Характеристика основных типов подшипников качения

Шариковый радиальный однорядный подшипник (рисунок 23, а, номер обозначения типа – 0). Это наиболее распространенный и дешевый тип подшипников. Он предназначен для преимущественного восприятия радиальных нагрузок (F_r), но может воспринимать и осевые нагрузки (F_a), фиксируя вал в обоих осевых направлениях. Предельно допустимый перекос оси внутреннего кольца относительно оси наружного кольца не должен превышать 20^·. При большем перекосе, а также при приложении чрезмерных осевых сил подшипник заклинивается, т.е. его проворот становится очень трудным либо невозможным. Предельно допустимая линейная скорость качения шариков (на среднем диаметре) составляет 20 м/с. При составлении расчетной схемы в опоре за точку приложения радиальной реакции принимается середина подшипника.

Рисунок 23 - Типы шариковых подшипников

Шариковый радиальный двухрядный сферический подшипник (рисунок 23, б, номер обозначения типа – 1). Это самоустанавливающаяся опора, хорошо воспринимающая радиальные нагрузки при перекосе осей колец до 3^о (возможен и больший перекос, но тогда должна снижаться величина воспринимаемой нагрузки). Такие перекосы возникают в конструкциях с недостаточно жесткими валами (когда увеличение их жесткости нецелесообразно), а также у гибких валов. Подшипник может воспринимать и двустороннюю осевую нагрузку (пунктирные вектора на рисунке 23, б), но она затрудняет отслеживание перекосов, и поэтому нагружать ею подшипник не рекомендуется.

Шариковый радиально-упорный подшипник (рисунок 23, в, номер обозначения типа – 6). Предназначен для восприятия радиальной и односторонней осевой нагрузок. Приложение к подшипнику осевой силы другого направления (к узкому торцу наружного кольца) может вызвать съем кольца с тел качения, что недопустимо. Середина площадки контакта шариков с наружным кольцом (дорожки качения) смещена относительно вертикального положения на угол b, что улучшает восприятие осевой нагрузки. При этом для восприятия относительно небольших осевых нагрузок (F_a/F_r<0,5) предназначены радиально-упорные подшипники с углом контакта b»12° (величина угла меняется в зависимости от соотношения осевой и радиальной нагрузок), а существенных осевых нагрузок – упорно-радиальные подшипники с углом b=26° и b=36°.

При приложении радиальной нагрузки к подшипнику со смещенной на угол b площадкой контакта вызывается его догружение дополнительной осевой силой S (клиновой эффект). Ее величина:

S=0,83×e×F_r , (1)

где e»1,5×tgb – коэффициент, значения которого приводятся для каждого типоразмера в каталогах на подшипники.

Существование силы S, а также возможности сползания наружного кольца требует обязательного торцевого подпора колец подшипника с регулировкой величины этого усилия (такие подшипники называются регулируемыми). Расчетная точка приложения радиальной реакции смещена относительно середины подшипника. Она располагается в точке А пересечения оси подшипника и нормали к середине площадки контакта шариков и наружного кольца. При больших углах контакта эта точка может выйти за пределы подшипника.

Шариковый упорный подшипник (рисунок 23, г, номер обозначения типа – 8). Предназначен для восприятия односторонней сжимающей осевой нагрузки. Для восприятия двусторонних осевых нагрузок применяют двухрядные подшипники со средним кольцом, фиксируемом на валу. Упорные подшипники чувствительны к перекосу оси вала, и поэтому их часто устанавливают на промежуточных сферических опорах. При горизонтальном расположении валов подшипник работает хуже, чем на вертикальных валах, и требует хорошей регулировки или постоянного поджатия колец подшипника, например, пружинами. Предельно допустимая скорость качения шариков на среднем диаметре не должна превышать 5 м/с (при больших частотах вращения центробежная сила вдавливает шарики в клиновой зазор, образованный дорожками качения, что приводит к их заклиниванию).

Шариковый радиально-упорный однорядный подшипник с разъемным внутренним (или наружным) кольцом и контактом в трех или четырех точках (рисунок 24) предназначен для работы при радиальных и двусторонних осевых нагрузках в условиях стесненных габаритов по оси. Радиальная грузоподъемность при четырехточечном контакте и повышенном числе шариков выше грузоподъемности однорядных радиальных подшипников.

Рисунок 24 - Шариковый радиально-упорный однорядный подшипник с разъемным внутренним (или наружным) кольцом и контактом в трех или четырех точках

Роликовый радиальный подшипник (рисунок 25, а, номер обозначения типа – 2). Предназначен для восприятия большой радиальной нагрузки, но, вследствие повышенной чувствительности к перекосу осей, должен устанавливаться на жестких валах (перекос не должен превышать 10...15º). Вследствие скосов на одном из колец (на рисунке – на внутренней поверхности наружного кольца) кольцо становится подвижным в осевом направлении. По этой причине подшипник не способен воспринимать осевую нагрузку, и необходима его осевая фиксация в конструкции подшипникового узла. Подшипники применяют в качестве плавающей опоры. Предельно допустимая скорость качения роликов на среднем диаметре не должна превышать 10 м/с.

Рисунок 25 - Роликовые подшипники

Существуют разновидности радиального роликового подшипника, воспринимающие незначительные осевые нагрузки.

Игольчатый роликоподшипник (рисунок 25, б, номер обозначения типа – 4). Предназначен для восприятия радиальных нагрузок при очень стесненных радиальных габаритах. Очень чувствителен к перекосу осей и поэтому требует высокой жесткости вала. Предельно допустимая скорость качения роликов-иголок на среднем диаметре не должна превышать 5 м/с. Подшипнику свойственен повышенный коэффициент трения и износ.

Роликовый радиальный подшипник с витыми роликами (рисунок 25, в, номер обозначения типа – 5). Предназначен для восприятия ударных радиальных нагрузок. Создаваемые ими динамические реакции снижаются благодаря повышенной податливости роликов, навитых из ленты прямоугольного сечения. Несущая способность подшипников значительно меньше, чем у обычных роликоподшипников.

Роликовый радиальный двухрядный сферический подшипник (рисунок 25, г, номер обозначения типа – 3). Предназначен для восприятия особо больших радиальных нагрузок при значительном перекосе осей колец (до 3°). Внутренняя поверхность наружного кольца имеет сферическую форму, а ролики – бочкообразную. Подшипники могут воспринимать и осевые нагрузки.

Роликовый радиально-упорный (конический) подшипник (рисунок 25, д, номер обозначения типа – 7). Предназначен для восприятия больших радиальных и односторонних осевых нагрузок. Подшипники выпускают с обычным углом конуса b=10...16^о и повышенным b>25°, с ростом этого угла повышается осевая нагрузочная способность. С другой стороны, во избежание заклинивания роликов не рекомендуется применение при больших осевых нагрузках подшипников с малым углом b. Коническая форма подшипника, как и в случае с шариковым радиально-упорным подшипником, вызывает самодогружение его осевой силой S. Ее величина равна:

S=e×F_r , (2)

где e=1,5×tgb– коэффициент, значения которого приводятся в каталогах на подшипники.

Подшипники требуют обязательной осевой регулировки. На рисунке 25, д, точка приложения радиальной реакции смещена относительно середины подшипника и находится в точке А пересечения оси подшипника и нормали к оси ролика, проведенной из его середины. При больших углах контакта эта точка может выйти за пределы подшипника.

Упорный роликовый подшипник (рисунок 25, е, номер обозначения типа – 9). Предназначен для восприятия больших осевых нагрузок при небольших частотах вращения (с окружной скоростью до 5 м/с). Упорные подшипники чувствительны к перекосу оси вала, и поэтому их часто устанавливают на промежуточных сферических опорах.

Подшипники более тяжелых серий имеют большую грузоподъемность, но менее быстроходны. Шариковые радиальные и радиально-упорные, а также роликовые подшипники обладают наибольшей быстроходностью.

Наиболее часто на практике применяются подшипники легкой и средней серии нормальной ширины. Для особо высокой частоты вращения целесообразно использовать подшипники сверхлегкой и особо легкой серий. При недостаточной грузоподъемности размещают по два подшипника в одной опоре.

Радиальные подшипники дешевле подшипников других типов, допускают наиболее простой монтаж и демонтаж, не требуют высокой точности в соосности опор и жесткости валов и способны воспринимать как радиальные, так и осевые нагрузки.

Роликовые подшипники с цилиндрическими роликами обладают большей грузоподъемностью, однако не воспринимают осевых нагрузок, а с коническими роликами менее быстроходны.

Радиально-упорные подшипники при увеличении угла контакта увеличивают осевую нагрузку, однако существенно снижается радиальная грузоподъемность.

Стоимость подшипников зависит от их размеров, класса точности, сложности конструкции, типа сепаратора, массовости выпуска. Если стоимость радиальных однорядных шарикоподшипников условно принять за единицу, то подшипники сферические того же диаметра имеют примерно ту же стоимость; упорные подшипники на 12-15 % дешевле; радиально-упорные подшипники с латунным сепаратором в 2-2,5 раза дороже; конические роликоподшипники на 30-75 % дороже; цилиндрические роликоподшипники со стальным сепаратором в 1,2-1,6 раза дороже; сферические роликоподшипники дороже более, чем в 2 раза. Соотношение стоимостей подшипников, отнесенные к динамической грузоподъемности, иные: самыми дешевыми оказываются конические роликоподшипники. Наиболее резко стоимость подшипника растет с повышением его класса точности.

Шариковые радиальные, радиально-упорные, упорные однорядные подшипники обычно выполняют со стальным штампованным (змейковым) сепаратором, состоящим из двух половин, соединенных заклепками. При высоких скоростях (более 15 м/с на шейке вала) применяют массивные сепараторы.

Шариковый радиальный двухрядный сферический подшипник обычно выполняют со стальным штампованным сепаратором так называемого лепесткового типа. При скорости на шейке вала выше 10 м/с следует применять массивные сепараторы.

Для деталей большого диаметра (до 4 м) шарикового упорного подшипника выполнение колец представляет большие технологические трудности, поэтому каждое кольцо иногда заменяют двумя расположенными в специальных канавках кольцами из проволоки, между которыми катятся шарики.

Подшипники качения выпускаются специализированными заводами и стандартизованы. Подшипники в диапазоне внутренних диаметров 3...10 мм стандартизованы через 1 мм, до 20 мм - через 2...3 мм, до 110 мм - через 5 мм, до 200 мм - через 10 мм, до 500 мм - через 20 мм и т.д.

У каждого из перечисленных выше подшипников существуют разновидности, расширяющие область их применения. Но не все из них стандартизованы и широко доступны. По сравнению с подшипниками исходного типа они дороже. Примерами таких подшипников могут служить шариковые подшипники с разъемным кольцом (для повышения нагрузочной способности), сдвоенные подшипники, имеющие общее наружное или внутреннее кольцо, шариковые подшипники со встроенным одно- или двусторонним уплотнением и другие.

Кольца и тела качения (ГОСТ 520) изготавливают из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ55 и ШХI5CГ, а также из цементируемых легированных сталей 18ХГТ и 20Х2НЧА. Твердость колец и роликов - НRС 60...65, шариков - HRС 62...66. Сепараторы изготавливают из мягкой углеродистой стали методом штамповки. Для высокоскоростных подшипников применяют массивные сепараторы из бронзы, анодированного алюминия, металлокерамики и полиамидов. В специальных случаях изготавливают пластмассовые сепараторы с металлическим каркасом.

Для высокоскоростных подшипников применяют также полые керамические тела качения.

Стандартизованы типы подшипников качения (ГОСТы 8328, 8338, 8545, 831, 333, 6874, 6870), размеры тел качения (ГОСТ 3722), посадки подшипников (ГОСТ 3325), нормальные габаритные размеры (ГОСТ 3478), система условных обозначений (ГОСТ 3189).

Номенклатура подшипников качения состоит из свыше 1000 типов подшипников с наружным диаметром от 1 мм до 2,6 м, массой от 0,5 г до 3,500 кг, рабочей частотой вращения до 60000 об/мин, а в некоторых случаях до 150000 об/мин.

Точность подшипников качения определяется:

а) точностью основных размеров деталей подшипников;

б) точностью вращения.

Точность основных размеров деталей подшипников определяется отклонениями по внутреннему и наружному диаметрам и ширине колец, а для радиально-упорных подшипников также по общей монтажной высоте. Основное значение имеют отклонения по внутреннему и наружному диаметрам, которые определяют характер посадок.

Точность вращения подшипников характеризуется радиальными и боковыми биениями дорожек качения, биениями торцов внутреннего и наружного колец. Наибольшее значение имеет точность вращения вращающегося кольца (в большинстве случаев внутреннего). Биения вращающегося кольца непосредственно передаются на вал.

Подшипники качения выпускают следующих классов точности в порядке ее повышения: 0, 6, 5, 4, 2.

Для большинства валов и осей общего назначения применяют подшипники класса точности 0. Подшипники более высоких классов точности применяют для валов, требующих точного вращения в связи с назначением машины, например шпинделей металлорежущих станков, валов и осей приборов, или в связи с особо высокими частотами вращения.

При переходе от одного класса точности к другому, более высокому, стоимость подшипника резко возрастает. Точность подшипника влияет на кинематическую и геометрическую точность узла, уровень шума, интервал рассеяния предельно-допустимых воспринимаемых нагрузок. При этом использование более точных подшипников требует и большей точности изготовления деталей, входящих в подшипниковый узел. Для узлов общего назначения обычной точности применяют подшипники нормального (0) класса точности, а точность деталей подшипникового узла должна соответствовать 6, 7 квалитетам, степень точности отклонений формы и расположения поверхностей 6.