Всего на сайте:
210 тыс. 306 статей

Главная | Механика

ЛЕКЦИЯ 8. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ  Просмотрен 5283

1. Общие сведения.Подшипники используются в качестве опор осей и валов. По виду трения подшипники различаются на подшипники качения и подшипники скольжения. Мы начнем их изучение с подшипников качения. Они представляют собой сборочные единицы, состоящие из следующих деталей (рис. 1,а): наружного и внутреннего колец 1 с дорожками, тел качения 2 (шариков или роликов) и сепараторов 3, служащих для разделения тел качения. В совмещенных опорах одно или оба кольца могут отсутствовать. В этом случае тела качения катятся непосредственно по канавкам вала или корпуса.

 

 

Подшипники качения представляют собой группу деталей, наиболее широко стандартизированных в международном масштабе, взаимозаменяемых и изготавливаемых в массовом производстве. По сравнению с подшипниками скольжения подшипники качения имеют следующие преимущества:

- меньшие моменты сил трения и тепловыделение,

- малая зависимость сил трения от скорости,

- значительно меньшие (в 5…10 раз!) пусковые моменты,

- меньшие требования по уходу и меньший расход смазочных материалов,

- большая несущая способность на единицу ширины подшипника,

- значительно меньший расход цветных металлов.

К недостаткам подшипников качения можно отнести:

- повышенные диаметральные габариты;

- высокие контактные напряжения, ограничивающие срок их службы;

- меньшая способность демпфировать колебания;

- шум в работе.

Подшипники в диапазоне внутренних диаметров 3…10 мм стандартизованы через 1 мм, до 20 мм - через 2…3 мм, до 110 мм – через 5 мм, до 200 мм – через 10 мм, до 500 мм – через 20 мм и т.д. В соответствии с ГОСТ 3395-75 по направлению воспринимаемых нагрузок подшипники качения подразделяют на:

- радиальные, предназначенные для чисто радиальной нагрузки; они способны также фиксировать

валы в осевом направлении и воспринимать небольшие осевые нагрузки;

- радиально-упорные, воспринимающие как радиальные, так и осевые нагрузки;

- упорные, предназначенные для осевой нагрузки;

- упорно-радиальные, несущие осевую и небольшую радиальную нагрузку.

По форме тел качения подшипники разделяют на шариковые (рис. 1,а-д) и роликовые (рис. 1,е,ж,и). Роликовый подшипник с тонкими и длинными роликами называют игольчатым (рис.

1,з). Роликоподшипники выполняют следующих типов:

- цилиндрические с короткими роликами (рис. 1,е),

- радиальные сферические двухрядные с бочкообразными роликами (рис. 1,ж);

- конические радиально-упорные (рис. 1,и).

Шариковые подшипники более быстроходны, чем роликовые, зато роликовые имеют более высокую (на 50…70%) грузоподъемность. По числу рядов тел качения подшипники делят на однорядные (основное распространение), двух- и многорядные. По способности самоустанавливаться различают подшипники самоустанавливающиеся (рис. 1,б,ж) и несамоустанавливающиеся.

По габаритным размерам подшипники разделяют на размерные серии: по радиальным габаритам – на сверхлегкую (две серии), особо легкие (две серии) легкие, средние и тяжелые (всего семь серий); по ширине – на узкие, нормальные, широкие и особо широкие. Основное распространение имеют особо легкие, легкие и средние серии подшипников.

Подшипники имеют условные обозначения, составляемые из цифр и букв. Число, образованное двумя последними цифрами, помноженное на 5, дает внутренний диаметр подшипника. Третья цифра справа обозначает серию подшипника: особо легкая – 1, легкая – 2, средняя – 3, тяжелая – 4, легкая широкая – 5, средняя широкая – 6 и т.д. Четвертая справа цифра обозначает тип подшипника:

0 – радиальный шариковый однорядный;

1 – радиальный шариковый двухрядный сферический;

2 – радиальный с короткими цилиндрическими роликами;

3 – радиальный роликовый двухрядный сферический;

4 – роликовый с длинными цилиндрическими роликами или иглами;

5 – роликовый с витыми роликами;

6 – радиально-упорный шариковый;

7 – роликовый конический;

8 – упорный шариковый;

9 – упорный роликовый.

Пятая или пятая и шестая справа цифры, вводимые не для всех подшипников, обозначают конструктивные особенности, например, угол контакта шариков в радиально-упорных подшипниках, наличие стопорной канавки на наружном кольце, наличие встроенных уплотнений и т.д.

Цифры 6; 5; 4 и 2, стоящие через тире перед условным обозначением подшипника, обозначают его класс точности (в порядке возрастания). Класс 0 не указывается.

Примеры обозначений подшипников класса точности 0: шариковые однорядные с внутренним диаметром 50 мм легкой серии – 210, средней серии – 310, тяжелой – 410.

Роликоподшипники с внутренним диаметром 80 мм, с короткими цилиндрическими роликами и бортами на внутреннем кольце: легкой серии – 2216, средней – 2316, тяжелой – 2416; конические легкой серии – 7216, легкой широкой – 7516, средней – 7316, средней широкой – 7616.

Подшипник 5-210 – шариковый однорядный легкой серии класса точности 5.

 

2.

Порядок проектирования опор качения.
Рекомендуется выполнять проектирование опор в следующем порядке.

1. По эскизной компоновке намечают расстояния между опорами и закрепленными на валу деталями.

2. Определяют нагрузку на опоры.

3. Предварительно подбирают тип подшипника с учетом конструкции опоры качения, условий эксплуатации и монтажа.

4. Определяют расчетную долговечность подшипника, назначая ориентировочно его типоразмер, и сопоставляют ее с рекомендуемой.

5. В зависимости от требований, предъявляемых к качеству работы опоры качения, назначают класс точности подшипника, посадки на внутренние и наружные кольца, а также выбирают способ крепления колец подшипника.

6. Подбирают тип смазки, марку смазочного материала, конструкцию уплотнений.

7. Окончательно оформляют конструкцию опоры качения.

 

3. Расчет на долговечность.Методика расчета подшипников качения определяется межгосударственными стандартами 18854-91 (ИСО76-87) и 18555-94(ИСО281-89). Расчет выполняется по двум критериям:

1) по базовой динамической радиальной Cr и осевой Ca грузоподъемности, Н;

2) по базовой статической радиальной C0r и осевой C0a грузоподъемности, Н.

Базовая динамическая радиальная грузоподъемность Cr – это постоянная неподвижная радиальная нагрузка, которую подшипник теоретически может воспринимать при базовом расчетном ресурсе в 1 миллион оборотов. Базовая динамическая осевая расчетная грузоподъемность Ca – это постоянная центральная осевая нагрузка, которую подшипник теоретически может выдержать в течение 1 миллиона оборотов вала. Базовые статические радиальная C0r и осевая C0a грузоподъемности – это нагрузки, которые подшипник выдерживает без вращения колец.

Подшипники с частотой вращения колец п> 1 об/мин рассчитывают на заданный ресурс по динамической грузоподъемности, а при частоте вращения п< 1 об/мин – по статической грузоподъемности.

Расчет по динамической грузоподъемности.Такой расчет выполняют при частоте п³ 10 об/мин . Если п Î( 1; 10) об/мин, то полагают п= 10 об/мин. В этом случае согласно ИСО 281-89 в качестве критерия работоспособности подшипника используют базовый расчетный ресурс L10.

Этот ресурс соответствует 90 %-ной надежности для конкретного подшипника (или группы идентичных подшипников).

Базовый расчетный ресурс (млн оборотов) вычисляют по формуле

 

, (1)

 

где Pr – эквивалентная динамическая радиальная нагрузка, m - показатель степени

эквивалентная динамическая нагрузка

; (2)

 

здесь V – коэффициент, учитывающий влияние эффекта вращения кольца:

Kб – коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки (берут из таблиц; для редукторов 1,3…1,5); Х – коэффициент динамической радиальной нагрузки (зависит от типа подшипника и угла контакта ,принимают из таблиц); - соответственно радиальная и осевая нагрузки, Н; Y – коэффициент осевой динамической нагрузки, зависящий от типа подшипника и отношения ; Kт – температурный коэффициент, зависящий от температуры рабочей среды tраб:

tраб , С° £100 125 150 175 200 225 250

Kт 1,0 1,05 1,1 1,15 1,25 1,35 1,4.

Порядок определения коэффициентов X и Y следующий.

Для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников с углом контакта a<18° из каталога выписывают значения Cr и C0r , габаритных размеров D и d, число шариков Z, диаметр шарика Dw . Затем определяют отношение , где - диаметр окружности центров набора шариков:

,

и по этому отношению по таблице определяют значение коэффициента , зависящего от геометрии подшипника, точности изготовления и материала.

При известном вычисляют отношения , где i – число рядов тел качения. По этим отношениям из таблиц находят коэффициент осевого нагружения е и в зависимости от отношения по той же таблице находят X и Y.

Подобным образом определяют значения коэффициентов X и Y для других типов подшипников: пользуются таблицами, или предварительно вычисляют промежуточные параметры.

При расчете радиально-упорных регулируемых подшипников учитывают, кроме внешней осевой нагрузки, внутренние осевые силы , возникающие под действием радиальных реакций в опорах из-за наклона контактных линий. При отсутствии радиального зазора и натяга

, (3)

где е¢ - коэффициент минимального осевого нагружения, определяемый по формулам:

шариковых радиально-упорных регулируемых подшипников:

 

Результирующие осевые нагрузки на опоры находят в зависимости от схемы опор и соотношения сил. Например, для фиксирующей опоры она равна сумме внешних осевых сил, а на другую (плавающую) опору осевая нагрузка равна собственной составляющей.

Расчет подшипников по статической грузоподъемности.Мы уже говорили, что при скорости вращения вала меньше 1 об/мин подшипники подбирают по статической грузоподъемности. При этом исходят из условия

, (4)

где - эквивалентная статическая радиальная нагрузка, Н. Для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников, а также для радиально-упорных роликоподшипников значение принимают как большее, полученное по формулам:

 

, (5)

или

, (6)

 

где по-прежнему – соответственно радиальная и осевая нагрузки на подшипник, Н; - соответственно коэффициенты статической радиальной и статической осевой нагрузки. Значения этих коэффициентов принимаются из таблиц в зависимости от типа подшипника.

Для роликовых радиальных подшипников , для упорно-радиальных подшипников

(7)

где a - угол между нормалью к оси вала и направлением полной реакции в подшипнике.

 

Расчет подшипников с учетом условий эксплуатации.При повышенных требованиях к надежности, а также при необычных условиях эксплуатации критерий работоспособности записывается в виде следующего ресурса подшипника (млн оборотов):

 

, (8)

 

где – коэффициенты, а – базовый ресурс. Значения коэффициента а1 учитывает требование надежности и изменяется от 1 при надежности 90% до 0,21 при надежности 99%. Коэффициент а2 корректирует ресурс в зависимости от специальных свойств подшипника и устанавливается изготовителем. Он может быть как больше единицы, так и меньше нее. Коэффициент а3 корректирует ресурс в зависимости от условий работы (температура, качество смазки и др.).

В практике расчетов часто вместо двух коэффициентов а1 и а2 используют один общий коэффициент а23. В этом случае ресурс подсчитывают по формуле

 

. (9)

 

Для назначения коэффициента а23 можно пользоваться следующей таблицей.

 

Рекомендуемые значения коэффициента а23

Подшипники   Значения коэффициента а23   
   
Шариковые (кроме сферических) 0,7…0,8 1,0 1,2…1,4
Роликовые с цилиндрическими роликами, шариковые сферические двухрядные 0,5…0,6 0,8 1,0…1,2
Роликовые конические 0,6…0,7 0,9 1,1…1,3
Роликовые сферические двухрядные 0,3…0,4 0,6 0,8…1,0

Здесь 1 – материал обычной плавки, возможность перекоса колец, низкая надежность гидродинамической пленки, возможность попадания инородных тел в смазку; 2 – сталь обычная, отсутствие больших перекосов колец, надежная смазка; 3 – то же, что в варианте 2, но кольца изготовлены из стали электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

Рабочий ресурс подшипника (в часах) подсчитывается по формуле

 

, (10)

 

где поб/мин, частота вращения вала. Расчетный ресурс не должен быть меньше заданного. В расчетах можно воспользоваться следующими рекомендациями.

Рекомендуемые значения расчетных ресурсов для машин и оборудования

Машины, оборудование и условия их эксплуатации Ресурс, ч
Приборы и автоматы, используемые периодически (бытовая техника, приборы) 300…3000
Сельскохозяйственные машины, подъемные краны в сборочных цехах, легкие конвейеры, строительные машины, ручной электроинструмент 3000…8000
Ответственные механизмы, работающие с перерывами (конвейеры поточного производства, вспомогательные механизмы на силовых станциях) 8000.12000
Машины для односменной работы с неполной нагрузкой (редукторы общего назначения, электродвигатели) 10000…25000
То же, с полной нагрузкой (подъемные краны, вентиляторы, распределительные валы, конвейеры) ~25000
Машины для круглосуточного использования (компрессоры, шахтные подъемники и т.п.) ³40000

Сдвоенные подшипники.В случае установки в одной опоре двух подшипников пару подшипников рассматривают как один двухрядный подшипник и в формулу (1) вместо Сr подставляют базовую динамическую радиальную суммарную грузоподъемность Crсум=1,625Сr для шариковых подшипников и Crсум=1,714Сr для роликовых.

Базовая статическая радиальная грузоподъемность комплекта из двух подшипников равна удвоенной номинальной статической грузоподъемности одного однорядного подшипника: .

Расчет подшипников при переменных режимах нагружения.Если задана циклограмма нагрузок и соответствующих этим нагрузкам частот вращения вала, то эквивалентную динамическую нагрузку вычисляют по формуле:

 

, (11)

 

где Рi и Li – постоянная эквивалентная нагрузка (радиальная или осевая) на i-том режиме нагружения (Н) и продолжительность ее действия (млн оборотов).

4. Конструирование подшипниковых узлов.Узел подшипника, иначе называемый опорой вала, обычно состоит из корпуса, подшипника, деталей для фиксирования и устройства для смазывания. Он должен обеспечить восприятие радиальных и осевых сил, а также исключить осевое смещение вала, поскольку такое смещение может нарушить нормальную работу сопряженных деталей (зубчатых колес или червячных колес, уплотнений и др.). Ограничение осевых перемещений вала достигается за счет крепления подшипников на валах и фиксирования их в корпусе.

4.1. Посадки. Посадки внутренних колец на вал осуществляют в системе отверстия, а наружных колец в корпус – в системе отверстия. Посадки подшипников отличаются от общепринятых в машиностроении расположением и величинами полей допусков на посадочные поверхности колец. По ГОСТ 3325-85* поля допусков на диаметр отверстия подшипника в зависимости от класса точности подшипника (0, 6, 5, 4 и 2)

обозначают L0, L6, L5, L4 и L2 . Поля допусков на наружный диаметр подшипника обозначают соответственно l0, l6, l5, l4 и l2. Примеры обозначения посадок подшипников: на вал - Æ60 L0/k6; в корпус - Æ100 H7/l0. На сборочных чертежах подшипниковых узлов допускается указывать только поле допуска на диаметр сопряженной с подшипником детали без указания поля допуска на посадочные диаметры колец подшипника, например: Æ60K6; Æ100H7. Выбор поля допуска зависит от режима работы подшипника, его типа и габаритов. В зависимости от отношения эквивалентной нагрузки Р к базовой динамической грузоподъемности С различают следующие режимы работы:

легкий ; нормальный ; тяжелый .

Выбор посадки ведут с использованием рекомендаций, приводимых во всех учебниках по деталям машин и справочниках конструктора-машиностроителя.

4.2. Фиксирование подшипников в корпусе и на валу. Фиксирующие опоры ограничивают осевое перемещение вала в одну (рис. 2,а,б) или обе (рис. 2,в,г) стороны. И воспринимают как радиальную, так и осевую нагрузку соответственно в одну или в обе стороны.

Плавающие опоры (рис. 3) не ограничивают осевого перемещения вала и могут воспринимать только радиальную нагрузку. Для плавающих опор применяют шариковые радиальные однорядные (рис. 3,а) или двухрядные (рис. 3,б) подшипники, но чаще используют подшипники с короткими цилиндрическими роликами (рис. 3,в). В опорах, выполненных по схемам (рис. 3,а), между торцами наружного кольца и крышки подшипника должен быть предусмотрен зазор 0,01l , где l – расстояние между торцами колец подшипника.

4.3. Конструкции подшипниковых узлов. Валы устанавливают по следующим схемам: с двумя плавающими опорами; с одной фиксирующей и одной плавающей опорами; с установкой подшипников «в распор»; с установкой подшипников «в растяжку». Схема и конструкции вала в двух плавающих опорах изображены на рис. 4. В первом варианте конструкции вал установлен на двух шариковых радиальных сферических подшипниках (рис. 4,б), а во втором – на роликовых радиальных (рис. 4,в). Такого рода конструкции применяют при необходимости самоустановки вала в осевом направлении (например, в шевронных передачах).

Схема вала с одной фиксирующей опорой приведена на рис. 5,а. В этой конструкции вал зафиксирован одним радиальным подшипником, у которого внутреннее кольцо закреплено на валу, а наружное – в корпусе. Внутренне кольцо второй опоры закреплено на валу, а наружное не закреплено в корпусе (плавающая опора). При температурном удлинении вала наружное плавающее кольцо перемещается, чем компенсируется тепловое расширение вала. Такого рода конструкции показаны на рис. 5,б,в. Они широко применяются в коробках передач, редукторах с цилиндрическими зубчатыми колесами и других механизмах, где нет больших нагрузок и осевое перемещение вала не отражается на точности работы.

При больших осевых нагрузках в фиксирующей опоре устанавливают два радиально-упорных шариковых или роликовых подшипника. Это увеличивает жесткость системы и почти полностью устраняет осевую «игру» вала.

 

Схема вала с установкой подшипников «в распор» приведена на рис 6,а. Здесь торцы внутренних колец подшипников упираются в буртики вала, а внешние торцы наружных колец – в торцы крышек. Получается, что каждая опора ограничивает смещение вала в одном направлении. Эта схема наиболее простая и дешевая, т.к. расточку гнезд подшипников в корпусе выполняют за один проход. Кроме того, конструкция имеет минимум деталей. Для компенсации теплового расширения предусматривается зазор

 

мм, (12)

где - тепловое удлинение вала , определяемое по формуле

 

, (13)

 

причем – коэффициенты линейного расширения материалов вала и корпуса, 1/°С; – рабочая температура соответственно вала и корпуса, °С; L – расстояние между опорами. Обычно величина а лежит в пределах 0,2…1 мм.

На рис. 6,б-д в качестве примера приведены конструктивные схемы установки «в распор» вала-шестерни в радиальных шарикоподшипниках (позиция б), вала-шестерни конического редуктора в радиально-упорных шариковых подшипниках (в), вала червячного колеса (г) и червяка (д) на радиально-упорных роликовых подшипниках.

Для валов небольшой длины применяют установку подшипников «в растяжку» (рис. 7). Здесь внутренние торцы наружных колец подшипников упираются в буртики корпуса (рис. 7,б), а наружные торцы внутренних колец – в гайки, которыми регулируют осевую «игру» при монтаже. Внутренне кольцо устанавливают здесь по посадке L0/js6, обеспечивающей смещение внутреннего кольца. Сборка «в растяжку» исключает опасность защемления подшипника. В практике конструирования такую схему применяют обычно для консольно расположенных коротких валов, например, вал-шестерни конических редукторов.

Предыдущая статья:ЛЕКЦИЯ 7. МУФТЫ Следующая статья:НА ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ
page speed (0.0662 sec, direct)