Детали машин

Конструирование подшипниковых узлов

Работоспособность подшипников качения зависит не только от правильного их подбора, но и от рациональности конструкции подшипникового узла и его элементов – сопряжение поверхностей подшипника с валом и корпусом, смазка, уплотнительные устройства и др.

Выбор типа подшипника

Выбор типа подшипника зависит от направления и величины действующих на него сил, частоты вращения, режима работы, необходимого ресурса, допустимых размеров, стоимости и особенностей монтажа. При выборе типа подшипника вначале рассматривают возможность применения наиболее дешевых и простых в эксплуатации подшипников – шариковых радиальных однорядных. Выбор других типов подшипников должен быть обоснован (самоустанавливаемость, условия монтажа, требование жесткости и т. п.).

Если нет особых требований к частоте и точности вращения, принимают подшипники класса точности .

Шариковые подшипники обеспечивают бόльшую точность вращения, менее требовательны к смазыванию, но имеют меньшую грузоподъемность и жесткость, чем роликовые.

Для малых нагрузок и больших частот вращения принимают шариковые радиальные однорядные подшипники легких размерных серий. Подшипники более тяжелых серий обладают большей грузоподъемностью, но допускаемая частота вращения у них меньше.
При одновременном действии значительных радиальных и осевых сил выясняют, достаточно ли одного подшипника в опоре, или необходимо, чтобы каждая из нагрузок воспринималась отдельным подшипником (рис. 1).

В опорах вала, расположенных в разных корпусах, применяют сферические подшипники, допускающие значительные перекосы колец и компенсации погрешностей монтажа.

При ударных или переменных нагрузках с большой кратковременной пиковой нагрузкой предпочтительны двухрядные роликовые подшипники.

Подшипники устанавливают в жестких корпусах, стремясь избежать перекосов колец, которые могут возникнуть вследствие неправильной обработки посадочных мест или при монтаже.

Целесообразно конструировать опоры качения так, чтобы относительно линий действия радиальных нагрузок вращалось внутреннее кольцо подшипника, поскольку число циклов нагружения при этом почти в два раза меньше по сравнению со случаем вращения наружного кольца.
Вращающееся относительно нагрузки внутреннее кольцо подшипника соединяют с валом посадкой с натягом во избежание его проворачивания и обкатывания по посадочной поверхности. Для этого применяют поля допусков вала: k6 , m6 , n6 .

Обозначение полей допусков диаметра отверстия подшипника в соответствии с классами точности: L0 , L6 , L5 , L4 , L2 .
Пример обозначения посадки подшипника качения класса точности на вал:

Установку неподвижных относительно нагрузки колец подшипника осуществляют с зазором для облегчения осевых перемещений колец при регулировании зазоров в подшипнике, а также при тепловых деформациях валов. Для этого применяют поля допусков отверстия корпуса H7 , G7 и др.

Обозначение полей допусков наружного диаметра подшипника в соответствии с классами точности: l0 , l6 , l5 , l4 , l2 .
Пример обозначения посадки подшипника качения класса в корпус:

При конструировании подшипниковых узлов стремятся к тому, чтобы вал с опорами представлял собой статически определимую систему. В статически неопределимых системах возможно нагружение опор силами, во много раз превышающими внешние расчетные нагрузки. Поэтому в большинстве случаев валы устанавливают на двух опорах.

По способности фиксировать осевое положение вала опоры разделяют на плавающие и фиксирующие.
Плавающие опоры допускают осевое перемещение вала в любом направлении для компенсации его удлинения (укорочения) при температурных деформациях. Они воспринимают только радиальную силу. В качестве плавающих опор применяют шариковые и роликовые радиальные подшипники.

Фиксирующие опоры ограничивают осевое перемещение вала в одном направлении или в обоих направлениях. Они воспринимают радиальную и осевую силы. В качестве фиксирующих опор применяют шариковые и роликовые подшипники. На рисунке 3 показаны основные схемы осевого фиксирования валов.

На схемах 1 и 2 одна опора фиксирующая, вторая плавающая. Фиксирующая опора ограничивает осевое перемещение вала в обоих направлениях. В опоре может быть установлен один (схема 1) или два (схема 2) подшипника, которые закрепляют в осевом направлении с двух сторон как на валу, так и в корпусе.

В плавающей опоре внутреннее кольцо подшипника закреплено с двух сторон на валу, а наружное – свободно перемещается в корпусе вдоль оси.

В таком виде вал с опорами представляет собой статически определимую систему и может быть представлен в виде балки с одной шарнирно-неподвижной, а другой – шарнирно-подвижной опорами.

Схемы 1 и 2 применяют при любом возможном расстоянии между опорами вала.

На схеме 1 вал фиксируется одним радиальным подшипником. Осевую фиксацию по этой схеме применяют, например, для приводных валов ленточных и цепных транспортеров, для валов цилиндрических зубчатых передач и т. п.

Пример конструкции опор вала, установленных по схеме 1, приведен на рис. 3.

На схеме 2 (рис. 3 ) вал фиксируется двумя подшипниками – радиальными или радиально-упорными. Эта схем характеризуется большей жесткостью фиксирующей опоры; ее применяют для установки валов, червяков, конических шестерен.

Пример конструкции вала, установленного на опорах по схеме 2, приведен на рис. 2 .

При выборе плавающей и фиксирующей опор по схемам 1 и 2 учитывают рекомендации:

1. Подшипники обеих опор должны быть нагружены по возможности равномерно, поэтому если вал действует осевая сила, то плавающей выбирают опору, нагруженную большей радиальной силой. При этом всю осевую силу воспринимает подшипник, нагруженный меньшей радиальной силой.

2. При отсутствии осевых сил плавающей выбирают менее нагруженную опору ,чтобы уменьшить сопротивление осевому перемещению подшипника и изнашивание поверхности корпуса.

3. Если входной (выходной) конец вала соединяют с другим валом муфтой, то фиксирующей принимают опору вблизи этого конца вала. На схемах 3 и 4 (рис. 3 ) обе опоры фиксирующие, причем каждая опора фиксирует вал только в одном направлении. В опорах таких схем могут быть установлены шариковые и роликовые радиальные или радиально-упорные подшипники.

Схемы 3 и 4 применяют с определенными ограничениями по расстоянию l между опорами. Связано это с изменением зазоров в подшипниках при температурных деформациях валов.

На схеме 3, называемой схемой установки подшипников «враспор», в сечениях вала между опорами действует напряжение сжатия от осевых сил. Чтобы не происходило защемление тел качения вследствие нагрева при работе, предусматривают осевой зазор а (см. рис. 3). Величина зазора должна быть несколько большей ожидаемой тепловой деформации подшипника и вала.
Из опыта известно, что в узлах с радиальными шарикоподшипниками при l ≤ 300 мм а = 0,2…0,5 мм.

Требуемый зазор а создают при сборке с помощью набора тонких металлических прокладок, устанавливаемых между корпусом и крышкой подшипника. Для радиальных подшипников рекомендуется l ≤ 10 d_n , где d_n – диаметр цапфы.

В опорах схемы 3 могут быть применены и радиально-упорные подшипники, которые более чувствительны к изменению осевых зазоров вследствие температурных деформаций вала. Для таких подшипников рекомендуется l ≤ (6…8) d_n , при этом меньшее значение относится к роликовым, бόльшие – к шариковым радиально-упорным подшипникам. Регулировку осевого зазора при сборке выполняют при помощи тонких (толщиной 0,05, 0,1 мм.).

На схеме 4 (рис. 3), называемой схемой «врастяжку», возможность защемления тел качения подшипников вследствие температурной деформации уменьшается, как как в этой схеме при удлинении вала осевой зазор в подшипнике увеличивается. По этой причине расстояние между подшипниками может быть несколько больше, чем в схеме враспор l ≤ (8…10) d_n . Меньшие значения – для роликовых, большие – для шариковых подшипников.
Для шариковых радиальных подшипников l ≤ 12 d_n .

В некоторых конструкциях применяю так называемые плавающие валы, обе опоры которых плавающие. Осевая фиксация вала в этом случае осуществляется не опорами, а какими-либо другими элементами конструкции, например зубьями шевронных колес или торцовыми шайбами.

Для облегчения сборки и регулировки в некоторых конструкциях подшипниковых узлов применяют чугунные стаканы, с помощью которых создают самостоятельные сборочные комплекты вала с подшипниками. Так, в подшипниковом узле вала-шестерни конической передачи установка стакана является обязательной. В этой конструкции регулировку подшипников осуществляют с помощью круглой шлицевой гайки, которую стопорят многолапчатой шайбой, а регулировку конического зацепления производят с помощью тонких прокладок.

В зависимости от осевой нагрузки, частоты вращения и принятой конструкции подшипникового узла (внутреннее кольцо подшипника на валу крепят разными способами (рис. 5) — упором в заплечик вала (а), концевой шайбой (б) круглой шлицевой шайкой (в).

Наружное кольцо подшипника закрепляют упором в торец крышки подшипника, между торцом крышки и упорным заплечиком корпуса, или упорны плоским пружинным кольцом 1 (рис.6, б) и др. В конструкциях с разъемными корпусами применяют цельные кольца 3 большого сечения и закладные крышки 2 (рис. 6, в).

Смазывание подшипников качения

Смазочные материалы в подшипниках уменьшают трение и шум, выполняют охлаждающую функцию, отводя тепло от деталей, заполняют зазоры в уплотнениях, обеспечивая герметичность подшипникового узла, защищают детали подшипника от коррозии, а также смывают с тел качения и колец продукты различные загрязнения и продукты износа.
Для смазывания подшипников качения применяют пластичные, жидкие и твердые смазочные материалы, свойства которых описаны здесь.

Пластичные смазочные материалы применяют для подшипников качения при окружной скорости поверхности вала до 10 м/с. Корпус подшипникового узла заполняют смазочным материалом в объеме 40…70% его свободного пространства. В некоторых случаях применяются подшипники закрытого типа, в которых смазочный материал, заложенный при сборке на заводе-изготовителе, сохраняется в течение всего срока эксплуатации.
Пластичные смазочные материалы экономичны, хорошо защищают подшипник от коррозии, не требуют сложных уплотнений, длительное время сохраняют свои физические свойства и не требуют замены.

Для подшипников общего назначения применяют пластичные смазочные материалы: ЦИАТИМ-201, Литол-24, различные солидолы и др.

Жидкие смазочные материалы (нефтяные масла и др.) используют для подшипников при окружных скоростях вала свыше 10 м/с. В зависимости от условий работы применяют различные способы подачи масла в подшипники (масляная ванна, капельное смазывание, разбрызгивание и др.). При частоте вращения вала до 3000 об/мин уровень масла должен быть ниже центра нижнего тела качения подшипника во избежание значительных гидравлических потерь. В редукторах и коробках передач часто применяют подачу масла разбрызгиванием из масляной ванны одним из быстровращающихся колес или специальными разбрызгивающими крыльчатками. Для защиты подшипников от избытка масла применяют маслоотражательные кольца (рис. 2).

Нефтяные масла более стабильны, обладают значительно меньшим внутренним трением, чем пластичные смазочные материалы, могут работать при относительно низких температурах. Однако такие смазочные материалы нуждаются в уплотнении узлов, чтобы избежать утечек и потерь.

Твердые смазочные материалы обычно применяют для подшипников, работающих в особых условиях. Например, при температурах до 300 ˚С применяют коллоидальный графит, а при работе в вакууме — дисульфид молибдена. Твердые смазочные материалы, в отличие от пластичных и жидких, не выполняют охлаждающих, моющих и защитных функций.

На практике стремятся смазывать подшипники качения тем же смазочным материалом, которым смазывается весь механизм (редуктор, коробка передач и т. п.). Периодичность замены смазочного материала устанавливают в зависимости от условий работы. При рабочей температуре до 50 ˚С масло следует менять один раз в год и проверять состояние тел качения и рабочих поверхностей колец подшипника.

КПД подшипников качения

В подшипниках качения имеют место потери энергии, которые обусловлены наличием трения качения между телами качения и кольцами, а также трение скольжение между телами качения и сепаратором, между элементами подшипника и уплотнениями. Кроме того, часть энергии теряется из-за преодоления гидравлического сопротивления смазочного материала, обладающего высокой вязкостью. Тем не менее, энергетические потери в подшипниках качения невелики, и обычно не превышают 0,005…0,1 % для одной пары подшипников, т. е. КПД такой пары составляет η = 0,99…0,995. Это несколько выше КПД подшипников скольжения.

Уплотнительные устройства

Для защиты от попадания в подшипник влаги и загрязнений, а также для предотвращения утечек смазочного материала подшипниковые узлы снабжают уплотнительными устройствами различной конструкции.

Широкое распространение получили манжетные уплотнения (рис. 4). Их применяют при окружных скоростях до 15 м/с. Они достаточно надежны, обладают хорошими уплотняющими свойствами.

Щелевые уплотнения (рис. 2) применяют для подшипниковых узлов, работающих в чистой среде при скоростях до 5 м/с. Зазоры в них заполняют пластичным смазочным материалом.

Лабиринтные уплотнения (рис. 7) являются бесконтактными, они пригодны для скоростей до 30 м/с. Уплотняющий эффект в лабиринтных уплотнениях создается чередованием радиальных и осевых зазоров, которые образуют длинную узкую извилистую щель. Зазор в лабиринте заполняют пластичным смазочным материалом независимо от вида смазочного материала подшипника. Радиальные зазоры получают изготовлением деталей при посадке H11/d11 .

Центробежные уплотнения применяют при окружных скоростях свыше 0,5 м/с. При смазывании подшипника пластичным смазочным материалом с внутренней стороны корпуса устанавливают маслосбрасывающие кольца 2 (см. рис. 2) так, чтобы они выступали за стенку корпуса. Попадающее из картера на кольца во время работы жидкое горячее масло отбрасывается центробежной силой и не попадает в полость размещения пластичного смазочного материала, не вымывает его.

В ответственных конструкциях применяют комбинированные уплотнения в различных сочетаниях, например, лабиринтно-щелевое уплотнение (рис. 8).

Монтаж и демонтаж подшипников

При выполнении разборочных и сборочных работ с подшипниковыми узлами следует выполнять определенные требования, предотвращающие повреждение или поломку деталей.

Перед монтажем подшипники тщательно два-три раза промывают в 6 % -ном растворе нефтяного масла, в бензине или в горячем (70…75 ˚С) антикоррозионном водном растворе и проверяют на легкость вращения колец. Посадочные поверхности вала и корпуса промывают в керосине и насухо протирают чистыми салфетками.

Для облегчения установки подшипника вал слегка смазывают, а подшипник предварительно нагревают до 80…90 ˚С в горячем нефтяном масле или с помощью электроиндукционной установки. Силу запрессовки прикладывают к тому кольцу, которое монтируют с натягом (рис. 9).
Передача монтажных усилий через тела качения недопустима.

Демонтируют подшипники при помощи специальных съемников (рис. 10), исключающих удары по деталям. Во избежание поломки деталей или появления вмятин на дорожках качения при демонтаже подшипник захватывают за внутреннее кольцо при демонтаже с вала, и за наружное кольцо при демонтаже из корпуса.