Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин Курс «Детали машин» Надежность машин Соединения с натягом Резьбовые соединения Расчет шпоночных соединений Механические передачи Расчет на изгиб Редукторы

Подшипники качения

Подшипники качения (рис. 29.1) представляют собой готовый узел, основными элементами которого являются тела качения — шарики 3 или ролики, установленные между кольцами 1 и 2 и удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга сепаратором 4. При работе подшипника тела качения катятся по желобам колец — дорожкам ка­чения. Одно из колец подшипника (как правило, наружное) в боль­шинстве случаев неподвижно. Случай вращения внутреннего кольца подшипника является более благоприятным, так как число циклов нагружения при этом в два с лишком раза меньше по сравнению со случаем вращения наружного кольца. Распределение радиальной на­грузки между телами качения, находящимися в нагруженной зоне (ограниченной дугой не более 180°), неравномерно (рис. 29.2) вслед­ствие неодинаковых контактных деформаций колец и различных тел качения. На размер зоны нагружения и неравномерность распределе­ния нагрузки оказывают влияние величина радиального зазора в под­шипнике и жесткость корпуса.

В отдельных случаях для уменьшения радиальных размеров подшип­ник применяют без колец (рис. 29.3) и тела качения катятся по дорож-

Рис. 29.1. Шариковый радиальный однорядный подшипник

Рис. 29.2. Схема распределения

радиальной нагрузки между телами качения в подшипнике

Рис. 29.3. Блок зубчатых колес на подшипниках с игольчатыми роликами

кам качения, образованным непосредственно на цапфе и в корпусе (в блоке зубчатых колес). Твердость, точность и шероховатость поверх­ности дорожек качения должны быть такими же, как у подшипнико­вых колец.

Подшипники качения стандартизованы и широко распространены во всех отраслях машиностроения. Их изготовляют в больших количе­ствах на крупных специализированных заводах.

Достоинства подшипников качения. 1. Сравнительно малая стоимость вследствие массового производства. 2. Небольшие потери на трение и незначительный нагрев при работе (потери на трение при пуске и при установившемся режиме работы практически одинаковы). 3. Вы­сокая степень взаимозаменяемости, что облегчает монтаж и ремонт машин. 4. Небольшой расход дефицитных цветных металлов при изго­товлении и смазочного материала при эксплуатации. 5. Малые осевые размеры, простота монтажа и эксплуатации.

Недостатки. 1. Большие радиальные размеры. 2. Высокая чувстви­тельность к ударным и вибрационным нагрузкам. 3. Большое сопро­тивление вращению, шум и низкая долговечность при высоких часто­тах вращения. 4. Отсутствие разъемных конструкций.

Применение. Подшипники качения являются основным видом опор в машинах (в автомобилях, самолетах, станках и др. В одном автомо­биле более 120 типоразмеров подшипников качения).

29.2. Классификация и условные обозначения подшипников качения

Подшипники качения классифицируют по следующим основным признакам:

по форме тел качения (рис. 29А) — шариковые (а) и роликовые, причем последние могут быть с цилиндрическими (б), коническими (в), бочкообразными (г), игольчатыми (д) и витыми (е) роликами;

по направлению действия воспринимаемой нагрузки — радиальные, радиально-упорные, упорные и упорно-радиальные;

по числу рядов тел качения — однорядные, двухрядные и четырехрядные;

по основным конструктивным признакам — самоустанавливающиеся (например, сферические самоустанавливаются при угловом смещении осей вала и отверстия в корпусе) и несамоустанавливающиеся\ с цилин­дрическим или конусным отверстием внутреннего кольца, сдвоенные и др.

Рис. 29.4. Тела качения подшипников

Деление подшипников в зависимости от направления действия воспринимаемой нагрузки носит в ряде случаев условный характер. Например, широко распространенный шариковый радиальный одно­рядный подшипник успешно применяют для восприятия не только комбинированных (совместно действующих радиальной и осевой), но и чисто осевых нагрузок, а упорно-радиальные подшипники обычно используют только для восприятия осевых нагрузок.

Условное обозначение подшипника наносят на торцы колец. Основное условное обозначение может быть составлено из семи цифр, условно обозначающих внутренний диаметр подшипника, размерную серию, тип, конструктивные особенности и др. Нули, стоящие левее после­дней значащей цифры, не проставляют. В этом случае число цифр в условном обозначении меньше семи, например: 7208.

Две первые цифры справа обозначают диаметр d отверстия внутрен­него кольца подшипника. Для подшипников с d=20...495 мм размер внутреннего диаметра определяют умножением указанных двух цифр на 5. Так, подшипник 7208 имеет d=40 мм.

Третья цифра справа обозначает серию диаметров и совместно с седь­мой цифрой, обозначающей серию ширин, определяет размерную серию подшипника. В порядке увеличения наружного диаметра подшипника (при одном и том же внутреннем) серии бывают: особо легкая — 1,

легкая — 2, средняя — 3, тяжелая — 4 и др. Так, подшипник 7208 — легкой серии диаметров 2.

Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника:

Шариковый радиальный однорядный 0

Шариковый радиальный сферический двухрядный 1

Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами 2

Роликовый радиальный сферический двухрядный 3

Роликовый радиальный игольчатый однорядный 4

Роликовый радиальный с витыми роликами 5

Шариковый радиально-упорный однорядный 6

Роликовый конический 7

Шариковый упорный, шариковый упорно-радиальный 8

Роликовый упорный, роликовый упорно-радиальный 9

Приведенный для примера подшипник 7208 является роликовым коническим.

Пятая или пятая и шестая цифры справа обозначают отклонение конструкции подшипника от основного типа. Например, подшип­ник 7208 основной конструкции (см. рис. 29.11) пятой цифры в обо­значении не имеет, а аналогичный подшипник с упорным бортом на наружном кольце (см. рис. 29.12) имеет обозначение 67208.

Седьмая цифра справа обозначает серию подшипника по ширине. В порядке увеличения ширины подшипника (при одних и тех же наруж­ном и внутреннем диаметрах) серии по ширине бывают: 0, 1, 2, 3 и др.

Кроме цифр основного обозначения слева и справа от него могут быть дополнительные буквенные или цифровые знаки, характеризующие специальные условия изготовления данного подшипника.

Так, класс точности подшипника маркируется цифрой слева через тире от основного обозначения. В порядке повышения классы точности обозначают: 0, 6, 5, 4, 2. Класс точности, обозначаемый цифрой 0 и соответствующий нормальной точности, не проставляют. В общем машиностроении применяют подшипники классов 0 и 6. В изделиях высокой точности или работающих с высокой частотой вращения (шпиндельные узлы скоростных станков, высокооборотные электродвигатели и др.) применяют подшипники классов 5 и 4. Под­шипники класса точности 2 используют в гироскопических приборах.

В нашем примере подшипник 7208 — класса точности 0.

Помимо приведенных выше имеются и дополнительные (более высокие и более низкие) классы точности.

В зависимости от наличия дополнительных требований к уровню вибраций, отклонениям формы и расположения поверхностей каче­ния, моменту трения и др. установлены три категории подшипников: А — повышенные регламентированные нормы; В — регламентирован­ные нормы; С — без дополнительных требований. Знак категории ука­зывают слева от обозначения класса точности.

Возможные знаки справа от основного обозначения: Е — сепаратор выполнен из пластических материалов; Р —детали подшипника из теплопрочных сталей; С — подшипник закрытого типа при заполнении смазочным материалом и др.

Примеры обозначений подшипников: 311 — подшипник шарико­вый радиальный однорядный, средней серии диаметров 3, серии по ширине 0, с внутренним диаметром d=55 мм, основной конструкции (см. рис. 29.5), класса точности 0;

6-36209 — подшипник шариковый радиально-упорный однорядный, легкой серии диаметров 2, серии по ширине 0, с внутренним диаметром d=45 мм, с углом контакта а= 12° (см. рис. 29.10), класса точности 6;

4-12210 —подшипник роликовый радиальный с короткими цилин­дрическими роликами, легкой серии диаметров 2, серии по шири­не 0, с внутренним диаметром d =50 мм, с одним бортом на наруж­ном кольце (см. рис. 29.8, б), класса точности 4;

4-3003124Р — подшипник роликовый радиальный сферический двух­рядный особо легкой серии диаметров 1, серии по ширине 3, с внутрен­ним диаметром d= 120 мм, основной конструкции (см. рис. 29.7), класса точности 4, детали подшипника изготовлены из теплостойких сталей.

29.3. Основные типы подшипников качения и материалы деталей подшипников

Шариковый радиальный однорядный подшипник (рис. 29.5, табл. 29.1) самый распространенный в машиностроении. Предназначен для вос­приятия в основном радиальной нагрузки. Желобчатые дорожки каче­ния позволяют воспринимать осевые нагрузки, действующие в обоих направлениях вдоль оси вала. Обеспечивает осевое фиксирование вала в двух направлениях. Он дешев, допускает достаточно большой пере­кос внутреннего кольца относительно наружного (до 0°10'). При одина­ковых габаритных размерах работает с меньшими потерями на трение

Рис. 29.5. Шариковый Рис. 29.6. Шариковый Рис. 29.7. Роликовый

радиальный однорядный радиальный сферический радиальный сферический

подшипник двухрядный подшипник двухрядный подшипник

Таблица 29.1. Шариковые радиальные однорядные подшипники (выборка)

Условное

Размеры, мм (рис. 29.5)

Базовая грузоподъемность, кН

обозначение подшипника

d

D

В

г

динамическая Сr

статическая С0r

Легкая серия

207

35

72

17

2,0

25,5

13,7

208

40

80

18

2,0

32,0

17,8

209

45

85

19

2,0

33,2

18,6

Средняя серия

307

35

80

21

2,5

33,2

18,0

308

40

90

23

2,5

41,0

22,4

309

45

100

25

2,5

52,7

30,0

Тяжелая серия

407

35

100

25

2,5

55,3

31,0

408

40

НО

27

3,0

63,7

36,5

409

45

120

29

3,0

76,1

45,5

и при большей частоте вращения вала, чем подшипники всех других кон­струкций.

Шариковый радиальный сферический двухрядный подшипник (рис. 29.6) предназначен в основном для радиальной нагрузки. Одновременно с радиальной может воспринимать небольшую осевую нагрузку обоих направлений. Дорожка качения на наружном кольце обработана по сфере. Поэтому подшипник способен работать при значительном (до 2...3°) перекосе внутреннего кольца относительно наружного. Спо­собность самоустанавливаться и определяет область его применения.

Роликовый радиальный сферический двухрядный подшипник (рис. 29.7) имеет ту же характеристику, что и шариковый сферический, но обла­дает наибольшей грузоподъемностью из всех других подшипников таких же габаритных размеров.

Роликовый радиальный подшипник с короткими цилиндрическими роликами (рис. 29.8, а) воспринимает большие радиальные нагрузки, обладает значительно большей радиальной грузоподъемностью, чем шариковый радиальный однорядный равных габаритных размеров. До­пускает осевое взаимное смещение колец. Чувствителен к относительно­му перекосу внутреннего и наружного колец (при перекосе возникает концентрация напряжений у краев ролика). Подшипник устанавливают на жестких коротких валах при повышенных требованиях к соосности посадочных мест. Применяют в качестве «плавающих опор» (для валов шевронных шестерен и др.).

При необходимости осевой фиксации вала, нагруженного незначи­тельной осевой силой одного направления, применяют подшипники с бортом на наружном кольце (рис. 29.8, б), а для осевой фиксации в двух направлениях — подшипники с одним бортом на внутреннем кольце и плоским упорным кольцом (рис. 29.8, в).

Роликовый радиальный игольчатый однорядный подшипник (рис. 29.9) воспринимает только радиальную нагрузку. При сравнительно небольших диаметральных размерах обладает высокой радиальной грузоподъемностью.

Рис. 29.8. Роликовый Рис. 29.9. Роликовый Рис. 29.10. Шариковый

радиальный подшипник радиальный игольчатый радиально-упорный

с короткими цилиндрическими однорядный подшипник однорядный подшипник
роликами

Из-за отсутствия сепаратора характеризуется высокими потерями на трение между иглами и низкими значениями предельной частоты вращения. Перекос внутреннего кольца относительно наружного недо­пустим. Обычно используют для работы в режиме качательного дви­жения.

Шариковый радиально-упорный однорядный подшипник (рис. 29.10) предназначен для восприятия комбинированных (радиальных и осе­вых) нагрузок. Способность воспринимать осевую нагрузку зависит от угла контакта а = 5...45°: с увеличением угла контакта возрастает вос­принимаемая подшипником односторонняя осевая нагрузка. Подшип­ники, смонтированные попарно, воспринимают осевые силы, дей­ствующие в обоих направлениях. При монтаже требует регулировки осевого зазора.

Роликовый конический подшипник (рис. 29.11 и 29.12) воспринимает одновременно радиальную и одностороннюю осевую нагрузки. Облада­ет большой грузоподъемностью. По применению в машиностроении стоит на втором месте после шариковых радиальных однорядных. Чув­ствителен к относительному перекосу внутреннего и наружного колец. Подшипники устанавливают попарно на жестких коротких валах при повышенных требованиях к соосности посадочных мест. Применяют при средних и низких частотах вращения. При монтаже требует регу­лировки осевого зазора.

Шариковый упорный подшипник (рис. 29.13, а) воспринимает одно­стороннюю осевую нагрузку. Для восприятия осевых сил поперемен­но в обоих направлениях устанавливают двойной упорный подшип­ник (рис. 29.13,6). Во избежание заклинивания шариков от действия

Рис. 29.11. Роликовый Рис. 29.12. Роликовый Рис. 29.13. Шариковый

конический подшипник конический подшипник упорный подшипник

с упорным бортом на наружном кольце

центробежных сил этот подшипник применяют при средней и низкой частоте вращения.

Материалы деталей подшипников. Кольца и тела качения изготовля­ют из специальных шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хро­мистых сталей марок ШХ15, ШХ20СГ, а также из цементуемых леги­рованных сталей марок 18ХГТ, 20Х2Н4А. Кольца имеют твердость Н = 61...66 HRC, тела качения Н = 63...67 HRC.

Большое влияние на работоспособность подшипника оказывает качество сепаратора. Сепаратор разделяет, направляет и удерживает тела качения. При невысоких частотах вращения и при качательном движении применяют подшипники без сепараторов (cm.jmc. 29.3).

Сепараторы чаще всего штампуют из мягкой углеродистой стали. Для высокоскоростных подшипников сепараторы изготовляют массивны­ми (см. рис. 29.10) из текстолита, фторопласта, латуни, бронзы. Матери­алы перечислены в порядке увеличения быстроходности подшипников.

Методическое пособие содержит как общетеоретические положения, так и кон­кретные инженерные решения, результаты теоретического анализа и практики проектирования машин. В качестве основной дидактической задачи выступает развитие умений выполнять инженерно-технические проекты. Реализация поставленной задачи и развивающая функция дидактического процесса предусматриваются на конкретных объектах — технологических машинах сельскохозяйственных производств. Это способ­ствует мотивации изучения общетехнических дисциплин и закрепляет в сознании студентов прикладную направленность знаний при изучении ими профессиональных предметов. Издание излагает основы проектно-конструкторской подготовки в трех аспектах: расчет деталей и узлов машин; конструирование; оформление конструкторской документации. В комплексной цепочке: наука — техника — производство ключевым звеном является инженерно-конструкторская служба.
Расчет на прочность сварных соединений