Подшипники качения

Подшипник качения - часть опоры вала (или вращающейся оси), воспринимающая от него радиальные, осевые и радиально-осевые нагрузки, работающая в условиях преобладающего трения качения.

Попытки заменить трение скольжения трением качения были известны давно. Так, знаменитый русский механик Кулибин для опор осей построенной им "самокатки" в 1791 году применил цилиндры, явившиеся прототипом современных подшипников качения. Другим интересным примером применения трения качения является перемещение массивного гранитного камня для цоколя памятника Петру I в Петербурге в 1769 году. Этот камень массой около 1000 тонн доставлен к месту назначения на деревянных брусьях с выдолбленными в них желобами, которые были обиты медными листами. На желоба укладывали большие бронзовые шары, а сверху на них надвигали такие же желобчатые брусья, на которых уже перемещался камень.

В настоящее время трудно назвать такую отрасль машино- и приборостроения, где бы ни применялись подшипники качения. Успешно осуществлен перевод на подшипники качения подвижного состава железных дорог, прокатных станков, тяжелых прессов, многих конструкций станков, мощных экскаваторов. Изготовление подшипников качения в заводских условиях впервые было начато в 1933 году в Германии. В настоящее время в России выпускаются подшипники качения с внутренним диаметром от долей миллиметра до 2475 мм и массой от долей грамма до 4 тонн.

Достоинства подшипников качения 1. Меньшие затраты энергии на трение (момент трения в шарикоподшипниках в 3-6 раз меньше, чем в подшипниках скольжения). 2. Меньше габаритные размеры (по ширине). 3. Меньший расход смазочных материалов. 4. Обладают лучшими конструктивными и эксплуатационными характеристиками. 5. Применение подшипников качения дает возможность повысить КПД всей машины, уменьшить нагрузку на двигатель в период пуска машины. 6. Эксплуатационные расходы на подшипники качения меньше на 20-30%, чем на подшипники скольжения.

Недостатки подшипников качения 1. Ограничение возможности работы при весьма больших нагрузках и частотах вращения. 2. Большие габаритные размеры по диаметру. 3. Неразъемность конструкции, что затрудняет монтаж и демонтаж машины. 4. Сравнительно высокая стоимость. 5. Возможность изготовления только на специализированных заводах с высоким техническим уровнем.

Подшипники качения представляют собой готовую сборочную единицу (узел), основными деталями которой являются тела качения - шарики или ролики различной формы, установленные между внутренним и наружным кольцами, и сепаратор, разделяющий тела качения. Внутреннее кольцо насаживается на вал, наружное устанавливается в корпусе опорного узла машины. На наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца выполняются дорожки качения, геометрическая форма которых определяется формой тел качения.

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам: а) по направлению воспринимаемой нагрузки;

б) по форме тел качения

в) по числу рядов тел качения - однорядные, двухрядные и многорядные ; г) по способности само устанавливаться - самоустанавливающиеся (сферические) и несамоустанавливающиеся ; д) по габаритным размерам они делятся на пять серий: 1) сверхлегкая; 2) особо легкая; 3) легкая; 4) средняя; 5) тяжелая. е) по ширине - особо узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие.

Конструкция шарикоподшипников

Грузоподъемность роликоподшипников при тех же габаритных размерах выше, чем шарикоподшипников, однако потери на трение в роликоподшипниках больше, чем в шариковых: значение коэффициента трения для шарикоподшипников ƒ=0,001…0,004, для роликоподшипников ƒ=0,0025…0,01. Роликоподшипники более чувствительны к перекосу валов. Подшипники с витыми роликами хорошо противостоят ударным радиальным нагрузкам и менее чувствительны к перекосам, чем подшипники с длинными цилиндрическими роликами. Они удовлетворительно работают в условиях необеспеченной смазки и абразивной среды.

Игольчатые подшипники предназначены для восприятия больших радиальных нагрузок в опорах, размеры которых ограничены по диаметру. Тела качения игольчатых подшипников представляют собой длинные ролики диаметром не свыше 5 мм и длинной от 4 до 12 диаметров. В подшипниках они укладываются без сепараторов, почти вплотную друг к другу. Могут работать как при малых, так и при больших частотах вращения. Радиальные подшипники качения предназначены для восприятия главным образом радиальных нагрузок. Однорядные радиальные шарикоподшипники кроме радиальной нагрузки могут воспринимать осевую нагрузку в пределах до 60 % от неиспользованной радиальной. Радиально- упорные шарико- и роликоподшипники предназначаются для восприятия одновременно действующих радиальных и осевых и осевых нагрузок одного направления. Эти подшипники могут воспринимать только осевые нагрузки.

Упорные шарико- и роликоподшипники служат для восприятия осевой нагрузки: однорядные - одностороннего действия, двухрядные - двухстороннего действия. Упорные шарикоподшипники при больших частотах вращения работают неудовлетворительно вследствие неблагоприятного влияния центробежных сил, действующих на шарики. Они весьма чувствительны к несоосности и относительному перекосу осей вращающегося и неподвижного колец. Подшипниковые кольца и тела качения изготавливают из высококачественных сталей марок ШХ 15, ШХ 15 СГ, а также специальных сталей марок 9Х18Ш, ЭН347Ш, Н36ХТЮ. Для уменьшения трения и износа тела качения и поверхность беговой дорожки колец должны обладать большой твердостью (HRC 61-65).

Расчет подшипников качения Нагрузка на тела качения (шарики или ролики) в подшипниках распределяются неравномерно и зависит от угла между радиусом подшипника, проходящим через центр шарика (ролика), и направлением нагрузки. - нагрузка на тело качения; - максимальная нагрузка на тело качения, находящееся на линии действия силы; - порядковый номер шарика (ролика), отсчитываемый от наиболее нагруженного; - центральный угол между центрами двух соседних шариков; - число шариков (роликов).

Согласно этому выражению свыше 50% всей нагрузки на подшипниках воспринимает один шарик, расположенный на линии действия нагрузки. 1. усталостное выкрашивание тел качения и беговых дорожек колец; 2. абразивный износ вследствие плохой защиты подшипника от попадания пыли и грязи; 3. Пластические деформации на дорожках качения из-за ударных нагрузок; 4. Разрушение сепараторов от действия центробежных сил инерции и истирания; 5. Раскалывание колец и тел качения из-за перекосов при монтаже или при больших динамических нагрузках. Основными причинами потери работоспособности подшипников качения являются:

В связи с тем, что перечисленные факторы не поддаются точному учету, расчет подшипников качения производится на долговечность по динамической (при n > 10 об/мин) и статической нагрузке ( при n 1 об/мин). Динамическая грузоподъемность подшипников устанавливается из условия контактной выносливости таким образом, чтобы 90% подшипников выдержали не менее миллиона оборотов. Критерием для выбора подшипника служит неравенство: - требуемая величина динамической грузоподъемности подшипника; - табличное значение динамической грузоподъемности.

Требуемая величина динамической грузоподъемности подшипника определяется по одной из формул: – эквивалентная динамическая нагрузка подшипника; – долговечность подшипника в миллионах оборотов; – долговечность подшипника в часах; – коэффициент, зависящий от формы кривой контактной усталости: для шарикоподшипников р=3; для роликоподшипников р=10/3; – частота вращения кольца вала. или

При постоянной частоте вращения между и существует простая зависимость: или

– радиальная и осевая нагрузка на подшипнике; – коэффициент радиальной и осевой нагрузки; – кинематический коэффициент (коэффициент вращения) (Если вращается внутреннее кольцо, если оно вращается по отношению к нагрузке ); – коэффициент безопасности (динамичности); – температурный коэффициент. Эквивалентная динамическая нагрузка для радиальных и радиально-упорных подшипников (кроме роликовых радиальных) определяется по формуле:

Значение коэффициента безопасности выбирается по таблице в зависимости от характера нагрузки на подшипник. Для зубчатых передач 7 ой и 8 ой степеней точности для всех редукторов:. Температурный коэффициент выбирается в зависимости от рабочей температуры подшипника: t, 0 C KtKt

Значения коэффициентов и определяются в зависимости от отношения осевой нагрузки к статической грузоподъемности подшипника с учетом угла контакта параметра, который берется из таблицы, либо определяется по графику при углах контакта от 120 до 180, – статическая грузоподъемность, статическая радиальная нагрузка, от действия которой возникает общая остаточная деформация тел качения и колец, не превышающая 0,0001 диаметр тела качения. выбирается по таблицам для каждого типа размера подшипника. где

При отношении для радиальных и радиально-упорных подшипников, а выбирается в зависимости от. При, величина зависит от угла контакта, а от.

Таблица для выбора коэффициентов Х и У

Пример расчета шарикового радиального подшипника

Пример расчета шарикового радиально-упорного подшипника

Пример расчета роликового радиально-упорного подшипника