Изучение конструкции подшипников качения

1. Цель работы

Изучить конструкции, характеристики и области применения подшипников качения различных типов. Изучить систему условных обозначений подшипников качения. Ознакомиться с принципами расчетов подшипников качения.

2. Оборудование и инструменты

1) Подшипники качения различных типов.

2) Штангенциркуль.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

Подшипники служат опорами вращающихся или качающихся деталей машин. В подшипниках качения используется трение качения. Подшипник качения (рис. 8.2) состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения. В некоторых конструкциях подшипниковых опор, требующих минимизации диаметральных габаритов, одно из колец или оба кольца могут отсутствовать. В таких опорах тела качения катятся по дорожкам качения, выполненным непосредственно на валу или в корпусе. Иногда может отсутствовать сепаратор.

Основные достоинства подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения: значительно меньшие (в 5…10 раз) пусковые моменты; малая зависимость моментов сил трения от скорости; меньшее теплообразование; меньшие требования к техническому уходу; меньший расход смазки; бóльшая несущая способность на единицу ширины подшипника; значительно меньший расход цветных металлов; меньшие требования к материалу и термообработке валов; меньшие габариты по ширине.

Недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения: повышенные диаметральные габариты; высокие контактные напряжения, ограничивающие срок службы при большом разбросе долговечности; высокая стоимость при мелкосерийном производстве; меньшая демпфирующая способность; повышенный шум при высоких скоростях.

По направлению воспринимаемой нагрузки различают подшипники: радиальные; радиально-упорные и упорно-радиальные; упорные. К радиальным относятся подшипники, предназначенные для исключительно радиальной нагрузки, или предназначенные для восприятия радиальной нагрузки, но способные также фиксировать валы в осевом направлении и воспринимать небольшие осевые нагрузки. Радиально-упорные и упорно-радиальные подшипники предназначены для восприятия комбинированной нагрузки, то есть применяются при совместном действии радиальной и осевой нагрузок. Упорные подшипники предназначены для восприятия осевой нагрузки.

В качестве тел качения в подшипниках используются шарики (рис. 8.1 а) или ролики. Различают ролики короткие цилиндрические (рис. 8.1 б), длинные цилиндрические или игольчатые (рис. 8.1 в), витые (рис. 8.1 г), конические (рис. 8.1 д), бочкообразные (рис. 8.1 е), конические бочкообразные (рис. 8.1 ж).

ж)

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 8.1. Основные типы тел качения

Шарикоподшипники в среднем более быстроходны. Роликоподшипники имеют более высокую (в среднем на 50 … 80%) грузоподъемность.

4. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Подшипники качения стандартизованы в международном масштабе. Их производство сконцентрировано на специализированных подшипниковых заводах. Основное условное обозначение подшипника качения может содержать до семи цифр. К основному условному обозначению иногда дополнительно добавляются буквы и цифры.

Две крайние справа цифры основного условного обозначения для подшипников с внутренним диаметром от 20 мм до 495 мм получают делением внутреннего диаметра на 5. Таким образом, для определения внутреннего диаметра подшипника в указанном интервале нужно две последние цифры его условного обозначения умножить на 5.

Третья и седьмая справа цифры обозначают серию подшипников.

Четвертая справа цифра обозначает тип подшипника. Стандартами предусмотрено 10 типов подшипников качения.

Пятая и шестая цифра справа обозначает конструктивные особенности подшипников.

Стандартом для подшипников качения предусмотрены классы точности 0, 6, 5, 4 и 2 (в порядке повышения точности). Класс точности указывается цифрой 6, 5, 4 или 2 перед условным обозначением подшипника через тире. Класс 0 не указывается.

Тип 0 – шарикоподшипники радиальные однорядные (рис. 8.2). Предназначены для восприятия радиальных нагрузок, но могут воспринимать и осевые нагрузки, действующие в обеих направлениях вдоль оси вала и не превышающие 70% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. По сравнению с другими подшипниками качения имеют наименьшие потери на трение и потому допускают наибольшие частоты вращения. Применяются преимущественно для жестких двухопорных валов, прогиб которых под действием внешних сил не вызывает значительного углового смещения оси цапфы относительно оси посадочного отверстия.

Применение подшипников с установочными кольцами (рис. 8.2 б,в), выступающими за наружную цилиндрическую поверхность, позволяют сократить габаритные размеры подшипникового узла, так как в этом случае можно обойтись без осевой фиксации наружных колец фланцевыми крышками. Установочное кольцо не рассчитано на значительную осевую силу, поэтому такие подшипники используют главным образом при радиальных нагрузках.

Рис. 8.2. Шарикоподшипники радиальные однорядные (тип 0)

1

2

3

4

а)

б)

в)

г)

д)

Если в подшипниковом узле затруднена установка специальных уплотнительных устройств для защиты от загрязнения или для удержания смазки, применяются подшипники с односторонним (рис. 8.2 в) или двухсторонним (рис. 8.2 г) встроенным уплотнением.

В случаях, когда нежелательно применение креплений или опорных заплечиков в корпусах для фиксации положения наружных колец или при необходимости сократить ширину опоры, используются подшипники с заплечиками на наружных кольцах (рис. 8.2 д).

Тип 1 – шарикоподшипники радиальные двухрядные сферические (рис. 8.3) предназначены в основном для восприятия радиальных нагрузок, но могут одновременно воспринимать и двухстороннюю осевую нагрузку, которая не должна превышать 20% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. Дорожка качения наружного кольца выполнена по сфере, что обеспечивает нормальную работу подшипника при перекосе внутреннего кольца относительно наружного на 2 … 3^○, который может возникнуть в результате прогиба вала под действием нагрузки или вследствие неточностей изготовления и монтажа механизма. Применяются: для многоопорных валов трансмиссионного типа; для двухопорных валов, получающих значительные прогибы под действием внешних нагрузок; в узлах, где технологически не может быть обеспечена строгая соосность посадочных мест подшипников; при установке подшипников в отдельных корпусах.

1

2

3

4

Рис. 8.3. Шарикоподшипники радиальные двухрядные сферические (тип 1)

а)

б)

в)

Основной тип сферического шарикоподшипника показан на рис. 8.3 а. Подшипник, показанный на рис. 8.3 б, предназначен для установки на коническую цапфу вала.

Подшипник на разрезной закрепительной втулке (рис. 8.3 в) предназначен для установки на гладких (без заплечиков) валах. Закрепительная втулка имеет наружную коническую поверхность, соответствующую конической поверхности отверстия подшипника (конусность 1:12), и цилиндрическое отверстие. На резьбовом участке втулки расположена круглая шлицевая гайка с многолапчатой шайбой. В свободном состоянии диаметр отверстия втулки несколько больше диаметра посадочного участка на валу. При затягивании гайка сдвигает подшипник на больший наружный диаметр втулки. В результате внутреннее кольцо подшипника сжимает втулку, которая обжимает вал и удерживается на нем силами трения.

Тип 2 – роликоподшипники радиальные с короткими цилиндрическими роликами (рис. 8.4). Предназначены для восприятия только радиальных нагрузок. По сравнению с шариковыми подшипниками имеют значительно бόльшую грузоподъемность, но меньшую допустимую скорость. Весьма чувствительны к относительным перекосам колец, так как при этом возникает концентрация напряжений у краев роликов.

1

3

4

Рис.8.4. Роликоподшипники радиальные с короткими цилиндрическими роликами (тип 2)

б)

в)

4

г)

2

а)

Подшипники, показанные на рис. 8.4 а, 8.4 в и 8.4 г допускают в процессе монтажа и эксплуатации двухстороннее осевое перемещение внутреннего кольца относительно наружного. У подшипника, показанного на рис. 8.4 б, такое перемещение возможно лишь в одном направлении. В смонтированном подшипниковом узле для всех радиальных роликоподшипников допускают взаимное осевое перемещение колец только в одном направлении.

Область применения – жесткие двухопорные валы. Благодаря возможности взаимного осевого смещения внутреннего и наружного колец удобны при больших температурных деформациях валов, при необходимости осевой самоустановки валов, например, несущих шевронные зубчатые колеса. Могут быть однорядными (рис. 8.4 а, 8.4 б и 8.4 в) или двухрядными (рис. 8.4 г).

Тип 3 – роликовый радиальный двухрядный сферический с бочкообразными роликами (рис. 8.5). Дорожка качения наружного кольца имеет сферическую поверхность. Возможна небольшая осевая нагрузка – до 25% от неиспользованной допускаемой радиальной нагрузки – но в этом случае осевую силу воспринимает только один ряд роликов. Обладает высокими эксплуатационными показателями, но сложную технологию изготовления. Допускаемые скорости вращения значительно ниже, чем у подшипников с короткими цилиндрическими роликами. Предназначен для восприятия особо больших радиальных нагрузок при возможности значительных (до 2,5^○) перекосов колец.

в)

б)

а)

2

4

3

1

u VhtgRKhkq4CdaCPXAnie8f8d8h8AAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhALaDOJL+AAAA4QEAABMA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOP0h/9YA AACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAI8dRMZgD AAD/CAAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEA9yGT 9+MAAAALAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAADyBQAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA8wAA AAIHAAAAAA== " path="m-1,nfc11929,,21600,9670,21600,21600em-1,nsc11929,,21600,9670,21600,21600l,21600,-1,xe" filled="f" strokeweight="1.5pt"> Область применения: тяжелонагруженные многоопорные валы; двухопорные валы, получающие значительные прогибы под действием внешних нагрузок; в случаях, когда не обеспечивается строгая соосность посадочных

Рис. 8.5. Роликоподшипники радиальные двухрядные сферические с бочкообразными роликами (тип 3)

мест, например, при установке подшипников в отдельных корпусах.

Тип 4 – роликоподшипники с длинными цилиндрическими роликами или игольчатые (рис. 8.6). Предназначены для восприятия только радиальных нагрузок. Осевое перемещение вала не ограничивается. Имеют меньшие диаметральные габариты по сравнению с подшипниками других типов. Применяются при окружной скорости цапфы вала до 5 м/с, а также при качательных движениях. Наиболее совершенные игольчатые подшипники высокой точности (отклонения диаметров игл ±1 мкм) с сепаратором допускают окружные скорости на поверхности цапфы до 20 м/с. Могут отсутствовать сепаратор (рис.8.6 а, 8.6 в), или внутреннее кольцо (рис. 8.6 б, 8.6 в), или оба кольца. Бессепараторные подшипники имеют относительно высокие потери на трение между иглами, поэтому допустимая частота вращения у них значительно ниже, чем у подшипников с сепараторами. Подшипники с сепараторами допускают более высокие скорости вращения, но обладают меньшей грузоподъемностью, так как имеют меньшее число игл.

1

3

2

4

Рис. 8.6. Роликоподшипники радиальные игольчатые (тип 4)

а)

б)

в)

1

2

3

4

Рис. 8.7. Роликоподшипники радиальные с витыми роликами (тип 5)

а)

б)

в)

Тип 5 – роликоподшипники радиальные с витыми роликами (рис. 8.7). Предназначены для восприятия только радиальных нагрузок. Лучше, чем подшипники других типов, воспринимают ударные нагрузки. Отличаются пониженной жесткостью и увеличенным радиальным зазором. Не ограничивают осевые перемещения вала. Применяются в опорах со средними по величине нагрузками ударного характера. В ответственных узлах не применяются.

Рис. 8.8. Шарикоподшипники радиально-упорные (тип 6)

б)

в)

1

2

3

4

а)

г)

Подшипники без одного (рис. 8.7 в) или без обоих (рис. 8.7 б) колец устанавливают в узлах с ограниченными размерами в радиальном направлении. У подшипников, показанных на рис. 8.7 в, наружное кольцо имеет разрез в виде шеврона и слегка пружинит.

Тип 6 – шарикоподшипники радиально-упорные (рис.8.8). Предназначены для восприятия радиальных и осевых нагрузок. По скоростным характеристикам не уступают радиальным однорядным подшипникам. С увеличением угла контакта α возрастает способность воспринимать осевую нагрузку, но снижается допускаемая скорость вращения.

В подшипнике со скосом на наружном кольце (рис. 8.8 а) сепаратор центрируется по двубортовому внутреннему кольцу, а со скосом на внутреннем кольце – по двубортовому наружному кольцу. Подшипники со скосом на одном из колец устанавливают на жестких двухопорных валах с необходимостью регулировки зазора в подшипниках при монтаже или в процессе эксплуатации. У разъемных (магнетных) подшипников (рис.8.8 б) наружное и внутреннее кольца можно монтировать и демонтировать раздельно.

Двухрядные подшипники (рис. 8.8 в,г) предназначены для восприятия значительных радиальных и осевых (в обоих направлениях) нагрузок. Изготовляются с предварительным натягом. Жестко фиксируют вал в радиальном и осевом направлениях в обе стороны. Обеспечивают повышенную угловую жесткость опоры. Применяются для жестких двухопорных валов, в узлах с преобладающей радиальной нагрузкой, при высоких скоростях вращения.

а)

б)

в)

Рис. 8.9. Радиально-упорные шарикоподшипники с разрез-ными кольцами: а) с разре-зным наружным кольцом; б) с разрезным внутренним кольцом; в) с четырехточеч-ным контактом при ради-альной нагрузке.

В подшипниках с одним разъемным кольцом (рис. 8.9) профили дорожек качения образованы дугами со смещенными центрами. Шарик касается колец в трех (рис. 8.9 а,б) или в четырех (рис. 8.9 в) точках. Могут воспринимать радиальную и двустороннюю осевую нагрузку. По сравнению с подшипниками, имеющими двухточечный контакт, обладают бόльшей осевой грузоподъемностью, что обусловлено повышенными углами контакта, бόльшим количеством шариков и относительно малыми внутренними зазорами. Применяются в опорах с жесткой двусторонней фиксацией, а также для восприятия чисто осевой нагрузки, когда подшипники других типов не подходят по скоростным или нагрузочным характеристикам или нежелательно регулирование зазора в подшипнике в процессе эксплуатации. В частности, широко используются в газотурбинных двигателях и авиационных редукторах.

Тип 7 – роликоподшипники радиально-упорные конические (рис. 8.10). Предназначены для восприятия совместно действующих радиальных и осевых нагрузок. Радиальная грузоподъемность значительно выше, чем у радиально-упорных шариковых. Допустимые скорости значительно ниже, чем у шарикоподшипников и у роликовых с короткими цилиндрическими роликами. С увеличением угла конусности осевая грузоподъемность возрастает за счет уменьшения радиальной. Очень чувствительны к перекосам осей валов.

Однорядные конические подшипники (рис. 8.10 а,б) воспринимают радиальные и осевые односторонние нагрузки. Допускают раздельный монтаж колец, а также регулирование осевой игры и радиального зазора, как при установке, так и в процессе эксплуатации. Подшипники с заплечиками на наружных кольцах (рис. 8.10 б) применяют в тех случаях, когда нежелательно предусматривать крепление или опорные заплечики в корпусах для фиксации положения наружных колец, или при необходимости сократить ширину опоры. Более совершенными являются сфероконические подшипники с коническими бочкообразными роликами. Такие подшипники являются самоустанавливающимися и способны воспринимать бόльшие нагрузки, однако сложнее в изготовлении.

Рис. 8.10. Роликоподшипники конические радиально-упорные (тип 7)

а)

б)

в)

г)

Рис. 8.11. Шарикоподшипники упорные (тип 8)

а)

в)

г)

б)

Двухрядные конические подшипники (рис.8.10 в, г) предназначены для восприятия радиальных и двусторонних осевых нагрузок. Заданный радиальный зазор и осевая игра обеспечиваются дистанционным кольцом, установленным между внутренними (рис. 10.8 в) или наружными (рис. 8.10 г) кольцами. Допустимая радиальная нагрузка двухрядного подшипника в 1,7 раза выше, чем у соответствующего однорядного.

При больших радиальных и относительно небольших двусторонних осевых нагрузках могут применяться четырехрядные конические подшипники.

Тип 8 – шарикоподшипники упорные (рис. 8.11). Предназначены для восприятия больших осевых нагрузок. Допустимые скорости вращения значительно меньше, чем у других типов подшипников, в связи с действием центробежных нагрузок, возникающих при движении шариков. На горизонтальных валах работают хуже, чем на вертикальных.

Одинарные подшипники (рис. 8.11 а,б,в) предназначены для восприятия односторонних осевых нагрузок. Одно из колец устанавливается на валу с натягом, а сквозь отверстие второго кольца, устанавливаемого в корпусе, вал проходит свободно. Подшипник, показанный на рис. 8.11 б, имеет подкладное кольцо со сферической поверхностью для компенсации технологических неточностей расположения опорных поверхностей в корпусе подшипникового узла. В подшипнике, показанном на рис. 8.11 в, высокий борт с внешней стороны кольца, устанавливаемого в корпус, создает более благоприятные условия для восприятия центробежных сил.

Двойные подшипники (рис. 8.11 г) предназначены для восприятия осевых нагрузок, действующих в обоих направлениях. Среднее кольцо устанавливают на валу с натягом, а крайние кольца с зазором.

Рис. 8.12. Роликоподшипники упорные (тип 9)

а)

б)

в)

Тип 9 – роликоподшипники упорные (рис. 8.12). Предназначены для восприятия осевых нагрузок. В подшипниках с цилиндрическими роликами (рис. 8.12 а) возникает проскальзывание между роликами и дорожками качения, поскольку по мере удаления от центра подшипника окружные скорости на поверхностях роликов увеличиваются. Такие подшипники также выпускаются двойными для восприятия осевых нагрузок в обоих направлениях и со сферическими подкладными кольцами. Используются главным образом для вертикальных валов.

Упорные подшипники с коническими роликами (рис. 8.12 б), по сравнению с подшипниками с цилиндрическими роликами, не имеют проскальзывания роликов и обладают более высокой грузоподъемностью, но их допустимая частота вращения значительно меньше. Борта на внешних сторонах колец воспринимают центробежные силы, возникающие при движении роликов, и радиальные составляющие от осевой нагрузки.

Подшипники с бочкообразными коническими роликами (рис. 8.12 в) допускают более высокие скорости вращения и являются самоустанавливающимися.

Причины выхода из строя подшипников качения: усталостное выкрашивание рабочих поверхностей колец и тел качения из-за действия переменных контактных напряжений; разрушение колец и тел качения (скалывание бортов у роликоподшипников из-за перекосов колец, раздавливание шариков и колец по дну желоба при больших динамических нагрузках); износ колец и тел качения; образование вмятин на рабочих поверхностях колец (бринеллирование) при динамических нагрузках или при больших статических нагрузках без вращения; разрушение сепараторов. Кроме того, возможно наволакивание на тела качения металла сепаратора, отпуск тел качения и колец в связи недопустимым повышением температуры, шелушение, связанное с местными дефектами материала, коррозия, связанная с прохождением электрического тока.

Подшипники качения рассчитывают на долговечность по критерию выносливости и по статической грузоподъемности по критерию отсутствия вмятин.

Долговечность подшипника (в часах) . Здесь: С - динамическая грузоподъемность подшипника, т. е. постоянная радиальная (для радиальных и радиально-упорных подшипников) или осевая (для упорных и упорно-радиальных подшипников) нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение 10⁶ оборотов при вероятности безотказной работы 90%; Р – эквивалентная нагрузка на подшипник; п – частота вращения вращающегося кольца подшипника, об/мин; m – показатель степени. Для шарикоподшипников т=3, для роликоподшипников т=10/3.

Эквивалентная радиальная нагрузка для радиальных шарикоподшипников и радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников

Р= (XVF_r+YF_a) K_бК_Т.

Здесь: F_r – радиальная нагрузка; F_a – осевая нагрузка; Х и Y - коэффициенты радиальной и осевой нагрузки соответственно, учитывающие разное повреждающее действие радиальной и осевой нагрузок; V – коэффициент вращения; К_б – коэффициент безопасности, учитывающий динамичность нагрузки; К_Т – температурный коэффициент. При вращении внутреннего кольца V=1, при вращении наружного кольца V=1,2.

Эквивалентная нагрузка для подшипника с короткими цилиндрическими роликами Р=VF_rK_бК_Т.

Эквивалентная осевая нагрузка для упорных подшипников Р=F_aK_бК_Т.

Эквивалентная осевая нагрузка для упорно-радиальных подшипников

Р= (ХF_r+YF_a) K_бК_Т.

Подшипники, не вращающиеся или вращающиеся с малой частотой, рассчитывают по статической грузоподъемности. Эквивалентная статическая нагрузка Р₀ не должна превышать статическую грузоподъемность С₀. Статическая грузоподъемность – это такая статическая нагрузка, при которой общая остаточная деформация колец и тел качения в наиболее нагруженной точке контакта равна 0,0001 диаметра тела качения. Эквивалентная статическая нагрузка для радиальных шарикоподшипников, радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников определяется как бόльшая из рассчитанных по формулам: P₀=X₀F_r+Y₀F_a; P₀=F_r.

Здесь X₀ и Y₀ – коэффициенты статической радиальной и статической осевой нагрузки соответственно.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1) Изучить конструкцию, определить тип подшипников, характер воспринимаемой нагрузки, конструктивные особенности.

2) Измерить ширину, внутренний и наружный диаметры подшипников.

3) Определить динамическую и статическую грузоподъемность, допустимую частоту вращения подшипников.

4) Оформить отчет о лабораторной работе (табл. 8.1).

5) Ответить на контрольные вопросы.

6. Отчет о лабораторной работе

Таблица 8.1. Характеристика подшипника качения.

Условное обозначение подшипника
Тип подшипника
Тип тел качения
Направление воспринимаемой нагрузки
Серия подшипника
Конструктивные особенности
Внутренний диаметр	d	мм
Наружный диаметр	D
Ширина подшипника	В
Класс точности
Диаметр тел качения	DT	мм
Количество тел качения	z	-
Тип сепаратора
Материал сепаратора
Динамическая грузоподъемность	С	кН
Статическая грузоподъемность	С0	кН
Максимальная частота вращения при смазке	консистентной	об/мин
жидкой