ТЕМА 3. ВАЛЫ И ПОДШИПНИКИ. ЛЕКЦИЯ 14. Подшипники качения Вопросы, изложенные в лекции 1 Общие сведения. Классификация. 2 Маркировка подшипников качения. 3 Виды разрушения подшипников качения. Особенности рабочего процесса. 4 Кинематика подшипников качения. 5 Расчет подшипников качения. Особенности проектирования подшипниковых узлов.

Подшипники качения. Общие сведения Подшипник качения – подшипник, работающий по принципу трения качения. Подшипник качения готовое стандартное изделие, которое устанавливается в механизм или машину без дополнительной доработки. Рисунок 1 Подшипник качения (конструкция) Конструктивно подшипник качения (рисунок 1), как правило, включает 4 основных элемента: 1) наружное кольцо, устанавливаемое обычно в корпусе; 2) внутреннее кольцо, обычно насаживаемое на цапфу вала; 3) тела качения (шарики или ролики), обкатывающиеся при работе подшипника по беговым дорожкам наружного и внутреннего колец; 4) сепаратор, разделяющий тела качения друг от друга.

Достоинства: 1 малые потери на трение (приведённый к цапфе вала коэффициент трения подшипников качения f = 1, … ); 2 малые габариты в осевом направлении; 3 низкая стоимость при высокой степени взаимозаменяемости; 4 малый пусковой момент сопротивления, практически одинаковый с моментом, действующим в процессе установившегося движения; 5 малый расход смазочных материалов и, следовательно, малый объём работ по обслуживанию; 6 пониженные требования к материалу и качеству обработки цапф. Недостатки: 1 высокая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам вследствие малых площадей контакта между телами качения и беговыми дорожками колец подшипника; 2 большие габариты в радиальном направлении; 3 малая надёжность в высокоскоростных приводах. Подшипники качения. Общие сведения

1) По направлению действия воспринимаемой нагрузки: (рисунок 2) – радиальные (нагрузка, перпендикулярная оси вращения); – радиально-упорные (радиальная и осевая нагрузки, причём радиальная нагрузка больше осевой); – упорно-радиальные (радиальная и осевая нагрузки, но радиальная нагрузка меньше осевой); – упорные (только под осевую нагрузку); – комбинированные (радиальная и осевая нагрузки воспринимаются разными телами качения). Подшипники качения. Классификация Рисунок 2 – Подшипники качения

Рисунок 3 – Основные формы тел качения, применяемые в подшипниках: а) шарик; ролик: б) цилиндрический; в) конический; г) бочкообразный; д) игольчатый; е) витой 2) По форме тел качения: (рисунок 3) – шариковые; – роликовые (с цилиндрическими, коническими или бочкообразными роликами, витые, игольчатые). Подшипники качения. Классификация 3) По количеству рядов тел качения: – однорядные, двух-, и многорядные. 4) По способу самоустановки: – несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся.

5) По габаритным размерам (серии диаметров и ширин, рисунок 4): особо лёгкая, лёгкая, лёгкая широкая, средняя, средняя широкая, тяжелая серии Рисунок 4 – Серии диаметров и ширин подшипников качения: 1) особо лёгкая; 2) лёгкая; 3) лёгкая широкая; 4) средняя; 5) средняя широкая; 6) тяжёлая 6) По точности изготовления: Стандартом (ГОСТ ) предусмотрены 5 классов точности ( Р0, Р6, Р5, Р4, Р2 ); класс точности указывается перед номером подшипника, при этом буква «Р» может опускаться (Р4-205 или 4-205), а нулевой класс (подшипники общего назначения) может не указываться вообще. 7) По конструктивным особенностям: С защитными шайбами, с упорным бортом на наружном кольце, с канавкой на наружном кольце, с составными кольцами и др. Подшипники качения. Классификация

Условные обозначения (маркировка, паспорт) подшипников качения (рисунок 5) являются в основном цифровыми и наносятся на торцовые поверхности колец. Основное обозначение подшипника может включать от двух до семи цифр (нули на левой стороне обозначения не проставляются). Читается маркировка подшипника качения справа – налево. Маркировка подшипников качения

Две последние цифры справа - диаметр отверстия во внутреннем кольце (диаметр цапфы вала), делённый на 5, за исключением следующих размеров: диаметр 10 мм цифрами 00; 12 мм – 01; 15 мм – 02, и 17 мм – 03. Далее 20 мм 04, с диаметром 75 мм – 15, с диаметром 495 мм – 99 и т.д. Маркировка подшипников качения Третья цифра справа - серии диаметров наружных колец (наружных диаметров подшипника): сверхлёгкая серия – 8 или 9; особолёгкая – 1; лёгкая – 2; средняя – 3; тяжёлая – 4. Четвёртая цифра справа - тип подшипника: шариковый радиальный – 0; шариковый сферический – 1; роликовый радиальный – 2; роликовый сферический – 3; игольчатый – 4; роликовый с витыми роликами – 5; шариковый радиально-упорный – 6; роликовый радиально-упорный – 7; шариковый упорный – 8; роликовый упорный – 9.

Рисунок 6 – Некоторые типы подшипников качения: верхний ряд – шариковые; нижний ряд – роликовые (тип подшипника указан цифрой) Маркировка подшипников качения Пятая и шестая цифры отведены для обозначения конструктивной разновидности подшипника. Седьмой цифрой обозначается серия ширин (цифры от 0 до 9), лёгкой серии обычно соответствует 0 или 1.

Причины потери работоспособности подшипниками качения: 1 Усталостное выкрашивание отслаивание частичек металла с рабочих поверхностей и появление на них раковин - следствие циклического (n > 10 об/мин) нагружения контактных поверхностей тел качения и беговых дорожек колец. 2 Смятие (пластическая деформация) поверхности тел качения и беговых дорожек на кольцах следствие чрезмерных статических нагрузок (n < 1 об/мин) или действие однократных ударных нагрузок. Признак: для тел качения – нарушение геометрической формы; для колец местные углубления на беговых дорожках, по форме повторяющие поверхность тел качения (наиболее характерно для внутреннего кольца). 3 Разрушение тел качения или колец под воздействием чрезмерных ударных нагрузок следствие неправильного монтажа или нарушения правил эксплуатации (раскалывание тел качения или колец, скалывание бортов колец и т.п.). 4 Абразивное изнашивание следствие попадания в подшипник частиц высокой твёрдости через нарушенные уплотнительные элементы. 5 Разрушение сепараторов следствие износа за счёт трения о тела качения при недостаточной смазке, а также воздействия на тела качения центробежных сил большой величины (при больших скоростях вращения). Виды разрушения подшипников качения

Особенности рабочего процесса подшипников качения (задача Штрибека) Рисунок 7 – Схема распределения радиальной нагрузки между телами качения в подшипнике Для определения контактных напряжений в подшипниках качения необходимо определить закон распределения сил между телами качения (задача Штрибека). Эта задача статически неопределима. Из условия равновесия следует: – сила, действующая на наиболее нагруженное тело качения; – угол между смежными телами качения. В результате действия силы происходит сближение колец в направлении ее действия. Величина этого сближения зависит от расположения тел качения по отношению к силе, а также от свойств материала и геометрии контактирующих поверхностей.

Кинематика подшипников качения Рисунок 7 – Схема подшипника и соответствующая ему схема планетарного механизма Для определения числа повторных контактов при расчете контактной усталости, необходимо знать соотношение частот вращения деталей подшипника. С кинематической точки зрения подшипник можно рассматривать как планетарный механизм, в котором роль водила выполняет сепаратор, а тела качения являются сателлитами. В соответствии с теоремой Виллиса: – частоты вращения внутреннего, наружного колец и сепаратора; – диаметры внутреннего, наружного колец.

Кинематика подшипников качения Рисунок 8 – Схема распределения скоростей при вращении внутреннего (1) и наружного (2) колец Зная, либо, можно определить частоту вращения сепаратора. Интенсивность нагружения точки контакта внутреннего кольца и тел качения при повороте внутреннего кольца увеличивается постепенно, достигая максимума на линии действия силы и затем снова уменьшается. Если внутреннее кольцо неподвижно, то за один оборот сепаратора наиболее нагруженная точка на внутреннем кольце получает число циклов нагружений, равное числу тел качения. МЦС лежит в точке контакта тела качения с неподвижным кольцом. При равных угловых скоростях:, т.к.. Следовательно, скорость центра тела качения (сепаратора), а, значит, и угловые скорости вращения тел качения во втором случае больше, чем в первом, а, следовательно, больше и износ всех элементов подшипника. Это обстоятельство в расчете подшипников учитывается коэффициентом вращения кольца.

Проектный расчёт для стандартизованных подшипников качения заменяется процедурой подбора подшипника. Выбор подшипника качения (установление паспорта подшипника) определяется следующим: 1) характером нагрузки (постоянная, переменная, ударная), её величиной и направлением действия; 2) диаметром цапф вала и частотой его вращения; 3) необходимой долговечностью подшипникового узла; 4) нагрузочной способностью подшипника (статическая и динамическая грузоподъёмность). Расчет подшипников качения Конкретный типоразмер подшипника устанавливают после определения расчетной долговечности : - частота вращения подшипника, об/мин; - динамическая грузоподъемность, Н; - эквивалентная динамическая нагрузка, Н; - коэффициент (для шарика =3, для ролика =3,33)

Долговечность подшипника – количество миллионов оборотов ( L ) одного кольца подшипника относительно другого либо число моточасов работы ( L h ) до появления усталостного разрушения. Базовая долговечность долговечность большинства из испытанных подшипников. В общем машиностроении и при стандартных испытаниях подшипников обычно используется 90 % (базовая долговечность L 10 ). Подстрочный индекс указывает допустимый процент выхода из строя в партии подшипников при их работе в течение срока долговечности. При более жёстких требованиях к надёжности подшипникового узла в расчётах используется 95%-ная базовая долговечность L 5, и 97 %-ная L 3. Базовая долговечность обеспечивается при базовой динамической грузоподъёмности. Базовая динамическая грузоподъёмность ( C r – радиальная для радиальных и радиально-упорных подшипников, C a – осевая для упорных и упорно-радиальных) – нагрузка, которую выдерживает подшипник при сохранении базовой долговечности. Для подшипников базовая динамическая грузоподъемность соответствует нагрузке, которую группа идентичных подшипников выдержит в течение одного миллиона оборотов. Расчет подшипников качения

где F r и F a – радиальная и осевая составляющие нагрузки, действующей на вращающееся кольцо подшипника ; X и Y – коэффициенты влияния радиальной и осевой нагрузок, соответственно ; V – коэффициент вращающегося кольца ( если относительно действующей нагрузки вращается внутреннее кольцо, то V = 1, если наружное V = 1,2); K Б – динамический коэффициент безопасности, учитывающий действие динамических перегрузок на долговечность подшипника ( для редукторов общего применения K Б = 1,3…1,5); K T – коэффициент, учитывающий влияние температуры подшипникового узла на долговечность подшипника. При рабочей температуре подшипникового узла t 100 C, принимают K T = 1. Расчет подшипников качения Эквивалентная динамическая нагрузка - постоянная однонаправленная нагрузка, при которой подшипник имеет такую же долговечность, как и в реальных условиях работы. Она может быть вычислена по выражению:

Если для внешних сил, действующих на подшипник, F a / VF r e, то X = 1, а Y = 0. В противном случае, когда F a / VF r > e, X и Y определяются по каталогу для данного типа подшипников. Для радиальных подшипников, не воспринимающих осевую нагрузку (например, для роликовых цилиндрических), F a = 0 и X = 1; для упорных – F r = 0 и Y = 1. Для остальных подшипников в стандарте указывается величина «e», зависящая в основном от угла наклона беговой дорожки к оси вращения. Расчет подшипников качения При нагружении радиально-упорных подшипников радиальной нагрузкой, наклон контактной линии между внешним кольцом и телом качения на угол к торцовой плоскости подшипника вызывает появление осевой составляющей, которая либо суммируется с внешней осевой силой, либо вычитается из неё, в зависимости от их величин и схемы установки подшипников. Рисунок 9 – Схема возникновения дополнительной осевой составляющей в радиально-упорных подшипниках

Вращающиеся кольца ставят с натягом, исключая проворачивание их на цапфах, смятие и фрикционную коррозию посадочных поверхностей. Невращающиеся кольца устанавливают с минимальным зазором, обеспечивая равномерность износа беговых дорожек на этих кольцах за счёт их медленного проворачивания вслед за вращением подвижного кольца. Особенности проектирования подшипниковых узлов Подшипниковые узлы монтируются : – с фиксированными опорами (закрепляются в осевом направлении наружное и внутреннее кольца). Недостаток – при температурном расширении вала может заклинить тела качения. – с плавающими опорами (одно из колец устанавливается с зазором в осевом направлении). Плавающей обычно делают ту опору, где меньше радиальная нагрузка. Недостаток – повышенный контроль из-за возможности появления динамических составляющих усилия. Существует два вида сборки: – радиальная – в разъем корпуса и крышки; – осевая – внутрь корпуса.

Особенности проектирования подшипниковых узлов Рисунок 10 – Схемы установки с фиксированными опорами Рисунок 11 – Схемы установки с плавающими опорами

Особенности проектирования подшипниковых узлов Рисунок 12 – Схемы установки радиально-упорных подшипников: а) «враспор»; b) «врастяжку» Ввиду конструктивных особенностей подшипники, установленные по схеме (а) искусственно уменьшают расстояние между опорами, что благоприятно влияет на вал в случае, когда нагрузка приложена между опорами. Если нагрузка расположена на консоли, то более целесообразным конструктивным решением является использование схемы (b).

Посадочные поверхности под подшипники должны иметь качественную обработку во избежание смятия и среза выступов шероховатостей при запрессовке и эксплуатации подшипников. Лучшие результаты дает тепловая сборка (нагрев подшипника в масляной ванне с одновременным охлаждением вала твердой углекислотой или жидким азотом). Монтаж подшипников качения Рисунок 13 – Монтаж подшипников качения: а-д) – на вал; е) – в корпус При монтаже подшипников возникают возможные перемещения одного кольца относительно другого из одного крайнего положения в другое - в осевом (осевой зазор) и радиальном направлении (радиальный зазор). В нерегулируемых подшипниках различают три вида радиальных зазоров: начальный, посадочный и рабочий. Осевой зазор («осевая игра») зависит от размеров подшипника, расстояния между опорами, разности температур корпуса и вала.

Демонтаж подшипников следует выполнять с применением специального инструмента (съемников). Применяемая в ремонтном производстве силовая сборка (разборка) снижает долговечность подшипника из-за взаимного перекоса колец после выполнения операции. Монтаж подшипников качения Главный принцип: усилие прикладывается только к тому кольцу, которое установлено с натягом и не должно передаваться на тела качения. Рисунок 14 – Демонтаж подшипников с использованием: а-в) – съемника; г) – стяжных втулок; д) – пресса

Элементы крепления подшипников Рисунок 15. а) элементы крепления подшипников; б) установка подшипника на валу; в) установка подшипника в корпусе а)а) б)б) в)в)

Вид смазывающего материала и способ его подачи к поверхностям трения зависит от условий работы подшипника и скорости относительного движения подвижного и неподвижного колец подшипника: характеризуемой однозначно произведением внутреннего диаметра подшипника d п на частоту вращения подвижного кольца n. В первом приближении характер смазки можно выбрать по таблице 1. Таблица 1 – Назначение смазки и выбор уплотнительных элементов для разных условий работы подшипников d п n, 10 6 мм об/мин СмазкаУплотнение 0,55 КонсистентнаяСальник, лабиринт 0,60 Жидкая погружением Резиновая манжета, маслосгонная канавка 0,75 Жидкая фитильная и капельная – 5…10 капель в час. 1,70 Жидкая масляным туманом Металлические кольца, полиамидная манжета, центробежное уплотнение > 2,0 Жидкая струйная под углом 15…20 к оси подшипника, охлаждение потоком масла Смазка и уплотнения

Для редукторных подшипниковых узлов картерный способ смазки жидкими маслами применяется при выполнении условия: Смазка и уплотнения - частота вращения вала, об/мин; - диаметр окружности вершин колеса, м. Уплотнения подшипниковых узлов предназначены для защиты от пыли и грязи, а также предотвращения вытекания смазки: – монтажные; – щелевые; – лабиринтные; – комбинированные. Рисунок 16 – Манжета резиноваяРисунок 17 – Уплотнение войлочное

Смазка и уплотнения Рисунок 18 – Уплотнения щелевые

Смазка и уплотнения Рисунок 19 – Уплотнения: а) лабиринтные; б) комбинированные; в) центробежные; г) кольцо мазеудерживающее. а)а) б)б) в)в) г)г)

Материалы для изготовления подшипников качения : Кольца и тела качения ( шарики, ролики ) подшипников качения изготавливают из специальных высокохромистых легированных сталей ( ШХ 15, ШХ 15 СГ, ШХ 20 СГ, 20 ХН 4 А и др.) с улучшающей термообработкой до HRC 61…67 при неоднородности твёрдости не более 3 HRC для каждого из колец и для всех тел качения. Сепараторы чаще всего выполняют штампованными из стальной ( мягкая малоуглеродистая сталь ) ленты. Сепараторы скоростных подшипников делают из антифрикционных материалов ( латуни, бронзы, алюминиевых сплавов, текстолита и других пластмасс ). Материалы подшипников качения

Подшипниковые узлы редукторных валов

Лекция окончена. Спасибо за внимание!