Выбор и расчет посадок подшипников качения. Выбор допусков формы и расположения и параметров шероховатости поверхностей деталей, сопрягаемых с подшипниками

Подшипники качения — это наиболее распространенные стандартные изделия (сборочные единицы) множества конструкций и модификаций, которые изготавливаются на специализированных заводах и встраиваются в более сложные изделия (редукторы, коробки подач и скоростей, шпиндели металлорежущих станков и др.).

Основные функциональные элементы подшипника качения – тела качения (шарики или ролики), которые катятся по дорожкам качения. Дорожки качения, как правило, располагаются на специально изготовляемых наружном и внутреннем кольцах подшипника. Тела качения, как правило, разделены сепаратором, который обеспечивает равномерное распределение тел качения по окружности.

Подшипники классифицируют по следующим признакам:

1) по направлению действия воспринимаемой нагрузки:

а) радиальные — воспринимают нагрузку, действующую перпендикулярно оси вращения подшипника;

б) упорные — воспринимают осевую нагрузку;

в) радиально-упорные — воспринимают комбинированную (радиальную и осевую) нагрузку.

2) по форме тел качения:

а) шариковые – со сферическими телами качения;

б) роликовые – с цилиндрическими, коническими и бочкообразными телами качения.

3) по количеству рядов тел качения:

а) однорядные;

б) двухрядные;

в) многорядные.

4) по наличию уплотнений и защитных шайб:

а) открытые – без уплотнений и защитных шайб;

б) закрытые – с одним или двумя уплотнениями, с одной или двумя защитными шайбами или одним уплотнением и одной защитной шайбой.

Стандарты устанавливают следующие серии подшипников: сверхлегкая, особо легкая, легкая, легкая широкая, средняя, средняя широкая, тяжелая. Подшипники различных серий отличаются друг от друга размерами, предельным числом оборотов в минуту, статической и динамической грузоподъемностью и другими параметрами.

В ГОСТ 3189-89 «Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений» установлены типы подшипников, приведенные в таблице 14 с указанием установленных стандартом условных обозначений.

Таблица 14

Типы подшипников

Типы подшипников	Обозначения
Шариковый радиальный
Шариковый радиальный сферический
Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами
Роликовый радиальный со сферическими роликами
Роликовый радиальный с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами
Роликовый радиальный с витыми роликами
Шариковый радиально-упорный
Роликовый конический
Шариковый упорный, шариковый упорно-радиальный
Роликовый упорный, роликовый упорно-радиальный

В условное обозначение подшипника входят кодовые обозначения серии, типа, конструктивных особенностей, категории и диаметра присоединительного отверстия подшипника (диаметр вала, сопрягаемого с данным подшипником). Полное обозначение стандартного подшипника включает девять позиций, в которых, считая справа налево, закодированы:

· диаметр присоединительного отверстия подшипника (позиции первая и вторая);

· серия диаметров подшипника (третья позиция);

· тип подшипника (четвертая позиция);

· конструктивные особенности (пятая и шестая позиции);

· серия ширин подшипника (седьмая позиция);

· класс точности подшипника (восьмая позиция – отделяется от седьмой знаком тире);

· категория подшипника (девятая позиция).

Диаметр отверстия подшипника для подшипников с диаметром присоединительного отверстия от 20 мм до 495 мм обозначается числом, которое представляет собой частное от деления диаметра на 5, для подшипников с диаметрами отверстия от 10 мм до 17 мм обозначения соответствуют приведенным в таблице 15.

Таблица 15

Обозначение диаметра присоединительного отверстия

подшипников с диаметрами отверстия от 10 мм до 17 мм

d
обозначение

Для подшипников с диаметром до 9 мм первая позиция указывает фактический внутренний диаметр в миллиметрах. В этом случае на третьем месте справа в обозначении стоит "0".

Для наиболее часто используемых серий, типов и конструктивных особенностей подшипника в качестве кодовых цифр использованы нули, которые не указывают в условных обозначениях при отсутствии слева других цифр. Например, "Подшипник 205 ГОСТ 8338" — радиальный однорядный, нормального класса точности, легкой серии, с диаметром отверстия 25 мм. В обозначении использованы только три позиции справа, поскольку остальные четыре позиции формально заняты нулями.

Класс точности подшипника качения указывают перед условным обозначением номера подшипника, отделяя его знаком тире, например "Подшипник 6-205 ГОСТ 8338" (такой же подшипник шестого класса точности). Самые распространенные классы точности подшипников (классы «нормальный» и 0) при условном обозначении их нулем в обозначении подшипника категории С не указывают.

Для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников и для роликовых радиальных подшипников ГОСТ 520 «Подшипники качения. Общие технические условия» устанавливает следующие классы точности: 8, 7, нормальный, 6, 5, 4, Т, 2 (обозначения указаны в порядке возрастания точности).

Для роликовых конических подшипников установлены классы точности 8, 7, 0, нормальный, 6Х, 6, 5, 4, 2.

Класс точности «нормальный» для всех подшипников, кроме конических, обозначают знаком 0. Для конических подшипников нулевой класс точности обозначают знаком 0, а нормальный – буквой N. Для обозначения класса точности 6Х используют знак Х.

Подшипники классов точности 7 и 8 изготавливают по заказу при пониженных требованиях к точности вращения деталей. Нормы точности для таких подшипников устанавливаются в отдельных технических нормативно-правовых актах.

В зависимости от наличия требований по уровню вибрации, допускаемых значений уровня вибрации или уровня других дополнительных технических требований, в ГОСТ 520-2002 установлены три категории подшипников — А, В, С.

К категории А относят подшипники классов точности 5, 4, Т, 2, отвечающие повышенным дополнительным требованиям, регламентирующим нормы уровня вибрации, волнистости и отклонения от круглости поверхностей качения, значения осевого и радиального биений, соответствующие следующему более высокому классу точности, моменту трения и угла контакта.

К категории В относят подшипники классов точности 0, нормального, 6Х, 6, 5, отвечающие повышенным дополнительным требованиям, регламентирующим нормы уровня вибрации, волнистости и отклонения от круглости поверхностей качения, значения осевого и радиального биений, соответствующие следующему более высокому классу точности, моменту трения и угла контакта, высоте, монтажной высоте и ширине подшипников.

К категории С относят подшипники классов точности 8, 7, 0, нормального, 6, к которым не предъявляют дополнительные требования, установленные для подшипников категорий А и В.

Конкретные значения дополнительных технических требований устанавливают в нормативных документах на подшипники категорий А, В, С или в конструкторской документации, утвержденной в установленном порядке.

Категорию подшипника А или В указывают перед обозначением класса точности. Категорию С перед условным обозначением подшипника не указывают.

Примеры обозначений (без указания слова «подшипник» и номера стандарта или ТУ) с указаниями классов точности:

А5-307; 205; Х-307; N-97510.

Знак 0 включают в обозначение, только если слева от него тоже есть знак маркировки, например, В0-205.

Основными показателями точности подшипников и их деталей являются:

· точность размеров присоединительных поверхностей (d, d_m, D, D_m). Нормируют средние диаметры (d_m, D_m) наружной или внутренней номинально цилиндрической присоединительной поверхности, чтобы ограничить такие отклонения формы, как овальность и конусообразность, наиболее неблагоприятные для подшипника. Средний диаметр определяют расчетом как среднее арифметическое наибольшего и наименьшего значений диаметра, измеренных в нескольких сечениях кольца;

· точность формы и расположения поверхностей колец (радиальное и торцовое биение, непостоянство ширины колец) и шероховатость их поверхностей;

· точность формы и размеров тел качения;

· боковое биение по дорожкам качения внутреннего и наружного колец.

Эти показатели определяют равномерность распределения нагрузки на тела качения, точность вращения, следовательно (вместе с физико-механическими свойствами) и срок службы подшипника.

Стандартное сопряжение подшипника с ответными деталями образуется как сочетание полей допусков присоединительных размеров подшипниковых колец со стандартными полями допусков валов и отверстий.

Расположение полей допусков присоединительных размеров подшипниковых колец (рис. 11) стандартизовано таким образом, чтобы получить необходимые их сочетания со стандартными полями допусков, которые наиболее часто используются в общем машиностроении. Поле допуска отверстия внутреннего кольца подшипника расположено односторонне от номинала в «воздух», а не в «тело детали» (как принято для основного отверстия). В результате сочетание такого поля допуска отверстия подшипника с полями допусков сопрягаемых валов типа k6, m6 или n6 дает посадки с натягом, в то время как с основным отверстием такие поля допусков дают переходные посадки.

Выбор полей допусков поверхностей валов и корпусов, сопряженных с кольцами подшипников, регламентируется ГОСТ 3325-85 «Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки». Этот стандарт распространяется на посадочные поверхности валов и отверстий корпусов под подшипники качения, отвечающие следующим требованиям:

1. Валы стальные, сплошные или полые толстостенные, т.е. с отношением d/d_b ≥ 1,25, где d — диаметр вала, d_b — диаметр отверстия в нем.

2. Материал корпусов — сталь или чугун.

3. Температура нагрева подшипников при работе – не выше 100 °С.

f

а

б

Рис. 11. Схемы расположения полей допусков:

а) поля допусков для посадок валов во внутреннее кольцо подшипника;

б) поля допусков для посадок наружного кольца подшипника в корпус.

Выбор посадки кольца подшипника (выбор полей допусков валов и отверстий корпусов, сопрягаемых с кольцами подшипников) осуществляют с учетом:

· вида нагружения кольца подшипника;

· режима работы подшипника;

· соотношения эквивалентной нагрузки Р и каталожной динамической грузоподъемности С;

· типа, размера и класса точности подшипника.

Различают три основных вида нагружения колец подшипника местное (М), циркуляционное (Ц) и колебательное (К).

При местном нагружении кольцо воспринимает постоянную по направлению радиальную силу ограниченным участком окружности дорожки качения и передает ее соответствующему участку посадочной поверхности вала или корпуса. Такой вид нагружения имеет место, например, когда неподвижное кольцо нагружено постоянной по направлению радиальной силой (наружные кольца подшипниковых опор валов в редукторе и т.п.).

При циркуляционном нагружении кольцо воспринимает радиальную силу последовательно всеми элементарными участками окружности дорожки качения и соответственно передает ее всей посадочной поверхности вала или корпуса. Такое нагружение возникает, когда кольцо вращается относительно действующей на него неподвижной радиальной силы (например, внутреннее кольцо подшипника на вращающемся валу редуктора) или циркулирует сила, а кольцо неподвижно (например, внутреннее кольцо подшипника неподвижного солнечного колеса дифференциальной зубчатой передачи).

При колебательном нагружении на неподвижное кольцо интегрально действуют две радиальные силы (одна постоянна по направлению, а другая, меньшая по значению, циркулирует). Равнодействующая нагрузка не совершает полного оборота, а колеблется между крайними точками дуги окружности.

Для кольца, которое испытывает циркуляционное нагружение, назначают посадку с натягом. Наличие зазора между циркуляционно нагруженным кольцом и посадочной поверхностью детали может привести к его проворачиванию с проскальзыванием поверхностей, а следовательно, к развальцовыванию и истиранию металла детали, что недопустимо.

Основная опасность для кольца, которое испытывает местное нагружение – износ дорожки качения в месте действия нагрузки. Если для этого кольца, назначают посадку с зазором и если оно не зафиксировано в осевом направлении, то под действием вибрации и толчков оно постепенно проворачивается по посадочной поверхности. В результате износ дорожки качения происходит более равномерно по всей окружности кольца.

Можно предложить выбирать посадки так, чтобы циркуляционно или колебательно нагруженное (как правило, вращающееся) кольцо подшипника было смонтировано с натягом, исключающим возможность проскальзывания этого кольца по сопрягаемой поверхности вала или отверстия в корпусе. Другое кольцо того же подшипника, если оно нагружено местно, может быть посажено с зазором. При таком сочетании посадок колец одного подшипника устраняется опасность заклинивания тел качения из-за чрезмерного уменьшения радиального зазора.

Режим работы подшипника качения по ГОСТ 3325 характеризуется расчетной долговечностью и отношением Р/С, где Р — эквивалентная нагрузка (условная постоянная нагрузка, обеспечивающая тот же срок службы подшипника, какой должен быть в действительных условиях); С — динамическая грузоподъемность (постоянная радиальная нагрузка, соответствующая расчетному сроку службы):

· легкий режим работы — Р/С ≤ 0,07;

· нормальный режим работы — 0,07 < Р/С ≤ 0,15;

· тяжелый режим работы — Р/С > 0,15.

Расчетная долговечность, соответствующая режимам работы:

· тяжелый — от 2500 до 5000 ч.;

· нормальный — от 5000 до 10000 ч.;

· легкий — более 10000 ч.

Выбор квалитетов, определяющих точность изготовления цапфы вала и отверстия в корпусе под посадку подшипника качения, осуществляется в зависимости от класса точности подшипника. Например, если класс точности подшипника – 0, нормальный или 6, отверстие в корпусе выполняется по 7 (реже 6) квалитету, а вал – по 6 (реже 5) квалитету и т.д.

При деформации колец подшипников происходит уменьшение радиального зазора, что в итоге может привести к заклиниванию тел качения. После выбора посадок, определения натягов (зазоров) по присоединительным размерам следует выполнить проверку наличия радиального зазора в подшипнике качения после посадки его в корпус или на вал с натягом.

или ,

где G_noc – зазор в подшипнике качения после посадки с натягом;

G_r – начальный радиальный зазор;

Δd₁ – диаметральная деформация беговой дорожки внутреннего кольца при посадке его с натягом;

ΔD₁ – диаметральная деформация беговой дорожки наружного кольца при посадке его с натягом.

;

,

где N_эфф – эффективный натяг, рассчитываемый как

;

d₀ – приведенный внутренний диаметр подшипника, рассчитываемый как

;

D₀ – приведенный наружный диаметр подшипника, рассчитываемый как

;

N_изм – измеренный натяг до сборки (в теоретических расчетах за N_изм принимают средний натяг как наиболее вероятный)

N_cp = (N_max + N_min)/2.

ГОСТ 24810-81 «Подшипники качения. Зазоры» определяет группы зазоров и их обозначения для подшипников различных типов. Так для подшипников шариковых радиальных однорядных с цилиндрическим отверстием стандарт устанавливает следующие группы зазоров: 6, нормальная, 7, 8, 9. Условное обозначение группы радиального зазора, кроме группы «нормальная», должно быть нанесено на подшипник слева от обозначения класса точности.

Если путем расчета будет определено, что зазор в подшипнике после посадки переходит в натяг, следует изменить группу в сторону увеличения зазора или выбрать другую посадку с уменьшенным натягом.

При контроле линейных размеров колец подшипников измеряют единичные диаметры отверстия внутренних колец и единичные диаметры наружных колец. В результате получают значения единичных диаметров и среднего диаметра, значения непостоянства диаметров.

Единичные диаметры отверстия внутренних колец измеряют по схемам, приведенным на рис.12. Для контроля в двух поперечных сечениях подшипник кладут на торец, затем переворачивают и кладут на противоположный торец.

Рис.12. Схемы измерения единичных диаметров отверстия внутреннего кольца подшипника

Единичные диаметры наружных колец подшипников измеряют подобным образом по схемам, приведенным на рис.13:

Рис.13. Схемы измерения единичных наружных диаметров

наружного кольца подшипника

Контроль единичной ширины колец подшипников проводят по схемам, приведенным на рис.14.

Рис.14. Схемы измерения единичных ширин колец подшипника