§1. Общие сведения и классификация подшипников качения
Подшипники качения состоят из двух колец — внутреннего и внешнего, между которыми расположены тела качения в сепараторе или без сепаратора. Область их использования очень широка и определяется их достоинствами и недостатками.
Достоинства подшипников качения.
1. Трение качения с малым коэффициентом трения, значение которого близко к значению коэффициента жидкостного трения (f = 0,0015 0,006).
2. Упрощенная система смазки и обслуживания. Подшипники в защищенном исполнении могут работать только со смазкой, заложенной в них при изготовлении, то есть не требуют дополнительной смазки в течение всего срока службы.
3. Возможность стандартизации и массового производства, что значительно снижает их стоимость.
Недостатки подшипников качения.
1. Отсутствие разъемных конструкций. Поэтому, в частности, их невозможно установить на коленчатых валах.
2. Бульшие радиальные габариты, по сравнению с подшипниками скольжения.
3. Ограниченная быстроходность, что связано с неблагоприятными условиями работы тел качения при высоких скоростях.
4. Низкая работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках. Это связано с тем, что контакт тел качения с кольцами подшипника происходит в высшей кинематической паре — по линии или в точке.
5. Невозможность работы в воде и агрессивных средах. Кольца и тела качения подшипников выполнены из стали и подвержены коррозии.
Классификация стандартных подшипников качения по конструктивным признакам (по типам) представлена в таблице 1.
Название типа подшипника состоит из двух частей — названия тел качения и вида воспринимаемой нагрузки.
В левом столбце таблицы приведены первые части названий, а в верхней строке — вторые Главными размерами подшипника, как это показано в таблице, являются диаметр внешнего кольца D (диаметр отверстия в корпусе), диаметр внутреннего кольца d (диаметр вала) и ширина b.
Таблица 1.
Радиальный шариковый подшипник наиболее распространен. Шарики располагаются в торообразных канавках на кольцах подшипника. Для возможности чистого качения радиусы канавок больше, чем радиус шариков, так что контакт шарика с кольцом происходит в точке. Тем не менее, наряду с радиальной нагрузкой, такой подшипник может воспринимать постоянную осевую нагрузку величиной до 80 % от радиальной. Подшипник неразборный, может быть (также как и остальные) различных модификаций: открытый, защищенный (с пластинами, закрывающими тела качения), с канавкой на внешнем кольце и пр. Допускает небольшой перекос вала — до 0,25°. Обозначается цифрой 0 (подробнее об обозначении см. ниже).
Подшипники качения
... цапфах больших диаметров с высокими нагрузками, скоростями вращения, температурами. При применении подшипников качения облегчается снабжение ... запрессованная в канавку наружного кольца подшипника, удерживает смазку в подшипнике лишь с одной стороны. ... опоры характеризуется своими размерами, конструкцией, техническими условиями на изготовление, установку и эксплуатацию. Подшипники качения и подшипники ...
Шариковый радиально-упорный подшипник может воспринимать бульшую, чем радиальный подшипник осевую нагрузку, в том числе и переменную. Он также неразборный и допускает небольшой перекос вала. Обозначается цифрой 6.
Шариковый сферический подшипник допускает значительный перекос вала — до 3°. Он имеет сферическую контактную поверхность наружного кольца и шарики, расположенные в два ряда в шахматном порядке. Допускает небольшие осевые нагрузки. Обозначается цифрой 1.
Шариковый упорный подшипник является разборным, воспринимает только осевые нагрузки и не допускает перекоса вала. Обозначается цифрой 8.
Роликовый радиальный подшипник содержит цилиндрические ролики, допускает бьльшую, чем шариковый, радиальную нагрузку, так как ролик контактирует с кольцом по линии, а не в точке. Совершенно не допускает осевой нагрузки и перекоса вала; является разборным, то есть, внешнее кольцо свободно снимается. Обозначается цифрой 2.
Роликовый радиально-упорный (конический) подшипник имеет конические ролики, воспринимает значительные радиальные и осевые нагрузки, причем, чем больше угол конуса, тем больше воспринимаемая осевая нагрузка. Заметим, что при равных диаметрах внутренних колец, роликовый конический подшипник воспринимает большую осевую нагрузку, чем шариковый упорный. Подшипник разборный — наружное кольцо снимается, перекос вала недопустим. Обозначается цифрой 7.
Роликовый сферический подшипник имеет бочкообразные ролики и допускает большую нагрузку, чем шариковый сферический, ввиду того, что радиус кривизны образующей ролика больше, чем радиус шарика. В остальном свойства его такие же, как у шарикового сферического. Обозначается цифрой 3.
Роликовый упорный подшипник содержит конические ролики, поэтому воспринимает большие осевые нагрузки, чем шариковый упорный. Обозначается цифрой 9.
Игольчатые подшипники бывают только радиальными. Тела качения — иголки, то есть цилиндрические ролики, диаметр которых в
5 ч 8 раз меньше их длины. Это дает возможность значительно уменьшить радиальные габариты подшипникового узла. Подшипник разборный, воспринимает только радиальные нагрузки. Используется редко ввиду сложности монтажа и скоростных ограничений. Обозначается цифрой 4.
Игольчатые подшипники с витыми иголками имеют винтовую канавку на поверхности цилиндрических иголок, что способствует их лучшему смазыванию. Обозначаются цифрой 5. (Этот подшипник не передает осевой нагрузки, как это может показаться из таблицы 1).
Кольца и тела качения подшипников изготавливаются из специальных высокопрочных сталей ШХ6, ШХ9 и ШХ15 (шарикоподшипниковые хромистые), после предварительной механической обработки их закаливают до высокой твердости, а затем шлифуют.
Сепараторы в подшипниках служат для разделения и направления тел качения. Большинство сепараторов выполняют штампованными из стальной ленты. В подшипниках, предназначенных для работы при высоких окружных скоростях (> 15 м/с) применяют массивные сепараторы из бронзы, латуни, дюралюминия или пластмассы. Игольчатые подшипники в большинстве случаев не имеют сепараторов.
По нагрузочной способности и габаритам подшипники разделены на 7 серий диаметров и ширин: сверхлегкую (обозначается цифрой 8), особо легкую (цифра 1), легкую (цифра 2), легкую широкую (цифра 5), среднюю (цифра 3), среднюю широкую (цифра 6) и тяжелую (цифра 4).
По точности исполнения различают подшипники пяти классов: 0 — нормальный класс, 6 — повышенный класс, 5 — высокий класс, 4 — особо высокий класс и 2 — сверхвысокий класс. Точность изготовления значительно влияет на стоимость подшипников (таблица 2), что необходимо учитывать при их выборе.
Таблица 2.
|
Класс точности |
0 |
6 |
5 |
4 |
2 |
|
|
Относительная стоимость |
1 |
1,3 |
2 |
4 |
10 |
|
§2. Условные обозначения подшипников качения
Все типы подшипников стандартизованы, их условные обозначения определяет ГОСТ 3189-75. условное обозначение подшипника качения состоит из цифр и букв. Цифры имеют следующие значения.
Две цифры справа определяют внутренний диаметр d подшипника (диаметр вала в месте посадки подшипника):
- если d = (20 ч 495) мм, то это двузначное число, умноженное на 5 дает величину диаметра d в мм;
- если d < 20 мм, то связь между последними двумя цифрами и диаметром d такая, как показано в таблице 3.
Таблица 3.
|
Последние две цифры |
00 |
01 |
02 |
03 |
|
|
Внутренний диаметр d, мм |
10 |
12 |
15 |
17 |
|
- если d 9 мм, то диаметр d определяет только одна цифра справа: это фактический размер внутреннего диаметра подшипника в мм.
- если d 500 мм, то обозначение подшипника дробное: знаменатель указывает действительный размер внутреннего диаметра, а числитель — тип и серию.
Третья цифра справа (а для радиальных шарикоподшипников с
d 9 — вторая цифра) указывает серию подшипника по диаметру и ширине.
Четвертая цифра справа указывает тип подшипника. Обозначения типов даны в таблице 1. Заметим, что в обозначении радиального шарикоподшипника цифра 0 не указывается в том случае, если левее от нее отсутствуют другие цифры.
Четыре цифры справа — это главные цифры в обозначении подшипника. Следующие левее цифры и буквы (если они есть) указывают класс точности (если подшипник нормального класса точности, то 0 не пишется, если левее отсутствуют другие цифры) и конструктивные особенности подшипника (степень защищенности подшипника, угол контакта конического подшипника, наличие канавок и буртиков на внешнем кольце и пр.).
Примеры обозначения подшипников.
17 — радиальный шариковый, нормальной точности, особо легкой серии, диаметр отверстия 7 мм.
203 — радиальный шариковый, нормальной точности, легкой серии, диаметр отверстия 17 мм.
314 — радиальный шариковый, нормальной точности, средней серии, диаметр отверстия 70 мм.
7512 — роликовый конический, нормальной точности, легкой широкой серии, диаметр отверстия 60 мм.
1320 — шариковый сферический, нормальной точности, средней серии, диаметр отверстия 100 мм.
подшипник качение динамический грузоподъемность
§3. Основные критерии работоспособности и расчета
Контакт тел качения с кольцами подшипников происходит в высшей кинематической паре, то есть, теоретически в точке или по линии, а практически, в результате контактных упругих деформаций, — по некоторой площадке.
В каждой точке поверхности контакта колец и тел качения контактные напряжения изменяются по отнулевому циклу. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения контактирующих поверхностей. У работоспособного подшипника контактные поверхности колец и тел качения не должны иметь повреждений. Эти повреждения аналогичны повреждениям поверхностей зубьев зубчатых колес. Поэтому главным критерием работоспособности подшипников качения является повреждение поверхностей колец и тел качения, то есть, их усталостное выкрашивание.
Исследования статики и динамики работы подшипников качения позволили формализовать их расчеты на прочность в соответствии с внешними нагрузками и условиями работы. Поэтому современный расчет подшипников качения базируется на двух критериях:
- расчет на статическую грузоподъемность по остаточным деформациям;
- расчет на динамическую грузоподъемность (долговечность) по усталостному выкрашиванию.
Однако, при проектировании машин подшипники не рассчитывают, а подбирают по условным формулам. Это связано с тем, что подшипники стандартизованы и имеют ограниченное число типов и размеров. И для каждого типоразмера была рассчитана и экспериментально установлена грузоподъемность (работоспособность).
Методика подбора подшипников также стандартизована. В таблице 4 приведены примеры параметров подшипников в стандартных каталогах.
Таблица 4.
|
Обозначение |
Размеры, мм |
Динамическая грузоподъемность С, Н |
Статическая грузоподемность С0, Н |
Предельная частота вращения, мин-1 |
|||
|
d |
D |
b |
|||||
|
301 |
12 |
37 |
12 |
7630 |
4730 |
16000 |
|
|
312 |
60 |
130 |
31 |
64100 |
49400 |
5000 |
|
|
320 |
100 |
215 |
47 |
136000 |
133000 |
3200 |
|
§4. Подбор подшипников
Динамическая грузоподъемность — это такая постоянная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение одного миллиона оборотов без появления признаков усталости (выкрашивания).
Это должно быть справедливо, по крайней мере, для 90 % из определенного числа подшипников, подвергающихся испытаниям.
Подбор подшипников по динамической грузоподъемности проводится при частоте вращения
Паспортная (каталоговая) динамическая грузоподъемность С подшипника связана с внешней нагрузкой и ресурсом следующей эмпирической зависимостью:
(1)
где: Р — эквивалентная динамическая нагрузка, Н;
- р = 3 для шариковых и р = 3,33 для роликовых подшипников;
- L — ресурс, млн. оборотов:
(2)
где tУ — ресурс в часах;
- n — частота вращения в об/мин.
Эквивалентная динамическая нагрузка — это такая условная постоянная нагрузка, которая обеспечивает подшипнику такую же долговечность, какую подшипник имеет при действительных условиях.
(3)
где: Fr и Fa — радиальная и осевая нагрузка;
- X и Y — коэффициенты радиальной и осевой нагрузок. выбираются по каталогу в зависимости от типа подшипника и отношения радиальной и осевой нагрузок;
- V — коэффициент вращения, зависящий от того, какое кольцо подшипника вращается: при вращении внутреннего кольца V = 1, а при вращении наружного кольца V = 1,2.
Кб — коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки. Выбирается по справочникам и в зависимости от длительности приложения нагрузки колеблется от 1 до 2.
Кт — температурный коэффициент; при рабочей температуре t = 100° Kт = 1: при t = (125 ч 250)° Kт = 1,04 ч 1,4.
Рассчитав правую часть формулы (1) выбирают из каталога подшипник с большим значением динамической грузоподъемности.
Заметим, что выбранный подшипник ограничен стандартом по быстроходности, то есть по предельной частоте вращения в об/мин (таблица 4).
За пределами этой частоты долговечность подшипника не гарантируется.
§5. Подбор подшипников по статической грузоподъемности
Статическая грузоподъемность — это такая статическая нагрузка, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец, равная 0,0001 диаметра тела качения.
Подбор подшипников по статической грузоподъемности производится при частоте вращения n < 10 об /мин.
Условие подбора:
(4)
где: С0 — паспортная (каталоговая) статическая грузоподъемность;
Р0 — эквивалентная статическая нагрузка, Н:
(5)
где: Fr и Fa — радиальная и осевая нагрузка;
- X0 и Y0 — коэффициенты радиальной и осевой нагрузки. Выбираются по каталогу в зависимости от типа подшипника и отношения радиальной и осевой нагрузок;
- Рассчитав эквивалентную нагрузку по формуле (5) выбирают из каталога подшипник с большим значением статической грузоподъемности.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/podshipnik/
1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы. Справочник. Под редакцией Булгакова Э.Б. Москва, «Машиностроение», 1981.
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В трех томах. Москва, «Машиностроение», 1982.
3. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д.Н. Москва, «Машиностроение», 1989.
4. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию в двух книгах. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1953.
5. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин. Москва, 1978.
6. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, «Высшая школа», 1991.
7. Конструирование машин. Справочно-методическое пособие в двух томах. Под редакцией Фролова К.В. Москва, «Машиностроение», 1994.
8. Кудрявцев В.Н. и др. Курсовое проектирование деталей машин. Ленинград, 1984.
9. Основы расчета и конструирования деталей летательных аппаратов. Под ред. Кестельмана В.Н. Москва, 1989.
10. Справочник машиностроителя, том 4, книги I и II. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1963.
11. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Под редакцией Крагельского И.В. и Алисина В.В. Москва, «Машиностроение», 1978.
