Подшипники качения. Общие сведения и классификация

Подшипникэто опора, которая воспринимает нагрузки и допускает относительное перемещение частей механизма в требуемом направлении. На­значение опор: обеспечивать положение вала в машине, воспринимать нагруз­ки и передавать их на корпус и раму машины. Классификация опор: по виду трения - подшипники трения качения и трения скольжения; по направлению воспринимаемой нагрузки - радиальные, упорные и радиально-упорные. Эта тема относится к числу важных в курсе «Детали машин». Основное внимание при её изучении следует уделить подшипникам качения.

Подшипник качения был изобретён Леонардо да Винчи.Однако первые патенты на шарикоподшипники были выданы в 1772 и 1778 г. в Англии, а централизованное их производство началось в Германии в 1883 и в США в 1889 году. В 30-е годы XX века СССР купил в Швеции завод по производству подшипников, который и стал 1-м Государственным подшип­никовым заводом (ГПЗ-1). Промышленность выпускает миниатюрные под­шипники с размерами (d-D-B) 0,620,8 мм массой 0,015 г и очень большие подшипники с размерами 12000-14000-450 мм массой более 130 тонн.

Применение подшипников качения позволило заменитьтрение скольжения трением качения.

На рис. 116 изображены основные типы подшипников качения. По форме тел качения они разделяются на шариковые и роликовые, по направлению воспринимаемой нагрузки — на радиальные, упорные, радиально-упорные и упорно-радиальные.

Радиальные шариковые подшипники (1, рис.116) — наиболее простые и дешевые. Они допускают небольшие перекосы вала (до 1/4°) и могут воспринимать осевые нагрузки, которые составляют ≈ 0,3 радиальных. Эти подшипники широко распространены в машиностроении.

Рис. 116.

Радиальные роликовые подшипники (4,рис.116) благодаря увеличенной контактной поверхности допускают значительно большие нагрузки, чем шариковые. Однако они не воспринимают осевые нагрузки и плохо работают при перекосах вала. В роликовых цилиндрических и конических подшипниках с бочкообразными роликами концентрация нагрузки от неизбежного перекоса вала существенно снижается. Аналогичное сравнение можно провести и между радиально-упорными шариковыми 3 и роликовыми 5 подшипниками.

Самоустанавливающиеся шариковые 2 и роликовые 6 подшипники применяют в тех случаях, когда допускают значительный перекос вала (до 2...3°). Они имеют сферическую поверхность наружного кольца и ролики бочкообразной формы. Эти подшипники допускают небольшие осевые нагрузки.

Применение игольчатых подшипников 7 позволяет уменьшить габариты (диаметр) при значительных нагрузках. Упорный подшипник 8 воспринимает только осевые нагрузки и плохо работает при перекосе оси.

По нагрузочной способности (или по габаритам) подшипники разделяют на размерные серии. Стандартом предусматривается семь серий диаметров: сверхлегкая (2 серии), особолегкая (2 серии), легкая, средняя, тяжелая и пять серий ширин: особоузкая, узкая, нормальная, широкая и особоширокая. Согласно ГОСТ 520 — 89 установлены следующие основные классы точности в порядке повышения точности: 0 6, 5, 4, 2, 1 — для шариковых радиальных и радиально-упорных, а также роликовых радиальных; 0, 6, 5, 4, 2 — для упорных и упорно-радиальных; 0, 6Х, 6, 5, 4, 2 — для роликовых конических. Предусмотрены два дополнительных класса точности (8 и 7) более низкие, чем класс точности 0 (нормальный). Такие подшипники могут изготавливаться только по заказу потребителя для применения в неответственных узлах. Класс точности регламентирует величины предельных отклонений размеров, формы и расположения деталей подшипника. В зависимости от наличия требований к уровню вибраций, величине момента трения и других дополнительных технических требований подшипники разделяют на три категории — А, В и С.

Категория .......................................... А В С

Класс точности ................................. 5, 4, 2, 1 0, 6Х, 6, 5 8,7,0,6

Обычно к подшипникам категории С не предъявляется никаких специальных требований. Следует отметить, что с повышением точности подшипника возрастает его стоимость.

Класс точности ..................................................0 6 5 4 2 5

Относительная стоимость (приближенно) .......1 1,3 2 4 2 10

Все подшипники качения изготовляют из высокопрочных подшипниковых сталей с термической обработкой, обеспечивающей высокую твердость.

Большое влияние на работоспособность подшипника оказывает качество сепаратора. Сепараторы разделяют и направляют тела качения. В подшипниках без сепаратора тела качения набегают друг на друга. При этом кроме трения качения возникает трение скольжения, увеличиваются потери и износ подшипника. Установка сепаратора значительно уменьшает потери на трение, так как сепаратор является свободно плавающим и вращающимся элементом. Большинство сепараторов выполняют штампованными из стальной ленты. При повышенных окружных скоростях (более 10...15 м/с) применяют массивные сепараторы из латуни, бронзы, дюралюминия или пластмассы.

Рис. 117. Обозначение подшипника качения

Для маркировки подшипников качения (рис. 117) применяют цифровые обозначения.

1-я и 2-я цифры (считая справа) для подшипников качения с внутренним диаметром от 20 до 495 мм соответствуют этому диаметру, деленному на 5.

3-я и 7-я цифры для диаметров выше 9 мм обозначают серию наружных диаметров и ширин. Стандартами предусмотрены серии подшипников по диаметрам:

сверхлёгкие, особолёгкие, лёгкие, средние и тяжёлые;

по ширинам: узкие, нормальные, широкие и особоширокие серии. Основное распространение имеют лёгкие узкие (обозначаются цифрой 2 на 3-м месте и 0 на 7-м месте) и средние узкие серии (3 на 3-м месте и 0 на 7-м).

Основная из особо легких серий обозначается цифрой 1, легкая — 2, средняя — 3, тяжелая — 4, легкая широ­кая — 5, средняя широкая — 6 и т. д.

4-я цифра обозначает тип подшипника (0 — радиальный шариковый; 1 — радиальный шариковый двухрядный сферический; 2— радиальный с короткими цилиндрическими роликами; 3 — радиальный роликовый двухрядный сферический; 4 — радиальный роликовый с длинными цилиндрическими роликами или игольчатый; 5 — радиальный роликовый с витыми роликами; 6 — радиально-упорный шариковый; 7 — роликовый конический; 8 — упорный шариковый; 9 — упорный роликовый), 5-я и 6-я цифры обозначают конструктивные особенности подшипника. В условном обозначении нули левее последней значащей цифры не указываются.

Класс точности маркируется слева от условного обозначения через тире. Подшипники качения, отличающиеся от стандартных конструкцией, материалами, технологией, термообработкой, отмечаются дополнительными знаками.

По числу рядов тел качения подшипни­ки делят на однорядные (имеющие основ­ное распространение), двух- и многоряд­ные.

По признаку самоустанавливаемости подшипники делят на:

1) несамоустанавливающиеся — все шарико- и роликоподшипники, кроме сфе­рических, из них однорядные шарикоподшипники с двухточечным касанием можнорассматривать как ограничено самоустанавливающиеся;

2) самоустанавливающиеся сферические (6 и 7 рис. 116).

Рис. 118. Основные типы тел качения

Нули, стоящие левее последней значащей цифры, отбрасывают, что позволяет сократить обозначения для часто употребляемых подшип­ников.

Цифры 6; 5; 4 и 2, стоящие через тире (раз­делительный знак) перед условным обозначе­нием подшипника, обозначают его класс точ­ности, в порядке возрастания точности. Класс 0 не указывается.

Примеры обозначений подшипников класса точности 0: шариковые радиальные однорядные с внутренним диаметром 50 мм легкой серии 210, средней — 310, тяжелой — 410. Роликопод­шипники с внутренним диаметром 80 мм, с корот­кими цилиндрическими роликами и бортами на внутреннем кольце легкой серии — 2216, сред­ней— 2316, тяжелой ^ 2416, конические лег­кой серии —7216, легкой широкой — 7516, средней — 7316, средней широкой — 7616.

Первый из указанных в примерах подшип­ников класса точности 5 имеет обозначение 5—210.

Изготовление подшипников качения в заводских условиях было начато в 1883 в Германии. В СССР выпускаются подшипники с внутренними диаметрами от долей мм до 1345 мм и массой от долей грамма до 4 т. П. к. применяют в различных машинах и приборах, в которых они работают в широком диапазоне частот вращения (до 200 000 об/мин) при температурах до 1000 °С; созданы шарикоподшипники, способные работать в глубоком вакууме. Широкое применение подшипников качения обусловлено рядом их преимуществ по сравнению с подшипниками скольжения меньшим моментом сопротивления вращению, особенно в начале движения, а также при малых и средних частотах вращения; большей несущей способностью на единицу ширины подшипника; полной взаимозаменяемостью; простотой эксплуатации; меньшим расходом смазочных материалов и цветных металлов; более низкими требованиями к материалам и термообработке валов. К недостаткам подшипников качения относятся: ограниченный ресурс, особенно при больших скоростях; большое рассеивание сроков службы; высокая стоимость при мелкосерийном и индивидуальном производстве; большие радиальные габариты; меньшая способность демпфировать вибрации и удары, чем у подшипников скольжения.

Энергетические потери в подшипниках качения представляют собой результат сложного физического процесса. Момент сопротивления определяется одновременным действием ряда явлений: проскальзыванием тел качения по площадкам контакта и гнёздам сепаратора, потерями на внутреннее трение в материале контактирующих тел, скольжением массивного сепаратора по центрирующим бортам колец, сопротивлением смазки и внешней среды. Момент сопротивления можно приближённо определять, используя условное понятие о приведённом безразмерном коэффициентом трения f_np:

M =0,5P·f_np·d, (19.1)

где Р — нагрузка на подшипник; d — диаметр отверстия в подшипнике.

Величина f_np = 0,0015—0,02 (меньшие значения принимают для шарикоподшипников, работающих при радиальных нагрузках и жидкой смазке). Для смазки подшипники качения применяют различные жидкие масла, пластичные смазки и в особых случаях твёрдые материалы. Наиболее благоприятные условия для работы подшипники качения обеспечивают жидкие масла, для которых характерны такие признаки, как стабильность при работе, сравнительно небольшое сопротивление вращению, способность хорошо отводить тепло, очищать подшипники от продуктов износа. Пластичные смазки лучше, чем жидкие масла, защищают поверхности от коррозии, для удержания их в узле не требуется сложных уплотнений.

Подшипники качения рассчитывают на долговечность (ресурс) по динамической грузоподъёмности и статической грузоподъёмности. Методы расчёта стандартизированы. Под долговечностью подшипников качения понимается расчётный срок службы, выраженный числом оборотов или числом часов работы, в течение которых не менее 90% из данной группы подшипников при одинаковых условиях должны отработать без появления признаков усталости металла (выкрашивания).

Следует за­метить, что валы рассчитывают раньше опор и, следовательно, диаметр цапфы под подшипником, как правило, известен. Тип подшипника можно определить расчётом или его принимают из конструктивных требований. Остаётся подобрать серию подшипника (лёгкую, среднюю или тяжёлую).

Начинать подбор подшипника следует с лёгкой по диаметру и нормаль­ной по ширине серии. При этом важно иметь в виду, что внутренний диаметр подшипника остаётся неизменным для любой из указанных серий. Наружный диаметр, ширина подшипника и значения статической и динамиче­ской грузоподъёмности увеличиваются при переходе от лёгкой серии к средней и тяжёлой серии и от узкой - к нормальной и широкой серии.

Эквивалентная динамическая нагрузка вычисляется в соответствии с выражением:

Р = (Х ∙ V ∙ F_r +Y ∙ F_a )К_б ∙ К_m.(19.2)

где F_r и F_a - радиальная и осевая нагрузка на подшипник соответственно, например, реакции в опоре от действия внешних сил, определяемые при расчё­те вала. V - коэффициент вращения кольца, равный 1, если вращается внут­реннее кольцо; при вращении наружного кольца V = 1,2.

Коэффициенты X и Y (динамической радиальной и осевой нагрузки соответственно) зависят от конструкции подшипника и параметра осевого нагружения е. Параметр осевого нагруженияеравен предельному значению отношению F_a /F_r,при ко­тором осевая нагрузка ещё не уменьшает ресурс подшипника. При отсутствии осевой нагрузки на подшипник (F_A = 0) коэффициент X = 1 и формула для рас­чёта эквивалентной нагрузки Р упрощается.

При наличии радиальной и осевой нагрузки коэффициенты X и Y определяют следующим образом. Задавшись серией подшипника (сначала - лёгкой), выписывают для выбранного типораз­мера подшипника значение С_0г и вычисляют отношение F_a / C_0r. Затем по таб­лице 1 находят параметр осевого нагружения еи в зависимости от величины соотношения F_a / F_r > e или F_a / F_r < епринимают значения X и Y.

К_б – коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки и по­следствия выхода подшипника из строя;

К_т – коэффициент, учитывающий влияние температуры (К_т = 1…1,4); при температуре подшипникового узла до 100 °С принимают К_т = 1.

Выбрать по каталогу динамическую грузоподъемность под­шипника С принятого типа и вычислить расчетную долговечность наиболее нагруженного подшипника L_h, ч,

где γ = 3 - для шариковых подшипников, γ = 10/3 - для роли­ковых;

n - частота вращения кольца, об/мин.

Если значение L_h меньше заданного, надо выбрать другой ти­поразмер подшипника с большей величиной динамической грузо­подъемности.

Рекомендуемая нормативная долговечность подшипников ка­чения зубчатых редукторов должна быть не менее 12 000 часов.

По статической нагрузке подбирают или проверяют подшипники качения, воспринимающие внешнюю нагрузку в неподвижном состоянии или при вращении с частотой не более 1 об/мин.

Под статической грузоподъёмностью (C₀) принято понимать такую нагрузку на подшипники качения, от действия которой в наиболее нагруженной зоне контакта возникает общая остаточная деформация тел качения и колец, не превышающая 0,0001 диаметра тела качения. Значения динамической и статической грузоподъёмности в «Н» указывают в каталогах для каждого типоразмера подшипника. По мере повышения качества эти значения увеличиваются. Значительное повышение долговечности подшипников качения возможно, например, в результате совершенствования технологии, применения электрошлакового, вакуумно-дугового и двойного (электрошлакового и вакуумно-дугового) переплавов сталей.