое кольцо стопорят (например, стопорным кольцом, рис. 8.40б). Такая конструкция достаточно проста и не требует высокой точности выполнения линейных размеров. Но скольжение подвижного кольца вызывает износ опорных поверхностей, для уменьшения которого вводят промежуточные твердые втулки.

При установке роликовых радиальных подшипников осевая подвижность обеспечивается его конструкцией – подвижностью кольца (наружного или внутреннего, в зависимости от разновидности подшипника). Поэтому как внутреннее, так и наружное кольца должны быть застопорены (рис. 8.40б), что требует повышенной точности выполнения линейных размеров в цепи вал-опоры-корпус. Основное достоинство – хорошая осевая подвижность опор.

150

(колеса, шкива и т.п.) на валу и уменьшить осевые габариты подшипникового узла.

а) А А

а

АА

б)

а

Рис.8.43 – Фактическое расстояние между опорами при установке радиально-упорных подшипников

Установка подшипников по схеме “с одной плавающей и другой фиксирующей опо-

рами” показана на рис. 8.44 (ее схема представлена на рис. 8.32г). Не смотря на повышенную сложность конструкции, ее детали изготавливаются с обычной точностью, а монтаж – простой. Данная схема удобна не только в конструкциях с большим тепловым удлинением деталей, но и при расположении опор в разных корпусах (на выносных опорах), где сложно выдержать точность осевых линейных размеров посадочных мест. В качестве плавающей опоры используются шариковые и роликовые радиальные подшипники, а в качестве фиксирующей – шариковые и роликовые сферические и шариковые радиальные подшипники. При выборе конкретного типа подшипника учитывают потребную быстроходность и жесткость подшипникового узла, его нагруженность и другие факторы.

При действии значительных осевых усилий в фиксирующей опоре устанавливают два одинарных подшипника или сдвоенный подшипник (рис. 8.44в). Такая схема повышает жесткость как фиксирующей опоры, так и вала и позволяет снизить осевые люфты. Фиксирующая опора может состоять из следующих пар подшипников:

•пары радиальных шариковых подшипников (относительно небольшая осевая нагрузка);

•пары радиально-упорных подшипников. Угол контакта назначается тем более высоким, чем больше осевая нагруженность опоры. При этом подшипники можно установить по схеме “враспор” (рис. 8.44г, такая опора близка к сферической) или “врастяг” (рис. 8.44д, жесткость такой опоры выше, она подобна “заделке” – жесткому защемлению вала);

•из пары подшипников, один из которых воспринимает только радиальную, а другой – осевую нагрузки (для восприятия значительных осевых нагрузок).

Осевая фиксация подшипников возможна несколькими конструктивными способами.

Фиксация за счет силы трения, возникающей при посадке с натягом, (силовое замыкание) не рекомендуется: посадочный натяг изменяет диаметральный размер кольца, что сдавливает тела качения и ведет к заклиниванию подшипника. Только в особых случаях, например, при установке подшипника на гладком валу или неопределенности осевого положения подшипника (когда это положение уточняется в процессе сборки и регулировки), используют стопорение трением, применяя специальные конструкции подшипников (рис. 8.44б). Здесь в комплект с подшипником входит разрезная (цианговая) втулка. В свободном состоянии подшипник с втулкой легко перемещаются вдоль вала. При затяжке гайки, благодаря посадке внутреннего кольца подшипника конической формы на конус гайки, происходит плотное обжатие вала, и тем больше, чем сильнее затянута гайка (но важно не перетянуть и не заклинить подшипник). Такой способ не предназначен для восприятия значительных осевых сил.

Наиболее надежную осевую фиксацию и возможность восприятия больших осевых сил обеспечивает упор торцев подшипников в буртик вала (например, рис. 8.40) или корпуса (например, рис. 8.41а).

С целью упрощения изготовления корпусных деталей и облегчения монтажа подшипникового узла отверстие в корпусе выполняют гладким, а упор создают:

• выступом стакана (например, рис. 8.44в). Стакан также может вводиться в конструкцию с