Конструирование-подшипниковых-опор

Проектирование подшипниковых опор часть 1 подшипники качения

150 руб.

Описание товара

Проектирование подшипниковых опор часть 1

Подшипники качения

      Основным элементом любого вала, позволяющим выполнять его основную функцию поддержание и передачу вращательного движения, являются его опоры. Опоры вала должны, воспринимая действующие на них нагрузки обеспечивать с требуемой точностью положение вала при его вращении с определенной скоростью. Применяемые в качестве опор валов подшипники по характеру трения между вращающимися поверхностями делятся на два основных вида это подшипники качения и подшипники скольжения.

Подшипник скольжения представляет собою постоянно или периодически смазываемую втулку, которая чаще всего изготавливается из бронзы, и запрессовывается в корпусную деталь с определенным натягом, таким образом, что между ее отверстием и наружной цилиндрической поверхностью вала создается необходимый зазор, обеспечивающий требуемые условия контакта втулки и вращающегося вала.

Подшипник качения представляют собой узел, состоящий из двух колец, наружного устанавливаемого в корпусную деталь и внутреннего устанавливаемого на вал, между которыми расположены тела качения (шарики, ролики, иглы), обеспечивающие их относительное вращение вокруг продольной оси вала.

В зависимости от величины направления и продолжительности во времени действия сил, а также от размеров, точности и положения в пространстве вала его опоры находятся в различных условиях и соответственно имеют различную конструкцию для обеспечения работы вала в составе привода.

Выбор вида подшипников

После нахождения конструктивной схемы проектируемого привода, расчета его основных конструктивных элементов и предварительной их компоновки возникает необходимость разработать конструкцию подшипниковых опор, и прежде всего, выбрать вид подшипников. Оба вида подшипников, подшипники скольжения и подшипники качения имеют присущие им преимущества и 1недостатки, определяющие их основную область применения.

Подшипники скольжения имеют следующие преимущества:

  • способность воспринимать большие нагрузки при высокой частоте вращения,
  • способность демпфировать ударные и вибрационные нагрузки,
  • бесшумность,
  • при разъемной конструкции значительно упрощают сборку и ремонт,
  • имеют малые радиальные габариты.

Подшипники качения имеют следующие преимущества:

  • низкий коэффициент трения,
  • обеспечивают более точное центрирование вала,
  • способность работать в широком диапазоне температур,
  • имеют малые осевые размеры

С учетом вышеперечисленных преимуществ подшипников качения и скольжения и осуществляется их выбор. На Рис1 показаны два вала многопозиционного холодновысадочного автомата в качестве опор которых выбраны в одном случае подшипники скольжения, в другом – подшипники качения.  Кулачковый вал механизма выталкивания из матриц (см. Рис.1а) выполнен на подшипниках качения, прежде всего для обеспечения точного положения вала на котором расположена приводящая его коническая шестерня. Коленчатый вал автомата (см. Рис. 1б) выполнен на подшипниках скольжения, поскольку воспринимает большие внецентренные нагрузки импульсного типа, а необходимая величина зазора в опорах вала обеспечивается шабровкой  втулок подшипников скольжения при сборке узла. Данный пример наглядно демонстрирует, что даже в одном оборудовании в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному валу и условий его работы могут быть использованы подшипники различного вида.

Исходными данными для выбора вида подшипников является:

  • конструктивная схема привода, определяющая, место расположения подшипниковых опор в корпусе редуктора или станине, в том числе  необходимый доступ при сборке и разборке подшипникового узла,
  • величина и направление усилий действующих на вал, а также продолжительность их действия в течении рабочей смены,
  • скорость вращения вала или зубчатых колес, установленных на вал
  • требования к радиальному и торцевому биению базовых поверхностей вала,
  • длина и жесткость вала,
  • возможные способы смазки подшипников,
  • условия эксплуатации (температура, влажность, запыленность).

Подшипники качения

По своему конструктивному исполнению согласно ГОСТ3395-89 подшипники делятся на следующие типы:

  • шарикоподшипники радиальные однорядные,
  • шарикоподшипники радиальные двурядные сферические,
  • роликоподшипники радиальные с короткими цилиндрическими роликами,
  • роликоподшипники радиальные двурядные сферические,
  • роликоподшипники радиальные игольчатые,
  • роликоподшипники радиальные с длинными цилиндрическими роликами,
  • роликоподшипники радиальные с витыми роликами,
  • шарикоподшипники радиально – упорные однорядные,
  • шарикоподшипники радиально – упорные сдвоенные,
  • шарикоподшипники радиально – упорные с одним разъемным кольцом,
  • шарикоподшипники радиально – упорные двурядные,
  • роликоподшипники радиально – упорные однорядные,
  • роликоподшипники радиально – упорные конические двурядные,
  • роликоподшипники радиально – упорные конические четырехрядные,
  • шарикоподшипники упорные однорядные,
  • шарикоподшипники упорные двойные,
  • роликоподшипники упорные.

Обозначения и маркировка подшипников всех типов и серий выполняется в соответствии с условными обозначениями, принятыми в ГОСТ 3189-89. Согласно этого стандарта обозначение всех типов серийно изготавливаемых подшипников состоит из шести условных числовых (цифровых) элементов представляющих единую надпись, содержащую информацию об основных параметрах подшипника. Таким образом, обозначение подшипника содержит следующие элементы:

A. B.C. D. E. F. G

Где:
A, серия подшипника,
B C, конструктивное исполнение,
D, тип подшипника,
E, знак 0,
F, серия диаметра,
G, диаметр отверстия подшипника.
Например:
Подшипник радиальный шариковый однорядный 1000094 ГОСТ 8338-75:
1, серия ширин,
00, конструктивное исполнение,
0, тип подшипника,
0, знак 0 по схеме,
9, серия диаметров,
4, диаметр отверстия.
Подшипник радиальный роликовый с короткими цилиндрическими роликами 32205 ГОСТ 8328-75:
0, серия ширин,
03, конструктивное исполнение,
2, тип подшипника,
2, серия диаметров,
05, обозначение диаметра отверстия.
В обозначении специальных подшипников, изготавливаемых по отдельным техническим условиям, согласно ГОСТ 3189-89 может указываться: категория подшипника (А, В, С), момент трения, радиальный зазор, класс точности по ГОСТ 520-2002 и прочие параметры. Например, специальный шариковый, радиально – упорный, однорядный, с увеличенной скоростью вращения и текстолитовым сепаратором подшипник 5 (го) класса точности, изготавливаемый по ТУ 3900 – А имеет обозначение: 5-7076811Е, ТУ3900-А.

      Для обеспечения длительной и надежной работы подшипниковой опоры при ее сборке, а точнее при сборке узла или механизма, в который она входит, необходимо выполнить вполне определенные технические требования, содержание которых определяется как конструкцией механизма, так и условиями его эксплуатации. Так технические требования, предъявляемые к подшипниковым опорам быстро вращающегося вала, например шпинделя шлифовального станка (см. Рис. 2а) и требования к опорам валка тяжело нагруженного прокатного стана (см. Рис. 2б) существенным образом отличаются, также как отличаются требования к подшипниковым опорам вертикально расположенного вала (см. Рис. 2в) и требования к опорам трехопорного вала, работающего в динамическом режима (см. Рис. 2г).

2

          Основными условиями работоспособности подшипников качения, используемых в качестве опор валов, является обеспечение при сборке требуемой величины осевого S или радиального зазора Cr (см. Рис. 3) между телами качения и кольцами подшипника, а также угла перекоса наружного кольца подшипника относительно внутреннего, ϴ_Σ= ϴ + ϴ/ (см. Рис. 4)

Рис 3new

        При установке подшипника на вал и в корпус, из-за имеющего место натяга, происходит деформация его колец, которая приводит к дополнительному нагружению тел качения и как следствие к снижению долговечности подшипника. Такая же деформация колец подшипника может происходить и за счет неравномерного их нагрева в процессе эксплуатации. Поэтому для компенсации деформаций колец при сборке в состоянии поставки нерегулируемые подшипники имеют образованный за счет размеров их колец и тел качения гарантированный радиальный зазор Gr (см. Рис. 3), исходная величина которого для различных типов подшипников установлена ГОСТ24810-81. Величина радиального зазора, необходимая для нормальной работы подшипника, устанавливается в технических требованиях сборочного чертежа в зависимости от условий его работы, и обеспечивается при сборке узла путем регулировки величины осевого зазора (осевой игры) S в подшипнике, которая определяется как осевое перемещение подвижного кольца относительно неподвижного.

          В работе [3] исходный осевой зазор S в однорядных радиальных шариковых подшипниках рекомендуется рассчитывать по следующей формуле: 2S/Gr = K;
Для радиальных сферических двухрядных шариковых и роликовых подшипников величину осевого зазора S рекомендуется рассчитывать из следующей зависимости: 2S/Gr = (0,44)/Yo ;
Где Yo, коэффициент осевой статической нагрузки.
Для конических роликоподшипников величина осевого зазора S определяется из следующей зависимости: 2S = G_r/sinα;
Где α, угол наклоны оси роликов к горизонтали.
Определим величину осевого зазора для однорядных шарикоподшипников № 210, 217, 224, используя величину радиального зазора, оговариваемую ГОСТ24810 – 81 и номограмму, предлагаемую в работе [3] для расчета осевого зазора в шарикоподшиниках (см. Рис. 5).

Рис 5Рис. 5. Номограмма для определения осевого зазора
в радиальных шарикоподшипниках.

Исходные данные для расчета и полученная величина осевого зазора (осевой игры) 2S приведены в таб.1 .

Рис 4АРис 25А       Величина осевого зазора, гарантирующего нормальные условия работы подшипниковой опоры обеспечиваются при сборке методом регулировки за счет подбора комплекта прокладок требуемой толщины устанавливаемых под базовый торец крышки (см. Рис. 6а), или регулировкой положения наружного кольца подшипника (см. Рис. 6б), а также методом подгонки компенсационного кольца, устанавливаемого между крышкой и одним из колец подшипников (см. Рис. 6в)

Рис 6Рис. 6. Варианты конструкции подшипниковых опор валов предусматривающие различные методы регулировки осевого зазора в подшипниках.

        При этом толщина комплекта прокладок показанного на Рис. 6а, определяется путем составления и расчета размерной цепи А (см. Рис. 7), а количество и толщина прокладок рассчитывается по формулам приведенным в работе [3].

      Размерная цепь А содержит следующие звенья:
A1, расстояние между буртами отверстий под установку подшипников в корпусе редуктора,
A2, высота бурта левой торцевой крышки,
A3, расстояние между левым торцем наружного кольца подшипника и правым торцем его внутреннего кольца с учетом осевой игры подшипника,
A4, расстояние между упорными буртами вала,
A5, расстояние между левым торцем внутреннего кольца подшипника и правым торцем его наружного кольца с учетом осевой игры подшипника,
A6, осевой зазор в подшипниках вала, необходимый для их нормальной работы,
A7, высота бурта правой торцевой крышки,
, исходное – замыкающее звено размерной цепи, определяющее толщину комплекта регулировочных прокладок.

Рис 7Рис. 7. Размерная цепь А определяющая
толщину комплекта регулировочных
прокладок.

     Исходная толщина компенсационного кольца определяется путем составления и расчета размерной цепи Б (см. Рис. 8).
Размерная цепь Б содержит следующие звенья:
Б1, толщина заплечика левой крышки,
Б2, расстояние между наружными торцами канавок в корпусе редуктора под установку торцевых крышек,
Б3, толщина заплечика правой крышки,
Б4, осевой зазор в подшипниках вала, необходимый для их нормальной работы,
Б5, расстояние между правым торцем наружного кольца подшипника и левым торцем его наружного кольца с учетом осевой игры подшипника,
Б6, расстояние между упорными буртами вала,
Б7, расстояние между правым торцем внутреннего кольца подшипника и левым торцем его наружного кольца с учетом осевой игры подшипника,
БΔ, исходное – замыкающее звено размерной цепи, определяющее толщину компенсационного кольца.

Рис 8Исходная толщина компенсационного кольца определяется путем составления и расчета размерной цепи Б (см. Рис. 8).

         На Рис. 9 показана конструкция оригинального устройства для регулировки осевого зазора в подшипниках вала редуктора, позволяющая существенно снизить трудоемкость сборки, что особенно важно в условиях крупносерийного производства. Это устройство для регулировки зазора а в подшипниках 1 и 2, являющихся опорами вала 3, которые установлены в отверстиях б и в разъемного корпуса 4 редуктора включает в себя две закладные крышки 5 и 6, поджимающие упомянутые подшипники, причем крышка 5 непосредственно контактирует с наружным кольцом подшипника 1, а крышка 6 с подшипником 2 контактирует через промежуточное кольцо 7. Торец кольца 7 выполнен в виде винтовой кольцевой поверхности г и содержит на наружной поверхности паз 8, в который входит штифт 9, неподвижно установленный в корпусае4, при этом сопряжение паза со штифтом выполнено таким образом, что обеспечивает осевое перемещение кольца 7. В закладной крышке 6 цапфа 10 контактирующая с винтовой поверхностью г кольца 7 выполнена с ответной винтовой поверхностью, кроме того эта крышка установлена в отверстии корпуса 4 с возможностью поворота вокруг своей продольной оси и последующей фиксацией винтом 11 и контргайкой 14. Для герметизации отверстия в, в котором установлена крышка 6 в последней выполнена кольцевая канавка с расположенным в нем уплотнительным кольцом 15. Для осуществления поворота относительно продольной оси крышки 6 снабжена отверстиями 16. Рис 9

Рис. 9. Конструкция устройства для регулировки осевого зазора в
подшипниках вала редуктора, позволяющая существенно снизить
трудоемкость сборки в условиях крупносерийного производства

Работает устройство следующим образом. Регулировка осевого зазора в подшипниках 1 и 2 осуществляется путем осевого перемещения навстречу друг другу их наружных колец. Для чего крышку 6 поворачивают вокруг ее продольной оси, используя для этого отверстия 16 на ее наружном торце, в результате чего, ее винтовая поверхность г, взаимодействуя с ответной винтовой поверхностью г кольца 7, заставляет его перемещаться в осевом направлении и перемещать при этом в осевом направлении наружное кольцо подшипника 2, обеспечивая тем самым требуемую величину осевого зазора а. После выполнения регулировки осевого зазора положение крышки 6 фиксируется винтом 11, который стопорится контргайкой 14.

             Как уже говорилось вторым условием обеспечения работоспособности подшипника является величина относительного перекоса его наружного и внутреннего колец (см. Рис. 4), предельная величина которого QΣmax в угловом выражении определена ГОСТ3325 – 81 для каждого типа подшипников.
На величину угла перекоса колец подшипника влияют следующие погрешности деталей подшипникового узла:
– несоосность посадочных мест вала под установку подшипников,
– несоосность посадочных мест корпуса под установку подшипников,
– неперпендикулярность торцев отверстий в корпусе под установку подшипников,
– непараллельность базовых плоскостей крышек и стаканов,
– непераллельность базовых плоскостей промежуточных втулок и колец.
Величина угла перекоса колец подшипников в конкретной конструкции подшипниковых опор определяется размерными цепями φ (см. Рис. 10) и А (см. Рис. 11).

Рис 10Рис. 10. Размерная цепь φ определяющая влияние непараллельности базовых поверхностей деталей подшипникового узла на относительный перекос колец подшипников.

     Размерная цепь φ одержит следующие звенья:
φ1, непараллельность базовых плоскостей левой распорной втулки,
φ2, непараллельность базовых плоскостей левой крышки, нормируется
ГОСТ 11640-83,
φ3, непараллельность набора компенсационных прокладок,
φ4, непараллельность заплечиков корпуса редуктора,
φ5, непараллельность набора компенсационных прокладок,
φ6, непараллельность базовых плоскостей правой крышки, нормируется
ГОСТ 11640-83,
φ7, непараллельность базовых плоскостей правой распорной втулки,
φ8, перекос колец правого подшипника, нормируется ГОСТ 3325-85
φ9, непараллельность посадочных поверхностей вала, учитывающая его изгиб от
усилий возникающих при работе зубчатой передачи.
φΔ, исходное – замыкающее звено размерной цепи, определяющее относительный перекос колец левого подшипника, предельная величина которого нормируется ГОСТ 3325-85.

Рис 11Рис. 11. Размерная цепь А, определяющая влияние на перекос колец подшипников расположения посадочных поверхностей вала, корпуса и подшипников

         Размерная цепь А содержит следующие звенья:
A1, несоосность дорожки качения и базовой поверхности наружного кольца левого подшипника, нормируется ГОСТ 520-2002,
A2, несоосность отверстий под установку подшипников в корпусе редуктора, нормируется ГОСТ 3325-85,
A3, несоосность дорожки качения и базовой поверхности наружного кольца правого подшипника, нормируется ГОСТ 520-2002 (звено компенсатор),
A4, несоосность дорожки качения и базовой поверхности внутреннего кольца правого подшипника, нормируется ГОСТ 520-2002,
A5, несоосность посадочных мест под подшипники на валу, нормируется
ГОСТ 3325-85,
A6, несоосность дорожки качения и базовой поверхности внутреннего кольца левого подшипника, нормируется ГОСТ 520-2002,
, исходное – замыкающее звено размерной цепи, определяющее величину перекоса колец левого подшипника, предельная величина которого нормируется ГОСТ 3325-85.

Рис 1212. Специальный подшипник, допускающий
увеличенный перекос колец.

          Однако в ряде случаев, когда привод содержит длинные валы и работает в тяжелых условиях с большими изгибными нагрузками, приводящими к изгибу вала, не представляется возможным обеспечить перекос колец подшипника, работающего в составе подшипниковой опоры, в пределах допустимого. В этом случае применяют специальные подшипники, позволяющие воспринимать большие нагрузки при перекосе колец превышающим допустимые величины и обеспечивать при этом долговечную работу привода. Конструкция такого подшипника показана на Рис. 12. В предлагаемой конструкции роликового сферического подшипника для увеличения его несущей способности при работе в условиях повышенного изгиба вала его наружное и внутреннее кольца выполнены со сферическими выпуклыми дорожками качения и размещенными между ними роликами с вогнутой образующей. Подшипник содержит внутреннее 1 и наружное 2 кольца с выпуклыми сферическими дорожками 4, размещенные между ними ролики 3, выполненными с вогнутой образующей 6 и двусторонними цилиндрическими участками 7, сепаратор 8, при этом наружные кольца 2 выполнены с цилиндрическими поясками 5 с обеих сторон. При перекосе колец 1 и 2 подшипника постоянное положение роликов 3 обеспечивается за счет фиксации их осевого положения посредствам наличия двухсторонних цилиндрических участков 5 в наружном кольце 2 и цилиндрических участков 7 на роликах 3.

Рис 13Рис. 13. График для выбора коэффициента К.

          Еще одним важным фактором определяющим долговечность подшипника является частота его вращения, которая не должна быть больше предельно допустимой величины для конкретного типа и типоразмера подшипника. Согласно ГОСТ 20918-75 предельная частота вращения подшипника определяется по следующей формуле: n = ((dm n))/dm K ;
Где:
dmn, скоростной параметр, устанавливается ГОСТ 20918-75 в зависимости от типа подшипника (см. табл.3),
K, коэффициент учитывающий влияние воспринимаемой подшипником нагрузки по величине долговечности, которая определяется по таб. 2 приведенной в ГОСТ20918-75

Рис 13А         Основной причиной выхода из строя высокоскоростных подшипников качения, особенно больших диаметров, является преждевременный износ и последующая поломка сепаратора. Поэтому в случае, когда скорость вращения вала близки к предельно допусти-мой или даже превышает ее, применяют специальные подшипники с сепаратором, изготовленным из антифрикционных материалов, бронзы, текстолита, капролона. Предельная скорость вращения подшипниковой опоры может быть значительно увеличена за счет использования подшипника уменьшенного диаметра, что вытекает из формулы для расчета момента трения в подшипнике М, который определяется:

Рис 13Б      Примером создания высокоскоростной подшипниковой опоры за счет замены подшипника большого диаметра подшипниковой опорой, выполненной на основе трех комплектов подшипников уменьшенного диаметра может служить конструкция, показанная на Рис. 14. Предлагаемая конструкция подшипникового узла высокоскоростного вала содержит вал 1, установленный на трех равномерно расположенных по окружности дисках 2, имеющих цапфы 3, взаимодействующие с подшипниками 4, размещенными на осях 5, закрепленных в корпусе плавающего диска 6, который охватывает все три диска 2. В процессе работы вал 1 вращается с наибольшей скоростью, при этом близкую к нему скорость имеют три диска 2, а наружные кольца подшипников 4 имеют меньшую скорость, величина которой пропорциональна отношению диаметров подшипников 4 и цапфы 3, с которой они взаимодействуют. Кольцо 6, также взаимодействующее с цапфами 3, имеет скорость еще более низкую, чем скорость вала 1.

Рис 14Рис. 14. Конструкция высокоскоростной подшипниковой опоры.

    Подшипники качения, несмотря на высокую точность изготовления колец и тел качения, обладают определенными погрешностями, которые в значительной степени определяют перекос оси (непараллельность к базовой плоскости или оси), а также радиальное и торцевое биение вала и установленных на нем деталей. Основными видами погрешности изготовления деталей подшипника, оказывающими влияние на точность установки вала являются:

Рис 14А          Все перечисленные величины являются отклонением расположения поверхностей деталей подшипника и нормируются в зависимости от типоразмера и класса точности подшипника ГОСТ 520 – 2002.
Радиальное биение наружных колец подшипников приводит к перекосу (непараллельности) оси вала, а радиальное биение внутренних колец подшипников приводит к радиальному биению вала, который при этом вращается относительно оси, перекос которой вызван радиальным биением наружных колец подшипников.
На осевое биение торца вала, или установленных на нем деталей, влияет радиальное биение внутренних колец подшипников и осевое биение подшипников.
Рис 15

Рис. 15 Размерная цепь β, определяющая непараллельность боковой поверхности зубьев в передаче

       На Рис. 15 показана цилиндрическая зубчатая передача и размерная цепь β, определяющая непараллельность боковых поверхностей зубьев в передаче и соответственно пятно их контакта. Определим, какое влияние на непараллельность боковых поверхностей зубьев оказывает радиальное биение наружных колец подшипников, вызывающее непараллельность осей валов β3, β5. Исходные данные для расчета приведены в таб. 3
Таблица 3

Рис 15Б      Величина перекоса осей валов на ширине зубчатого колеса Δβ, вызванного радиальным биением наружных колец опорных подшипников, учитывая его векторную величину, определяется следующим образом:

Рис 15А        При этом, допуск параллельности осей зубчатых колес шириной 40 – 100 мм, для 8(й) степени точности передачи, обеспечивающий пятно контакта по длине зуба не менее 40%, составляет fx = 0,025 мм. Сравнение этих двух величин говорит о том, что полученный перекос осей валов Δβ, вызванный радиальным биением наружных колец подшипников, уже превышает допустимую величину непараллельности осей зубчатых колес и следовательно требуемое пятно контакта в передаче получено не будет. Для уменьшения величины перекоса осей валов применим подшипники 6(го) класса точности, при котором Kea = 0,025 мм,             Кea = 0,035 мм. Тогда Δβ = 0,0185 мм.
Применение подшипников более высокого класса позволило существенно уменьшить величину перекоса осей зубчатых колес Δβ, но целесообразность такой замены, особенно если учесть, что стоимость подшипника 6(го) класса точности существенно выше, чем стоимость подшипника 0(го) класса точности, можно определить только после расчета величины исходного – замыкающего звена размерной цепи β. При этом также, необходимо иметь в виду, что требуемая величина пятна контакта в передаче обычно обеспечивается прикаткой зубчатых колес в сборе.
Рис 16Рис. 16. Размерная цепь R, определяющая
радиальное биение шкива в сборе.

         На Рис. 16 показана размерная цепь, определяющая влияние точности изготовления и сборки деталей на радиальное биение шкива в сборе – , в которой звено R1, определяет влияние радиального биения внутренних колец опорных подшипников вала, на котором установлен шкив. Определим, какую величину дополнительного радиального биения шкива вносят внутренние кольца опорных подшипников вала. Исходные данные для расчета приведены в таб. 4.

Рис 16А        Величина дополнительного радиального биения шкива ΔR, вносимая внутренними кольцами опорных подшипников вала, учитывая их векторный характер, определится следующим образом:Рис 16Б     Согласно ГОСТ 20898 – 88 радиальное биение наружной поверхности шкива назначается по 9 степени точности ГОСТ24643 – 81, которое для шкива с наружным диаметром 250 мм составит 0,12 мм. Сравнение этих двух величин, говорит о том, что при данной схеме установки шкива на валу радиальное биение внутренних колец опорных подшипников, даже при их 0(ом) классе точности, оказывает незначительное влияние на величину радиального биения шкива в сборе.

Рис 17Рис. 17. Размерная цеп Р, определяющая
торцевое биение шкива в сборе.

          На Рис. 17 показана размерная цепь P, определяющая влияние точности изготовления и сборки деталей на торцевое биение шкива в сборе , включающая звено P3, которое определяет влияние осевого биения опорных подшипников вала, на котором установлен шкив. Определим, какую величину дополнительного торцевого биения шкива вносит осевое биение опорных подшипников вала, учитывая, что осевое биение подшипника ΔS складывается из осевого биения наружного кольца Sea, и осевого биения внутреннего кольца Sia, которые являются векторными величинами и суммировать их нужно вероятностным методом с передаточным отношением ξ = 1. Кроме того при такой схеме установки вала, а это наиболее распространенная схема, осевое биение обоих подшипников суммироваться не может, а оказывать влияние на торцевое биение шкива, будет осевое биение большего по типоразмеру подшипника. Поскольку в данном случае в обоих опорах вала использованы одинаковые подшипники, то и осевое биение у них будет одинаковым. Исходные данные для расчета приведены в таб. 5

Рис 17АРасчет осевого биения подшипника выполняется по следующей формуле:

Рис 16В        Кроме того, в соответствии с размерной цепью P, на торцевое биение шкива влияет звено P1, которое определяет влияние радиального биения внутренних колец опорных подшипников. Исходные данные для расчета влияния радиального биения внутренних колец подшипников приведены в таб. 6

Рис 17Б      Расчет влияния радиального биения внутренних колец подшипников на торцевое биение шкива, учитывая их векторный характер, осуществляется по следующей формуле:Рис 17В     Суммарное влияние радиального биения внутренних колец подшипников и осевого биения подшипников в сборе на торцевое биение шкива определится по следующей формуле: Рис 17Г        Согласно ГОСТ20898 – 88 торцевое биение обода шкива назначается по 10 степени точности ГОСТ24643 – 81, которое для шкива с наружным диаметром 250 мм составит 0,16 мм. Сравнение этих двух величин, говорит о том, что при данной схеме установки шкива на валу осевое биение опорных подшипников, даже при их 0(ом) классе точности, оказывает незначительное влияние на величину торцевого биения шкива в сборе. Суммарная величина торцевого биения шкива в сборе определяется на основании расчета размерной цепи Р.

Посадки подшипников качения

        Классы точности подшипников нормируются ГОСТ 520-2002 и определяют предельные отклонения размеров подшипников. Для шариковых и роликовых радиальных и шариковых радиально – упорных подшипников стандарт устанавливает следующие классы точности: 8, 7, нормальный (0), 6, 5, 4, Т, 2. Для роликовых конических подшипников стандарт устанавливает следующие классы точности:8, 7, нормальный (0), 6Х, 5, 4, 2. В зависимости от наличия требований по уровню вибрации и других требований стандарт предусматривает три категории подшипников: А, В, С. К категории А относятся подшип-ники классов точности: 5, 4, Т, 2, к категории В относятся подшипники классов точности: 0, 6Х, 6, 5, к категории С относятся подшипники классов точности: 8, 7, 0, 6, к которым не предъявляются дополнительные требования, установленные для подшипников категорий А и В.        В зависимости от классов точности подшипников ГОСТ 520-2002 устанавливает следующие требования к размерам подшипников:
– допуски на наружный и внутренний диаметры подшипника,
– шераховатость наружной и внутренней цилиндрической поверхности и торца подшипников,
– неперпендикулярность торцев наружного и внутреннего колец подшипников со-ответствующему отверстию,
– радиальное и осевое биение наружного и внутреннего колец подшипников,
– допуски на ширину наружного и внутреннего колец подшипников,
– допуски на монтажную высоту роликовых конических подшипников,
– торцевое биение гаек для крепления подшипников на валу.
Поля допусков посадок подшипников классов точности 0, 6, 5, 4, 2 установлены ГОСТ 3325-85. На Рис 18 показана схема расположения рекомендуемых полей допусков вала относительно поля допуска отверстия внутреннего кольца подшипника и полей до-пусков отверстия в корпусе относительно наружной поверхности наружного кольца подшипников, для наиболее часто применяемых классов точности подшипников 0 и 6.

Рис 18Рис. 18 Схема расположения рекомендуемых полей допусков вала и отверстия в корпусе по отношению к полям допуска внутреннего
и наружного колец подшипников 0 и 6 класса точности

       При выборе поля допуска вала на который устанавливается внутреннее кольцо подшипника и отверстия в корпусе в которое устанавливается наружное кольцо подшипника необходимо учитывать:
– геометрические размеры, класс точности и тип подшипника,
– схему установки подшипника и вид нагружения его колец,
– режим работы подшипника

Рис 19Рис. 19. Виды нагружения колец подшипников

     Существуют три схемы нагружения колец подшипника: местное, циркуляционное и колебательное. Местное нагружение имеет место когда кольцо воспринимает радиальную нагрузку Р, постоянную по направлению, только частью дорожки качения (см. Рис 19а). Циркуляционное нагружение имеет место когда кольцо воспринимает нагрузку Р последовательно всей окружностью дорожки качения и передает ее всей посадочной поверхности вала или корпуса (см. Рис.19б). Колебательное нагружение имеет место когда кольцо воспринимает ограниченным участком окружности дорожки качения равнодействующую двух нагрузок, одна постоянная по направлению и величине P и вторая меньшая по величине и переменная по направлению (вращающаяся) P1, и передает ее соответствующему ограниченному участку посадочной поверхности вала или корпуса (см. Рис. 19в).
Интенсивность режима работы подшипникового узла, критерием которой является соотношение динамической эквивалентной нагрузки Р и динамической грузоподъемности подшипника С, т.е. P⁄C, определяются согласно ГОСТ 18855-94. (при легком режим P⁄C ≤ 0,07, при нормальном режиме 0,07 – P⁄C ≤ 0,15, при тяжелом режиме P⁄C  больше 0,015).
Существую три типовые схемы установки подшипников (см. Рис. 20), которые отличаются тем, какое из колец внутреннее, или наружное вращается, и какие, при этом, нагрузки они воспринимают.

Рис 20Рис. 20 Типы посадок в зависимости от схемы работы подшипников

       Первая схема работы подшипников (см. Рис 20а). При такой схеме внутренние кольца подшипника вращаются вместе с валом, а наружные, установленные в корпусе, неподвижны. При этом внутренние кольца подшипника испытывают циркуляционное нагружение (см. Рис. 19а), поскольку воспринимают радиальную нагрузку всей дорожкой качения, а наружные кольца испытывают местное нагружение (см. Рис. 19а), поскольку воспринимают радиальную нагрузку только ограниченным участком дорожки качения. В этом случае, при нормальном режиме работы подшипниковой опоры и 0 классе точности подшипников рекомендуется на вал назначать посадку k6, а на отверстие корпуса H7.
Вторая схема работы подшипников (см. Рис. 20б). При такой схеме внутренние кольца подшипников неподвижно установлены на оси и не вращаются, а наружные кольца вращаются вместе с зубчатым колесом. При этом внутреннее кольцо подшипника испытывает местное нагружение (см. Рис. 19б) поскольку воспринимает радиальную нагрузку только участком дорожки качения, а наружное кольцо испытывает циркуляционное нагружение (см. Рис. 19б), поскольку воспринимает радиальную нагрузку всей дорожкой качения. В этом случае, при нормальном режиме работы подшипниковой опоры и 0 классе точности подшипников рекомендуется на вал назначать посадку g6, а на отверстие корпуса M7.
       Третья схема работы подшипников (см. Рис 20в) При такой схеме оба кольца радиального двухрядного сферического шарикоподшипника вращаются внутреннее кольцо с повышенной угловой скоростью вместе с ведущим валом, а наружное с пониженной скоростью вместе с ведомым валом привода. При этом внутреннее кольцо испытывает циркуляционное нагружение (см. Рис. 19в), поскольку воспринимает радиальную нагрузку от ведущего вала всей дорожкой качения, а наружное кольцо испытывает колебательное нагружение (см. Рис. 19в), поскольку воспринимает суммарную радиальную нагрузку от обеих валов ограниченным участком дорожки качения. В этом случае, при нормальном режиме работы подшипниковой опоры и 0 классе точности подшипников рекомендуется на вал назначать посадку k6, а на отверстие корпуса js7.
Рекомендуемые типы посадок подшипников на вал и в отверстие корпуса в зависимости от вида нагружения и режима работы приведены в таб. 7, 8 соответственно.

Рис 20АРис 20Б     Назначение посадки зависит также и от типа подшипника. На Рис 21 показаны посадки упорных и игольчатых подшипников. Тугое кольцо упорного шарикового и роликового подшипников рекомендуется устанавливать на вал по посадке js6 (см. Рис. 21а)Рис 21Рис. 21 Посадки упорных и игольчатых подшипников

        Игольчатые подшипники с массивными кольцами устанавливаются на вал и в отверстие корпуса с теми же посадками, что и радиальные подшипники (см. Рис. 21б). Для игольчатых подшипников со штампованными тонкостенными корпусами посадку в отверстие корпуса рекомендуется устанавливать по посадке js6 или k6, а посадку на вал при вращательном движении подшипника по H7, при статической и колебательной нагрузке по k6.
На Рис. 22 показан чертеж вала с указанием посадок его поверхностей под установку подшипников качения.Рис 22

Расчет подшипников качения

       Согласно ГОСТ18855-94 расчет подшипников выполняется по критерию долговечности L (млн. оборотов) по следующей расчетной формуле:

Рис 22АДолговечность подшипника в часах определяется по следующей формуле: Рис 22БЭквивалентная динамическая нагрузка Р, определяется по следующей формуле:Рис 22В     После расчета нагрузок, действующих на опоры вала, для последующего выбора типоразмера подшипников и выполнения компоновки подшипниковой опоры и привода (редуктора) в целом, выполняется расчет эквивалентной статической нагрузки на подшипники.
Для шариковых радиальных и радиально – упорных, роликовых радиально – упорных подшипников эквивалентная статическая нагрузка P0 рассчитывается по следующей формуле:Рис 22Д

P0 определяется, как наибольшая из приведенных равенств.
Для упорных и упорно – радиальных шариковых и роликовых подшипников эквивалентная статическая нагрузка рассчитывается по следующей формуле:

Рис 22ЕДля роликовых подшипников с а = 0;

Рис 22КДля роликовых и шариковых подшипников с а = 90 град.Рис 22ЖДля радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников должно обеспечиваться условие: Рис 22И

Конструкция подшипниковых опор.

          Однако не всегда возможно расчетным путем определить влияние всех рассмотренных факторов на работоспособность подшипниковой опоры, поскольку процесс работы подшипника достаточно сложен, но на сегодня в различных областях техники создано и проверено на практике большое количество конструкций подшипниковых опор, работающих в конкретных условиях эксплуатации, которые целесообразно применять и при новом проектировании. Рассмотрим конструктивные схемы подшипниковых узлов, наиболее часто применяемые в приводах.
Наиболее простая и часто применяемая конструкция подшипниковых опор среднескоростного (wв ≈ wпод.max/2) вала небольшой длины (l ≤ 5d), не испытывающего существенных осевых нагрузок, показана на Рис 23а.

Рис 23Рис. 23. Способы фиксации колец подшипников в корпусе и на валу

          Эта схема подшипникового узла предусматривает осевую фиксацию вала за счет распора крышками наружных колец шарикоподшипников, в этом случае, не требуется фиксация внутренних колец подшипников на валу. Но если вал имеет коническое посадочное место под подшипник, то фиксация внутреннего кольца подшипника необходима (см. Рис 23в). При наличии осевых нагрузок на валу и значительной длине вала (l > 5d) применяется схема подшипникового узла, предусматривающая наличие зазора между торцами наружного кольца одного из подшипников и его крышки (см. Рис. 23б). Способ крепления внутреннего кольца подшипника на валу зависит от величины осевого усилия и скорости вращения вала. При средней скорости вращения вала и небольшой осевой нагрузке применяются стопорные кольца по ГОСТ13940-68 и ГОСТ13941-68 (см. Рис 24а). Если на подшипник действуют значительные осевые нагрузки, то при средней скорости вращения вала применяют торцевые шайбы по ГОСТ 14734-69 (см. Рис 24в), а при значительных скоростях гайки по ГОСТ11871-73 (см. Рис 24б).

Рис 24Рис. 24 Способы фиксации внутреннего кольца подшипника в
зависимости от скорости вращения вала

     При необходимости осевого перемещения опоры, например для самоустановки шевронных колес или компенсации температурных удлиннений вала, наружные кольца радиальных шарикоподшипников в осевом направлении не фиксируются (см. Рис 25а). Но при использовании цилиндрических роликоподшипников, в которых осевые смещения могут иметь место между роликами и кольцами, закрепление наружного кольца в обоих направлениях обязательно (см. Рис 25б). Если опора должна ограничивать осевое перемещение вала, крепление наружного кольца подшипника обязательно, даже при отсутствии осевых сил. В этом случае крепление наружного кольца может осуществляться как односторонне обоих подшипников(см. Рис 25в), так и двухсторонне одного, при плавающем другом. (см. Рис 25г).

Рис 25 Рис. 25. Способы фиксации подшипников зависимости от наличия осевого перемещения вала в процессе работы

      В шариковых и роликовых радиально – упорных подшипниках регулировка осевой игры может осуществляться за счет использования комплекта мерных прокладок, устанавливаемых между крышкой и наружным кольцом подшипника (см. Рис 26а, в), или по-средствам установки на вал регулировочной гайки, которая своим торцем упирается во внутреннее кольцо подшипника (см. Рис 26б, г). Такие способы регулировки осевой игры применяется при небольшой длине вала, невысокой скорости вращения и отсутствии его температурного удлинения.

Рис 26Рис. 26. Способы регулировки осевой игры в подшипниках при небольшой длине вала

          В шариковых и роликовых радиально – упорных подшипниках с одной фиксируемой и одной плавающей опорой регулировка осевой игры достигается перемещением наружных колец подшипников (см. Рис 27а, в) или перемещением внутреннего кольца подшипника (см. Рис 27б, г), такие способы могут использоваться без ограничения длины вала и величины его температурного удлинения. Рис 27

Рис. 27. Способы регулировки осевой игры в подшипниках при большой длине вала

         При больших односторонних осевых нагрузках и средних скоростях вращения вала применяется комбинация сдвоенного комплекта шариковых радиально – упорных подшипников, установленных в одной его опоре и роликового радиально – упорного подшипника, установленного в другой (см. Рис 28а). В качестве опор вала привода имеющего значительную длину и работающего с большими скоростями и двусторонними осевыми нагрузками устанавливаются комплекты шариковых радиально – упорных подшипников предварительный натяг в которых обеспечивается за счет установки между наружными и внутренними кольцами подшипников мерных прокладок (см. Рис 28б). или подогнанных в размер колец

Рис 28Рис. 28. Варианты конструкции опор валов выполненных на основе радиально – упорных подшипников в зависимости от длины вала

          При небольших скоростях вращения вала и значительных двусторонних осевых нагрузках в качестве опоры вала применяется подшипниковый узел представляющий комбинацию радиального и двойного упорного шарикоподшипников (см. Рис 29а). При этом осевые зазоры в упорном подшипнике регулируются прокладками, а радиальный подшипник, имея свободу в осевом направлении, самоустанавливается. При необходимости регулировки осевого положения вала, на котором например установлено коническое зубчатое колесо или червяк, передающие валу радиальную и осевую нагрузку, его опоры выполняются как показано на Рис 29б. При этом одна опора вала содержит радиальный шарикоподшипник и комплект из двух упорных шарикоподшипников, расположенных в стакане, осевое положение которого регулируется посредствам прокладок, а вторая опора выполнена на основе радиального шарикоподшипника. Наружные кольца обеих радиальных шарикоподшипников выполнены плавающими.На Рис 29в показана конструкция опор вала воспринимающего, помимо радиальных нагрузок от установленных на нем зубчатых колес, еще осевые нагрузки от конического зубчатого колеса, установленного на его правом конце, которые воспринимают шариковые радиально упорные подшипники его левой опоры. Этот комплект радиально – упорных подшипников, также как и в рассмотренном ранее варианте, установлен в отдельном стакане, осевое положение которого регулируется распорными и стопорными болтами, что позволяет достаточно просто регулировать величину бокового зазора в конической передаче, при этом правый опорных подшипник вала выполнен плавающим.

Рис 29Рис. 29. Конструкция подшипниковых опор валов воспринимающих осевых нагрузках

       Опора медленно вращающегося вала воспринимающая помимо радиальной, значительную осевую нагрузку в одном направлении и намного меньшую в другом выполняется в виде подшипникового узла, содержащего комбинацию конического роликоподшипника, упорного шарикоподшипника и радиального двурядного сферического роликоподшипника (см. Рис 30а). При этом, осевой зазор в упорном подшипнике регулируется гайкой, в коническом подшипнике прокладками, а радиальный сферический роликоподшипник, имея свободу в осевом направлении самоустанавливается. На Рис 30б показана конструкция тихоходного тяжело нагруженного вала имеющего значительную длину, опоры которого выполнены на основе шариковых двурядных сферических подшипников, воспринимающих помимо радиальных нагрузок от цепных передач, нагрузки, возникающие при изгибе вала. При этом, ввиду значительной длины вала для компенсации погрешности его линейных размеров правый подшипник выполнен плавающим.

Рис 30Рис 30 Конструкция подшипниковых опор валов со сферическими подшипниками

      В качестве опор длинных среднескоростных валов испытывающих значительные радиальные и осевые нагрузки применяются подшипниковые узлы, один из которых содержит радиальный роликоподшипник, а другой сдвоенный конический роликоподшипник (см. Рис 31а). При этом на правую опору вала, выполненную на основе радиально – упорного конического двухрядного подшипника вала действуют гораздо большие радиальные и осевые нагрузки, а радиальный роликоподшипник за счет смещения наружного кольца относительно внутреннего может самоустанавливаться, компенсируя, тем самым, неточности изготовления вала по длине и его температурные деформации при работе привода. На Рис 31б показан шпиндель подрезного устройства, подшипниковые опоры которого имеют конструкцию аналогичную рассмотренной ранее. Его вал 1, на правой консоли которого установлена резцовая головка 3, а на левой – приводной шкив 2 расположен в корпусе 4 на двух порах, при этом его правая опора выполнена на основе радиально – упорного конического двухрядного подшипника 5, а левая на основе двухрядного сферического роликоподшипника 6, наружное кольцо которого имеет возможность самоустановки в осевом направлении.

Рис 31Рис 31 Конструкции подшипниковых опор вала воспринимающие различные по величине радиальные и осевые нагрузки

      В тяжело нагруженных опорах валов имеющих большую длину применяется установка двухрядных и четырехрядных конических роликоподшипников, наружные кольца которых устанавливаются в плавающем в осевом направлении корпусе, зафиксированном в станине от проворота шпонкой (см. Рис 32а). Конические роликоподшинники применяются в передних мостах автомобилей для установки ступицы колеса, на цапфе поворотного кулака, работая при этом в широком спектре скоростей вращения и воспринимая разнонаправленные ударные нагрузки (см. Рис 32б)

Рис 32Рис. 32. Подшипники тяжело нагруженных опор валов

         В таких же тяжелых условиях работают конические роликоподшипники в редукторе заднего моста грузового автомобиля (см. Рис 33). При этом, одна опора ведущего вала – шестерни 1, выполненная на основе комплекта радиально – упорных роликоподшипников 3 установлена в стакане 2, регулировка осевого положения которого позволяет получить необходимый боковой зазор в конической передаче, а вторая его опора выполнена на основе радиального роликоподшипника 4, установленного в корпусе редуктора 5 с возможностью самоустановки в осевом направлении. Цапфы сборного конического зубчатого колеса 6 установлены в корпусе редуктора 5 на радиально – упорных конических роликоподшипниках 7, а требуемая величина осевой игры (натяга) в них обеспечивается за счет регулировки положения резьбовых колец 8.

Рис 33Рис. 33. Подшипники редуктора заднего моста автомобиля

          При использовании в качестве опор длинных многоопорных валов, устанавливаемых в отдельных корпусах шариковых, радиальных, сферических подшипников (см. Рис 34), необходимо помнить, что они могут за счет возможности самоустановки долговечно работать при перекосе вала не более, чем на 2-3 град.
При этом, соосность корпусов в которых устанавливаются подшипники такого вала должна регулироваться в двух координатах (по вертикали за счет прокладок, по горизонтали за счет пазов в крепежных отверстиях корпусов).

Рис 34Рис. 34. Конструкция подшипниковых опор длинных валов, выполненных на основе шариковых радиальных сферических подшипников

        При создании конструкции компактного привода, содержащего соосные валы возникает необходимость одну из опор ведущего вала встроить в расточку ведомого вала (см. Рис 35). При этом, правая опора ведущего вала 1, воспринимающая основную часть радиальных и осевых нагрузок, выполнена в виде подшипникового узла состоящего из двух конических радиально упорных роликоподшипников 2, установленных в стакане 3 с возможностью регулировки осевой игры за счет подбора комплекта мерных прокладок 4, устанавливаемых под крышку 5, а левая опора вала 1 содержит сферический шариковый радиальный двурядный подшипник 6, установленный в расточке ведомого вала 7 с возможностью самоустановки в осевом направлении. Ведомый вал 7 привода установлен на двух опорах размещенных в сборном стакане 8, при этом, наиболее нагруженная правая опора по конструкции аналогична соответствующей опоре ведущего вала 1 и содержит два конических радиально упорных роликоподшипника 9, а левая – радиальный шарикоподшипник 10, имеющий возможность самоустановки в осевом направлении.

Рис 35Рис. 35. Конструкция подшипниковой опоры ведущего вала встроенной в расточку ведомого вала

           При проектировании привода, в котором вал занимает вертикальное положение и при работе воспринимает большие осевые нагрузки, а также имеет значительный изгиб за счет воздействия радиальных нагрузок, применяют конструкцию опор, показанную на Рис 36а. При этом нижняя наиболее нагруженная опора вала содержит шариковый радиальный двурядный сферический подшипник, который позволяет компенсировать перекосы вала и шариковый упорный подшипник, воспринимающий осевые нагрузки, под нижнее кольцо которого устанавливается мягкая прокладка, также компенсирующая прекос вала. Верхняя опора вала содержит шариковый радиальный двурядный сферический подшипник имеющий возможность самоустановки в осевом направлении.
На Рис 36б показана конструкция подшипниковых опор вертикально расположенного вала, при котором они расположены в одном корпусе, что исключает перекос посадочных мест вала и позволяет использовать более дешевые типы подшипников в обоих опорах. В этом случае вместо двух шариковых радиальных двурядных сферических подшипников установлены: в верхней опоре радиальный роликоподшипник, а в нижней опоре – радиальный и упорный шарикоподшипники, при этом радиальный шарикоподшипник имеет возможность самоустановки в осевом направлении.
На Рис 36в показана конструкция вертикального трехопорного вала транспортного ротора в сборе. Он содержит вал 1, на котором посредствам штифтов закреплен двухдисковый барабан 2, с отверстиями, выполненными по окружности, в которых устанавливаются стаканы с расположенным в них комплектом сборочных блоков автомата, а также зубчатые колеса 3 и 4. Вал 1 установлен в расточках сборного корпуса 5 ротора на трех подшипниковых опорах, при этом, его верхняя и нижняя опоры выполнена на основе радиального шарикоподшипника 6 и воспринимают в основном радиальные нагрузки, а третья дополнительная опора помимо радиального шарикового подшипника 6, также установленного в корпусе 5, содержит упорный подшипник 10, установленный в буксе 7. На буксе 7 закрепленной на корпусе 5 установлены торцевой кулачок 8 и радиальный кулачок 9, при этом, взаимодействующие с ними толкатели (на Рис 33 не показаны) передают на вал 1 соответственно осевые и радиальные нагрузки, которые компенсируются этой опорой, выполненной на основе радиального и упорного подшипников 6 и 10.

Рис 36Рис 36 Конструкция подшипниковых опор вертикально расположенных валов

      Достаточно жесткие требования к подшипниковым опорам предъявляются при проектировании шпинделей металлообрабатывающих станков. Это связано с тем, что шпиндели помимо восприятия значительных технологических нагрузок как радиального, так и осевого направления работают в условиях очень высоких скоростей вращения и при этом должны обеспечивать высокую точность вращения (базовые поверхности шпинделя должны иметь минимальное радиальное и торцевое биение). Поэтому в конструкции подшипниковых узлов опор шпинделей используют подшипники высокого класса точности с минимальной величиной радиального и осевого биения, как правило, специальной конструкции, предусматривающей наличие устройств для регулировки в подшипниках осевой игры и создания предварительного натяга, как при сборке станка, так и при его эксплуатации. Для восприятия радиальных нагрузок особенно в передних опорах шпинделей применяют двурядные подшипники с цилиндрическими роликами серии 3182100 , которые устанавливаются на конусную шейку шпинделя (см. Рис 37б). Регулирование радиального зазора в этих подшипниках осуществляется за счет осевого перемещения внутренних колец относительно конусной шейки вала с помощью резьбовых колец, установленных с одной или двух сторон подшипника. При ограниченных диаметральных размерах опор используют подшипники типа 4162900, отличающиеся от подшипников 3182100 тем, что они относятся к более легкой серии и имеют борта не на внутреннем, а на наружном кольце (см. Рис 37а). Рис 37

Рис. 37. Схемы установки в опоре шпинделя двурядного подшипника с цилиндрическими роликами

         Другие требования предъявляются к подшипникам, применяемым в опорах тяжело нагруженных валов, например валков прокатного стана, которые работают в условиях средних по величине скоростей и больших динамических нагрузок, которые требуют от подшипников помимо большой нагрузочной способности еще и ограниченных радиальных и осевых габаритных размеров. Конструкция опоры валка прокатного стана выполненная на основе четырехрядного конического роликоподшипника показана на Рис 38а. Опора прокатного валка содержит подшипник 1, установленный для облегчения демонтажа при текущем ремонте на шейку вала 2 с зазором, гайку 3 для крепления подшипника 1 на валу 2, установленную на комплекте их двух полуколец 4, шпонку 5, болт 6 и штифт 7 фиксирующих детали крепления от самооткручивания, подушки 8, втулки 9 и галтельное кольцо 10. Однако основным недостатком установки подшипника на вал с зазором является износ сопряженных поверхностей (шейки вала и посадочной поверхности внутреннего кольца подшипника). Для уменьшения интенсивности износа применяются различные приемы, но наиболее эффективным для этого является применение подшипников с конусным посадочным отверстием во внутреннем кольце (см. Рис 38б). При этом повышается жесткость опоры валка и улучшается удобство демонтажа опоры. Рис 38

Рис. 38. Подшипниковые опоры прокатных валков

          На Рис 39 показана конструкция трехопорного, распределительного вала многопозиционного холодно – высадочного автомата работающего в динамическом режиме. Он содержит вал 1, на котором расположены ведущее 2 и ведомое 3 конические зубчатые колеса, кулачок привода механизма реза 4 и кулачок привода механизма переноса 5, которые крепятся на нем посредствам шпонок. Для осуществления возможности регулировки осевого зазора в конических передачах их зубчатые колеса 2 и 3 установлены на валу с использованием разъемных регулировочных колец 6. Для исключения большого прогиба вала и уменьшения его диаметра он снабжен третьей опорой, расположенной в его средней части. Эта опора, выполненная на базе двух роликовых конических подшипников 7, воспринимает основную часть радиальной нагрузки от кулачка 4 привода механизма реза и кулачка 5 привода механизма переноса, а также осевую нагрузку от усилий в конических передачах. Правая и левая шейки вала 1 установлены на подшипниковых опорах с использованием роликового радиального двухрядного сферического подшипника 8. Все три подшипниковые опоры вала установлены в расточке станины посредствам корпусов 9, 10, причем оба радиальных двурядных сферических подшипника 8 левой и правой опоры вала установлены в корпусе с осевым зазором для компенсации погрешности изготовления линейных размеров вала и его температурных изменений в процессе эксплуатации.

Рис 39Рис. 39. Распределительный вал многопозиционного
холодно – высадочного автомата

         Благодаря минимальным радиальным габаритам и возможности надежно работать при значительных радиальных нагрузках широкое применение в конструкциях малонагруженных приводов находят игольчатые подшипники. Применение различных серий игольчатых подшипников в подшипниковых опорах различного назначения показано на Рис 40 а, б, в, г, д, е. Рис 40

Рис 40 Конструкция подшипниковых опор на основе игольчатых подшипников

     В различных типах технологического оборудования вращение ведущему валу привода сообщается посредствам шкива или маховика, который устанавливается на подшипниках качения и соединяется с валом для передачи крутящего момента с помощью фланца или муфты включения (см. Рис. 41). При этом на вал передаются значительные радиальные нагрузки имеющие место в ременной передаче. На Рис 41а показана конструкция подшипниковой опоры шкива позволяющая разгрузить вал от радиальных нагрузок. Она включает шкив 5, установленный посредствам радиальных шарикоподшипников 6 на разгрузочной буксе 7, закрепленной посредствам болтов на станине 3, при этом крутящий момент от шкива к ведущему валу 1 привода передается посредствам фланца 4. В данном случае назначение посадок подшипников производится с учетом того, что их наружные кольца вращаются, а внутренние неподвижны (см. Рис. 20б). На Рис 41б показана        конструкция подшипниковой опоры маховика, позволяющая снизить радиальные нагрузки на ведущий вал привода за счет его установки не между опорами этого вала. Она включает маховик 5 установленный на ведущем валу 1 посредствам подшипников 6, при этом вал 1 на подшипниках 2 и 3 установлен в сборном корпусе привода (на. Рис. 41б муфта включения, соединяющая маховик 5 в ведущим валом 1 не показана). На Рис 41в показана конструкция подшипниковой опоры маховика, позволяющая разгрузить вал от радиальных нагрузок за счет установки его ступицы на подшипниках расположенных в расточке корпуса привода. Она включает вал 1, установленный на подшипниках 4 и 5 в корпусе привода 7, соединенный посредствам шлицевого соединения с маховиком 3, при этом, ступица последнего на подшипниках 6 установлена в расточке корпуса привода 7.Рис 41

Рис. 41 Варианты конструкции подшипниковых опор шкивов и маховиков, сообщающих вращение ведущему валу привода

Сборка опор с подшипниками качения

           Долговечность работы подшипников в значительной степени определяется правильностью их монтажа на валу и в корпусе при сборке привода (редуктора) и выполнением при этом, всех технических требований сборочного чертежа в части натягов и зазоров в посадках осевого зазора в подшипниках, а также перекоса колец подшипников. Наиболее сложным и трудоемким процессом при сборке подшипникового узла является запрессовка внутренних колец подшипников, качество которой в значительной степени зависит от точности (овальности и конусообразности) и шероховатости посадочного места под подшипник на валу. Перед напрессовыванием подшипника на вал его тщательно промывают в 6% растворе масла, в бензине или горячих (t = 75° – 85°) антикоррозионных водных растворах с целью удаления смазки, которая была нанесена при консервации. Затем промытый подшипник нагревают в масляной ванне при температуре 60° – 100° в течении 15 – 20 мин, после чего напрессовывают на вал. Операция запрессовки должна проводиться только с применением оправок, при этом осевые силы, требуемые для установки подшипников должны прикладываться только к тому кольцу, которое при выполнении запрессовки контактирует с ответной деталью (с валом или корпусом).

Рис 42Рис. 42. Оправки для запрессовки
подшипников на вал.

     Варианты конструкции оправок для запрессовки подшипников на вал показаны на Рис. 42. На Рис. 42а показан способ запрессовки подшипника 4 на вал 3, который в данном случае выполняет функцию оправки, при этом подшипник 4 установлен на подставку 2, выполненную в виде диска с отверстием и кольцевым буртом, в который упирается внутреннее кольцо подшипника, при этом усилие прикладывается через проставку 1. На Рис. 42б показана конструкция сборной оправки для запрессовки наружного кольца подшипника 4 в корпусную деталь 3, которая состоит из центрирующей оправки 2 и наставки 1, нижний фланец которой упирается в наружное кольцо подшипника. На Рис. 42в показана конструкция оправки для одновременной запрессовки подшипника 4 на вал 3 и в корпус 5, при этом нижний фланец 2 оправки 1 одновременно контактирует с наружным и внутренним кольцами подшипника 4.

Рис 43Рис. 43. Конструкция приспособления для
запрессовки подшипника на вал,
имеющий резьбовой конец.

      Достаточно эффективно можно использовать для запрессовки подшипника резьбовой конец вала, на который он монтируется. Конструкция такого приспособления показана на Рис. 43. Оно содержит силовой винт 1, на котором установлена сменная головка 2 и гайка 3 с рукоятками, при этом винт 1 расположен внутри сварного стакана 4, на правом торце которого расположен упорный подшипник 5, закрепленный посредствам крышки 6 и контактирующий своим правым торцем с гайкой 3. Оба конца винта 1 снабжены квадратными хвостовиками, посредствам левого хвостовика а винт передает крутящий момент сменной головке 2, а посредствам правого хвостовика б вращается гаечным ключом при снятии головки 2 с резьбового конца вала 9, на который запрессовывается подшипник 8. Сменная гайка 2 фиксируется на хвостовике а винта 1 посредствам стопорного винта 7. Наличие в приспособлении упорного подшипника 5 позволяет снизить момент трения между торцем гайки 3 и стаканом 4.
Работает приспособление следующим образом. Пред установкой на вал 9 винт 1 посредствам гайки 3 выкручивается в крайнее левое положение, после чего установленная на его левом хвостовике сменная головка 2 накручивается на резьбовой хвостовик вала 9, на котором предварительно установлен подшипник 8. Затем вращением рукояток гайки 3 по часовой стрелке осуществляется перемещение влево стакана 4 до упора во внутреннее кольцо подшипника 8, а затем путем приложения потребного крутящего момента к гайке 3, упирающейся в упорный подшипник 5, осуществляется перемещение влево стакана 4 с усилием обеспечивающим запрессовку подшипника 8 до упора в бурт вала 9. После запрессовки подшипника 8 на вал 9 с помощью гаечного ключа одетого на хвостовик б винта 1 осуществляется его вращение против часовой стрелки, в результате чего, сменная головка 2 скручивается с резьбового конца вала 9, а затем все приспособление снимается с вала. Наличие в приспособлении сменных головок позволяет расширить область его использования.

Рис 45Рис. 44. Гидравлические приспособления для запрессовки
на вал подшипников больших типоразмеров

     Для запрессовки на валы подшипников больших типоразмеров используются гидравлические приспособления. Конструкция такого приспособления показана на Рис. 44. Для запрессовки подшипника 1 на вал 2 используется гидравлическая гайка 5, которая накручена на резьбовой конец вала 2 и закреплена на нем посредствам торцевой центрирующей шайбы 3 и болта 4. (см. Рис. 44а). Гидравлическая гайка 2 снабжена поршнем, перемещающим при подаче масла под давлением напрессовываемый подшипник вдоль посадочной поверхности вала 2 до упора в бурт. Для снижения усилия запрессовки при установке подшипника 1 на вал 2 между сопрягаемыми поверхностями подается масло под давлением (см. Рис. 44б). При этом диаметр заходной части посадочного места вала 2 под установку подшипника занижают для уменьшения натяга на 30 – 50%, что дает возможность резко снизить усилие запрессовки в начальный момент выполнения операции и позволяет упростить и повысить точность центрирования подшипника на валу. Масло между сопрягаемыми поверхностями вала 2 и подшипника 1 подается сначала по трубопроводу 3 и отверстию 4 в валу, а затем, когда подшипник 1 частично запрессован на вал 2 по трубопроводу 5 и отверстию 6. После установки подшипника на вал необходимо проверить плотность прилегания торца внутреннего кольца подшипника к упорному бурту вала, а также плавность вращения наружного кольца, оно должно быть равномерным и бесшумным.

Рис 46Рис. 45. Оправки для запрессовки наружного кольца подшипника в корпус

      Установку подшипника в корпус, если его наружное кольцо запрессовывают в отверстие, производят также, как и при монтаже подшипника на вал, только нагревают при этом корпус или охлаждают подшипник (чаще всего в жидком азоте). Сборку подшипника при этом также производят с помощью специальных оправок и приспособлений для запрессовки, обеспечивающих надежное базирование подшипника и исключающих их перекосы на валу во время запрессовки (см. Рис 45).

Рис 47Рис. 46. Схема контроля осевой игры подшипника

          При сборке подшипниковых опор точных приводов или валов, к радиальному и торцевому биению базовых поверхностей которых предъявляются повышенные требования, в подшипниках контролируют полученный после запрессовки радиальный и осевой зазор (осевую игру) как это показано на Рис 46.

Рис 48Рис. 47. Схема создания предварительного
натяга в подшипниках

        Зазоры в подшипнике и упругие деформации его элементов под действием рабочей нагрузки вызывают осевые и радиальные перемещения, которые при высоких скоростях вращения вала могут приводить к вибрациям, порождающим шум и вызывающим дополнительные динамические нагрузки на опоры вала и зубчатые передачи. Исключение зазоров в подшипниковых опорах вала может позволить повысить жесткость вала, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Достигается предварительный натяг в подшипниковых узлах за счет принудительного осевого смещения внутреннего и наружного колец подшипников. За счет создания в подшипниковой опоре предварительного натяга, осевая рабочая нагрузка, действующая в противоположном направлении уменьшает деформацию рабочих поверхностей колец подшипника и тел качения, уменьшает момент трения в подшипниках, повышает жесткость вала, поскольку зазоры в подшипниках устранены. Предварительный натяг создается в паре подшипников (подшипниковых опор) за счет подбора толщины прокладок или длины втулок распирающих кольца (см. Рис 47).

Рис 49Рис. 48. Приспособления для определения
длины распорных втулок

           Подбор длин распорных втулок осуществляется следующим образом. Если втулка, устанавливаемая между наружными кольцами подшипников, должна быть короче втулки между внутренними кольцами, то ее длину определяют, используя приспособление показанное на Рис 48а следующим образом. На оправку 1 по посадке, такой же как и на валу привода, где будут работать подшипники, монтируется комплект подшипников, на их наружные кольца устанавливаются нажимная 2 и опорная 3 крышки, также по рабочей посадке, после чего нажимная крышка 2 нагружается осевым усилием А0, величина которого должна быть не меньше рабочего осевого усилия действующего на подшипниковые опоры. При таком положении подшипников с точностью до сотых долей мм. замеряется расстояние l, соответствующее длине наружной распорной втулки, которая обеспечит необходимый натяг в подшипниковой опоре. Затем наружная распорная втулка дорабатывается (обычно методом шлифования) в размер l (l меньше l0) маркируется в комплекте со внутренней распорной втулкой и данной парой подшипников одним порядковым номером и применяются только совместно. Если более короткой должна быть внутренняя распорная втулка, то процесс определения ее длины выполняется аналогично на приспособлении, показанном на Рис 48б.

Рис 50Рис 49 Создание предварительного натяга в подшипниках путем подшлифовки колец

          Если необходимо создать предварительный натяг в подшипниковой опоре состоящей их двух радиально – упорных шариковых подшипников, устанавливаемых без прокладок между кольцами, то при этом вымеряют необходимую величину смещения колец и осуществляют их подшлифовку (см. Рис 49).

        При сборке ответственных узлов и механизмов, содержащих подшипниковые опоры, которые помимо точного вращения должны обеспечивать определенную величину момента трения, предъявляются повышенные требования не только к самим подшипникам, но и к регулировке осевого зазора между их кольцами и телами качения, т. е. к точности определения толщины компенсационных колец или регулировочных прокладок. Примером такого ответственного узла может служить вращающийся оптический клин сканирующего устройства, конструкция которого показана на Рис. 50.

Рис 51Рис. 50 Конструкция вращающегося
клина санирующего устройства.

         Он состоит из оправы 1 с установленным в ней оптическим клином 2, которая установлена в отверстии корпуса 3 на подшипниках 4 с возможностью вращения. При этом, внутренние кольца подшипников фиксируются в осевом направлении крышкой 5, а наружные кольца фиксируются в корпусе 3 крышкой 6. Кроме того для обеспечения требуемой величины осевого зазора в подшипниках 4 между их наружными кольцами устанавливаются компенсационные кольца 7, а между внутренними кольцами – компенсационные кольца 8. В данном случае для обеспечения требований по величине момента трения в подшипниках подбор толщины компенсационных колец устанавливаемых между ними осуществляется с учетом упругой деформации подшипников, при нагрузке, возникающей в процессе их работы, величина которой определяется с помощью приспособления показанного на Рис. 51.

Рис 52Рис. 51. Приспособление для определения толщины компенсационных колец устанавливаемых между подшипниками с учетом упругой деформации.

       Приспособление содержит корпус 1, на базовой плоскости которого закреплена букса 2, в центральном отверстии которой устанавливается клин 11 в сборе с подшипниками, фиксируемый в осевом направлении крышкой 3, при этом к верхнему торцу клина крепится крышка 4 с проушиной 5, а в его нижний торец упирается подпружиненный шток 8, находящийся в постоянном контакте с правым плечом двуплечего рычага 9, левое плечо которого пружиной штока 8 постоянно поджато к ножке индикатора часового типа 7. Кроме того, в верней части приспособления в направляющих 12 корпуса 1 установлена каретка 13 оснащенная зубчато – реечным приводом 10, поступательного перемещения и несущая динамометр 6.
Подбор толщины компенсационных колец с использованием приспособления осуществляется следующим образом. Сначала определяется предварительная
разница толщины прокладок с учетом исходного осевого зазора в комплекте подшипников. Для этого каждый подшипник устанавливается на измерительную
плиту 2 и его наружное кольцо смещается относительно внутреннего в осевом направлении в этом положении колец щупом производится замер исходного осевого зазора S в каждом подшипнике. Разница толщины компенсационных колец Δк определяется следующим образом: Δк = S1 + S_2 – 0,03 мм.

         Затем определяется упругая деформация обоих подшипников. Для этого клин в сборе с подшипниками устанавливается в приспособление и с помощью динамометра 6 нагружается действующим вниз усилием 0,5 ± 0,02кг необходимым для обеспечения стабильности контакта между телами качении и кольцами верхнего подшипника, при этом фиксируются показания индикатора 7 – Δив/. После этого с помощью динамометра 6 клин нагружается действующим вниз усилием 3,0 ± 0,05 кг (рабочее усилие, действующее на подшипники в осевом направлении) и фиксируются показания индикатора 7 – Δив//. Величина упругой деформации верхнего подшипника Δув определяется по разности показаний индикатора.          Δув = Δив// – Δив/

       Величина упругой деформации нижнего подшипника Δун определяется аналогичным образом с той лишь разницей, что усилие которым нагружается клин направлено вверх. Δун = Δин// – Δин/

        Величина упругой деформации нижнего подшипника Δун определяется аналогичным образом с той лишь разницей, что усилие которым нагружается клин направлено вверх. Δун = Δин// – Δин/

           Далее определяется величина остаточного осевого зазора в верхнем подшипнике клина. Для этого клин нагружается усилием 0,5 ± 0,02кг действующим вверх, увеличенным на величину веса клина в сборе, после чего стрелка индикатора 7 совмещается с нулевым делением его шкалы. Затем клин нагружается усилием 3,0 ± 0,05 кг, действующим вниз и в этом положении фиксируются показания индикатора 7 – Δин// После этого величина остаточного осевого зазора в верхнем подшипнике определяется следующим образом:         gосв = Δив//- Δув

       Величина остаточного осевого зазора в паре подшипников определяется следующим образом gос = (gосв+gосн )/2 – g(ос-ч), где g(ос-ч) – осевой люфт пары подшипников оговоренный в требованиях чертежа.
После этого внутреннее компенсационное кольцо 8 подшлифовывают на величину равную остаточному осевому зазору в паре подшипников – gос (первоначально комплект компенсационных колец имеет одинаковую толщину, выдержанную с точность не ниже 0,02 мм)

Продолжение статьи в части 2

ЛИТЕРАТУРА

1. Анурьев В.А. Справочник конструктора – машиностроителя, том 2. М.: Машиностроение 1979г.
2. Анухин В. И. Учебное пособие Допуски и посадки. Издательство Питер Санкт – Петербург 2008г.
3. Бейзельман Р. Д. Подшипники качения. М: Машиностроение 1975г.
4. Игнатьев Н. П. Основы проектирования, часть 2 Методика проектирования механизмов и систем Азов 2011г.
5. Игнатьев Н.П. Обеспечение точности при проектировании приводов и механизмов. Азов 2012г.
6. Игнатьев Н. П. Проектирование сборочной оснастки и оборудования Азов 2014г.

 

Статья написана на основе соответствующего раздела работы автора “Основы проектирования часть 2 Методика проектирования механизмов и систем” изданной в 20011г

 

Для приобретения полной версии статьи добавьте её в корзину,

Стоимость полной версии статьи 150 рублей.