Общие сведения о подшипниках качения

 

2.2.1. Точность геометрических параметров подшипников качения

Подшипники каченияявляются наиболее распространенными стандартными изделиями (сборочными единицами). Более 15 тыс. типоразмеров подшипников качения с размерами от долей миллиметра до 3 м и массой от долей грамма до 6 т изготавливают на специализированных заводах.

Подшипники качения, работающие при самых разнообразных нагрузках и частотах вращения, должны обеспечивать точность, бесшумность, долговечность и другие эксплуатационные свойства качества.

Подшипник качения (рисунок 2.1, а)состоит из внутреннего кольца 7, наружного кольца 2, тел качения 3, сепаратора 4, обеспечивающего расстояние между телами качения.

Телами качения являются шарики, ролики или иглы (в игольчатых подшипниках).

Основными присоединительными размерами,по которым осуществляется полная (внешняя) взаимозаменяемость, являются наружный диаметр D наружного кольца и внутренний диаметр d внутреннего кольца.

Внутренняя взаимозаменяемость в подшипниках между телами качения, кольцами и сепаратором является неполной и осуществляется методом групповой взаимозаменяемости.

ГОСТ 24955–81 устанавливает термины и определения основных понятий в области подшипников качения, их деталей и элементов.

ГОСТ 25256–82 устанавливает термины и определения основных понятий в области допусков на подшипники качения, их детали и элементы. Основные размеры подшипников качения указаны в ГОСТ 3478-79.

Рисунок 2.1 – Шариковый однорядный подшипник качения: а – конструкция; б – схема расположения полей допусков по классам точности на средние наружный диаметр наружного кольца и внутренний диаметр внутреннего кольца подшипников качения

Основным параметром подшипника качения, определяющим его точность вращения, грузоподъемность, бесшумность работы, равномерность распределения нагрузки и другие эксплуатационные свойства, является радиальный зазор между телами качения и дорожками качения. Его величина зависит от точности размеров присоединительных поверхностей к корпусу и валу изделия, точности формы и расположения поверхностей колец (радиальное и торцевое биение, непараллельность торцов колец), шероховатости их поверхностей (особенно дорожек качения), точности формы и размеров тел качения в одном подшипнике и шероховатости их поверхностей; величины бокового биения по дорожкам качения внутреннего и наружного колец.

В зависимости от точности указанных параметров ГОСТ 520–89 для шариковых и роликовых подшипников с внутренним диаметром от 0,6 до 2000 мм устанавливает классы точности, которые, как правило, обозначаются арабскими цифрами в порядке повышения точности:

0;6;5;4;2;Т – для шариковых и роликовых радиальных и шариковых радиально-упорных подшипников;

0; 6; 5; 4; 2 – для упорных и упорно-радиальных подшипников;

0; 6Х; 6; 5; 4; 2 – для роликовых конических подшипников.

Установлены дополнительные 8-й и 7-й классы точности подшипников ниже нулевого класса точности для применения в неответственных узлах по заказу потребителей.

Класс точности проставляют (через тире) перед условным обозначением подшипника, например 6–205. Нулевой класс в обозначении не указывают, поскольку его применяют для большинства механизмов общего назначения. Подшипники более высоких классов точности применяют при больших частотах вращения и в случаях, когда требуется высокая точность вращения вала (например, для авиационных двигателей, для шпинделей шлифовальных и других прецизионных станков).

В гироскопических и других прецизионных приборах и машинах используются подшипники класса точности 2 и Т.

С повышением класса точности возрастают точностные требования ко всем элементам подшипников как внутренним, обеспечивающим точность вращения и радиальные зазоры между телами качения и дорожками колец, так и внешним, обеспечивающим посадку колец в изделии.

Для внутренних колец шариковых и роликовых радиальных и шариковых радиально-упорных подшипников с номинальным размером присоединительного диаметра d свыше 18 до 30 мм в зависимости от класса точности подшипника приведены допуски, мкм:

Класс точности                                        0 6 5 4   2  Т

Допуск на диаметр отверстия d _т                  10 8 6 5     4  2,5

Непостоянство ширины кольца            20 10 5 2,5  2  1,5

Биение торца относительно отверстия 20 10 8 4 2  1,5

Радиальное биение дорожки качения 13 10 4 3 2,5 2,5

Осевое биение дорожки качения         40 20 8    4    2,5 2,5

Допуски параметров подшипников, установленные по классам точности от 8-го до Т, близки к значениям допусков по квалитетам от 8-го (I Т8) до 2-го (I Т2) ЕСДП.

Точность тел качения очень высокая и составляет в среднем по разномерности в одном подшипнике 1 мкм.

Шероховатость поверхности тел качения, дорожек качения и присоединительных поверхностей колец R а 0,63...0,32 мкм и менее. Уменьшение параметра шероховатости R а от 0,32 до 0,08 мкм повышает ресурс подшипника более чем в два раза, а дальнейшее уменьшение параметра шероховатости R а до0,08...0,04 мкм – еще на 40%.

В связи с недостаточной жесткостью колец подшипников, стандартом допускается их овальность в свободном состоянии, которая может доходить до 50 % допуска на диаметр. При сборке и монтаже подшипника кольца выправляются.

Стандартом установлены предельные отклонения и допуски как на присоединительные диаметры D и d колец подшипников, так и на их средние диаметры D_m и d _т.

Средние диаметры D_m и d _т вычисляют как среднее арифметическое значение наибольшего и наименьшего диаметров, измеренных в двух крайних сечениях колец.

Кольца в свободном состоянии считаются годными, если одновременно их действительные размеры по D, d и по D_m, d _т находятся в заданных пределах. Расчет значений параметров посадок колец подшипников качения производят по предельным отклонениям D_m, d _т.

ГОСТ 3325–85 устанавливает следующие обозначения полей допусков на посадочные диаметры колец подшипника качения по D_m, d _т:

– для среднего внутреннего диаметра внутреннего кольца подшипника:

Ld _т, L 8, L 7, L 6Х, L 6, L 5, L 4, L 2, L Т;

– для среднего наружного диаметра наружного кольца подшипника:

lD _т, l 8, l 7, l 0, l 6Х, l 6, l 5, l 4, l 2, l Т,

где Ld _т – обозначение поля допуска для среднего внутреннего диаметра внутреннего кольца подшипника; lD _т – обозначение поля допуска для среднего наружного диаметра наружного кольца подшипника; L, l – условные обозначения основного отклонения соответственно для среднего внутреннего диаметра внутреннего кольца и среднего наружного диаметра наружного кольца подшипника; 8; 7; 0; 6Х; 6; 5; 4; 2; Т – классы точности подшипников по ГОСТ 520-89.

Присоединительные диаметры колец подшипников изготавливают с отклонениями размеров внутреннего диаметра внутреннего кольца и наружного диаметра наружного кольца, не зависящими от посадки, по которой их будут монтировать.

Посадки наружного кольца с отверстием корпуса изделия выполняют в системе вала, и поле допуска наружного диаметра наружного кольца располагается как для основного вала, т. е. в «минус» от нулевой линии. Посадки внутреннего кольца с валом изделия осуществляются в системе отверстия, но поле допуска внутреннего диаметра внутреннего кольца располагается от нулевой линии в «минус» (рисунок 2.1, б).

Таким образом, для всех классов точности верхнее отклонение присоединительных диаметров по d _т и D _т равно нулю.

Применение системы отверстия и системы вала в посадках колец подшипника с валом и отверстием корпуса обеспечивает их полную взаимосвязь и быстрый демонтаж и монтаж в условиях эксплуатации. Кроме того, особенность расположения полей допусков внутреннего диаметра внутреннего кольца подшипника позволяет не прибегать к специальным посадкам для получения неподвижных соединений колец с валами, а использовать стандартные переходные посадки ЕСДП.

 

2.2.2. Выбор посадок подшипников качения

Весьма важным в обеспечении высокой работоспособности подшипников является выбор посадок колец подшипника с присоединяемыми поверхностями деталей изделия. Основными факторами, определяющими выбор посадок, являются:

– вид нагружения колец подшипника;

– величина нагрузки (интенсивность нагружения);

– частота вращения;

– условия монтажа.

Главным фактором при выборе посадок является вид нагружения наружного и внутреннего колец подшипника.

Схема «вращается вал» (внутреннее кольцо вращается вместе с валом) имеет место у подшипников валов коробок передач, задних колес заднеприводных автомобилей, у роторов электродвигателей. Схема «вращается корпус» (при работе вращается наружное кольцо) лежит в основе работы подшипников передних колес заднеприводных автомобилей, в роликах конвейеров и т.п.

Различают три вида нагружения колец подшипников: местное, циркуляционное и колебательное (рисунок 2.2).

Местное нагружение кольца (М) – вид нагружения, при котором действующая на подшипник результирующая радиальная нагрузка F_r постоянно воспринимается одним и тем же ограниченным участком дорожки качения этого кольца и передается соответствующему участку посадочной поверхности вала и корпуса. Такое нагружение имеет место, когда кольцо не вращается относительно действующей нагрузки (рисунок 2.2, а) или кольцо и нагрузка участвуют в совместном вращении (рисунок 2.2, д, е).

Циркуляционное нагружение кольца (Ц) – вид нагружения, при котором действующая на подшипник результирующая радиальная нагрузка воспринимается и передается телами качения в процессе вращения дорожки качения последовательно по всей ее длине и соответственно всей посадочной поверхности вала или корпуса. Такое нагружение происходит, когда кольцо вращается относительно постоянной по направлению радиальной нагрузки Р_г с частотой вращения п (рисунок 2.2, б) или когда нагрузка вращается относительно неподвижного кольца (см. рисунок 2.2, д, е).

Колебательное нагружение кольца (К) – вид нагружения, при котором неподвижное кольцо подшипника подвергается одновременному воздействию радиальных нагрузок: постоянной по направлению F_r ивращающейся F _с (F_r > F _с) (рисунок 2.2, в, г). Их равнодействующая F_{r +с} совершает периодическое колебательное движение, симметричное относительно направления F_r причем она периодически воспринимается последовательно через тела качения зоной нагружения кольца и передается соответствующим ограниченным участкам посадочной поверхности.

Если F_r < F_c, то нагружение колец может быть местным или циркуляционным в зависимости от схемы приложения вращающихся сил. Кольца, которые остаются неподвижными, будут испытывать циркуляционное нагружение, а кольца, вращающиеся месте с нагрузкой F _с, – местное нагружение (см. рисунок 2.2, д, е). После определения вида нагружения колец подшипников, необходимо принять решение о характере посадок присоединяемых поверхностей колец подшипников с присоединительными поверхностями изделия.

Кольца, испытывающие местное нагружение, без снижения качества подшипников могут допустить использование посадок с небольшим средневероятным зазором, наличие которого необязательно приведет к взаимному смещению, нарушающему неподвижность. Только при малых нагрузках и большой частоте вращения под воздействием отдельных толчков, сотрясений и других факторов может происходить такое смещение (кольцо будет периодически проворачиваться), что в определенной мере может быть полезным, обеспечивая равномерный износ сопрягаемых поверхностей и их долговечность.

Кольца, испытывающие циркуляционное нагружение, должны иметь посадки с гарантированным натягом, исключающим возможность относительных смещений или проскальзывания, так как при появлении зазора в сопряжении будет происходить процесс раскатки колец с разрушительными последствиями.

Допустимые зазоры и натяги для сопряжений колец, испытывающих местное или циркуляционное нагружение, зависят от нагрузки на подшипник и частоты вращения.

При циркуляционном нагружении колец подшипника посадки выбирают по интенсивности радиальной нагрузки на посадочную поверхность.

 

2.3 Пример и порядок выполнения задания

 

2.3.1 Исходные данные для расчета и выбора посадок подшипников качения на вал и в корпус представлены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Исходные данные для расчета и выбора посадок подшипников качения

Обозначение подшипника	Радиальная нагрузка F, Н	Нагружение		Перегрузка подшипника, %	Особенности конструкции вала или корпуса
		внутреннего кольца	наружного кольца
104	850	циркуляционное	местное	300	Вал сплошной, корпус неразъемный

 

2.3.2 Определяем основные размеры подшипника по ГОСТ 8338 – 75 [3, таблица 16]: d = 20 мм – диаметр внутреннего кольца; D = 42 мм – диаметр наружного кольца; В = 12 мм – ширина колец; r = 1 мм – радиус фаски. Класс точности подшипника – 0.

 

2.3.3 Выбраем посадку циркуляционно нагруженного кольца из условий интенсивности радиальной нагрузки по формуле

,                                    (2.1)

где P_F – интенсивность радиальной нагрузки, Н/мм; К ₁ – динамический коэффициент; К ₂ – коэффициент, учитывающий ослабление посадочного натяга при полом вале и тонкостенном корпусе; К ₃ – коэффициент неравномерности радиальной нагрузки.

Для заданных условий нагружения подшипникового узла выбираем коэффициенты [7]: К ₁ – 1,8 при перегрузке 300 % [3, таблица 17]; К ₂ – 1 [3, таблица 18] при сплошном вале и неразъемном корпусе; К ₃ – 1 при однорядном подшипнике.

Подставив исходные данные в формулу (2.1), получим

 Н/м.

Используя полученное значение P_F  по [3, таблица 19], выбираем поле допуска вала , то есть посадку внутреннего кольца подшипника и вала .

При выборе посадки циркуляционного нагруженного наружного кольца воспользуемся рекомендациями, представленными в [3, таблица 20].

Для построения схемы расположения полей допусков посадки внутреннего кольца и вала (рисунок 2.3) по [3, таблица 21] найдем отклонение внутреннего кольца подшипника класс точности Р0 или 0 по среднему диаметру ;  мкм.

Предельные отклонения для вала  находим по [3, таблица 2]. Верхнее и нижнее отклонения располагаются симметрично относительно нулевой линии , поэтому при IT 6 = 13 мкм [3, таблица 1].

Вычислим предельные размеры:

наибольший и наименьший средние диаметры внутреннего кольца

,                                         (2.2)

мм;

,                                   (2.3)

мм;

наибольший и наименьший диаметры вала

,                                         (2.4)

мм;

,                                           (2.5)

мм.

Натяги (зазоры) определяем по формулам:

,                                          (2.6)

мм;

,                                      (2.7)

,

то есть вместо наименьшего натяга получился зазор.

 

2.3.4 Для гарантирования неподвижности соединения необходимо, чтобы наименьший табличный натяг циркуляционно нагруженного кольца  был больше или равен наименьшему расчетному натягу .

≥ .                                                    (2.8)

Наименьший расчетный натяг, мкм, определяем по формуле

                                         (2.9)

где К_к – конструктивный коэффициент, определяемый при циркуляционном нагружении:

внутреннего кольца по формуле

;                                         (2.10)

внешнего кольца по формуле

;                                        (2.11)

где d_o и D _о – приведенные диаметры (в мм):

;                                          (2.12)

.                                         (2.13)

Подставив исходные данные из п. 2.2.2 в формулы (2.12) и (2.10) определем:

приведенный диаметр

 мм;

конструктивный коэффициент

,

после чего по формуле (2.9) рассчитаем наименьший натяг, гарантирующий неподвижность соединения

 мкм.

В ранее выбранной посадке , для которой мм, т. е. не соблюдается условие (2.2), поэтому необходимо назначить другую посадку.

По [3, таблица 22] выбираем посадку , для которой  мкм, а  мкм.

При выборе посадки для циркуляционно нагруженного наружного кольца в отверстие корпуса воспользоваться рекомендациями, представленными в [3, таблица 23].

 

2.3.5 Построим схему расположения полей попусков для посадки  и определим основные ее параметры (рисунок 2.4).

Основное отклонение вала  по [3, таблица 2] нижнее ei = + 8 мкм, второе отклонение верхнее es = ei + IT 6 = 8 + 13 =21 мкм. Предельные диаметры внутреннего кольца вычислены ранее (см. рисунок 2.3).

Наибольший и наименьший диаметры вала:

,

 мм;

,

.

Наибольший, наименьший и средний натяги находим по формулам:

,

мм;

,

 мм;

,

мм.

 

2.3.6 Выбираем по [3, таблица 25] посадку местно нагруженного кольца, исходя из вида нагружения, конструктивных особенностей (см. п. 2.2.1). В рассматриваемом примере посадка наружного кольца в корпус .

Для построения схемы расположения полей допусков посадки наружного кольца и корпуса (рисунок 2.5) по [3, таблица 21] находим отклонения наружного кольца точности Р 0 или 0 по номинальному (среднему) диаметрам D_m: es = 0; ei = –11 мкм. Предельные отклонения для диаметра отверстия корпуса  находим из [3, таблица 3]. Верхнее и нижнее отклонения располагаются симметрично относительно нулевой линии . Для 7-го квалитета допускается округление, поэтому если IT 7 = 25 мкм, то принимаем: Е S = +12 мкм; EI = –12 мкм.

Вычисляем предельные размеры:

наибольший и наименьший средние диаметры наружного кольца

D_{m .т ax} = D _т + es,

D_{m .т ax} = 42 + 0 = 42 мм;

D_{m . min} = D_m + ei,

D_{m . min}  = 42 + (–0,011) = 41,989 мм;

наибольший и наименьший диаметры отверстия корпуса

D_max = D + ES,

D_max = 42 + 0,012 = 42,012 мм;

D_min = D + EI,

D_min = 42 + (–0,012) = 41,988мм.

Зазоры (натяги) определяем по формулам:

,

мм;

,

.

Наименьший зазор получился со знаком «минус», т. е. получен натяг.

 

2.3.7 Выполняем эскизы подшипникового узла и деталей с указанием посадок, отклонений размеров, формы и шероховатости поверхностей (рисунок 2.6). Отклонение формы назначить по уровню точности С, по [3, таблица 6, 26], шероховатость по [3, таблица 5].

 

2.3.8 Выполняем расчет предельных отклонений и исполнительных размеров гладких предельных рабочих калибров и строим схемы расположения их полей допусков.

Перед выполнением этого пункта изучили раздел: «Калибры гладкие для размеров до 500 мм» [4]. На гладкие рабочие калибры установлены допуски по ГОСТ 24853-81. Схемы расположения полей допусков приведены на рисунке 2.7, а их значения находим в [3, таблица 27], где Н и Н ₁ – допуски на изготовление калибров для контроля отверстия и вала; Z и Z ₁ – смещение полей допусков проходных калибров – скобы и пробки от проходных пределов внутрь полей допусков изделий; Y и Y ₁ – границы износа проходных калибров за проходные пределы (для калибров 9…17-го квалитетов номинальных размеров до 180 мм границы износа совпадают с проходными пределами, то есть Y = Y ₁ = 0).

Для рассматриваемого примера по [3, таблица 27] находим: Н = 4 мкм; Z = 3,5 мкм; Y = 3 мкм – допуски калибров – пробок; Н ₁ = 4 мкм; Z ₁ = 2,5 мкм; Y ₁ = 2 мкм – допуски калибров – скоб.

Предельные размеры проходной (Пр) и непроходной (НЕ) калибров – пробок.

,                                     (2.7)

мм.

,                                     (2.8)

 мм.

,                                         (2.9)

 мм.

,                                     (2.10)

 мм.

,                                     (2.11)

Рисунок 2.7 – Схемы расположения полей допусков калибров: а –пробки; б – скобы

 мм.

Предельные размеры проходной (Пр) и непроходной (НЕ) калибров – скоб.

,                                     (2.12)

мм.

,                                     (2.13)

 мм.

,                                         (2.14)

 мм.

,                                     (2.15)

 мм.

,                                     (2.16)

 мм.

Исполнительные размеры рабочих калибров, включают в себя номинальные размеры и допуски на изготовление, а поскольку допуски даются в материал, то исполнительные размеры запишутся следующим образом:

проходной пробки

 мм;

 мм;

 мм;

 мм.

 

2.3.9 Выполняем эскизы (рисунок 2.8) калибров – пробок и калибров – скоб и проставляем исполнительные размеры и шероховатость поверхности.

Типы калибров выбраем, изучив рисунок 9.19, 9.20, 9.23 [4].

 

2.3.10 Выбор универсальных средств измерения для контроля размеров деталей выполняем по [3, таблица 8] в последовательности, изложенной в п. 1.2.5. результаты выбора внести в таблицу 2.2.

 

Таблица 2.2 – Результаты выбора универсальных средств измерения

Условное обозначение отверстия вала	Величина допуска, мкм	Допускаемая погрешность измерения, δ, мкм	Универсальные средства измерения
			Пределы допускаемой погрешности,	Наименование и основные метрологические показатели
	25     13	7     5		Нутромер модель 109 ГОСТ 9244-75 с головкой 2ИГ с ценой деления 0,002 и диапазоном измерения 18…50 мм. Скоба рычажная СР25 ГОСТ 11098-75 с ценой деления 0,002 и диапазоном измерения 0…25 мм.

Задание 3