1. Назначение и классификация опор. 2. Подшипники скольжения. 2.1. Конструкция,

область применения.
2.2. Условия работы, виды повреждения, критерии работоспособности и

расчета.
2.3. Материал вкладышей. Смазка подшипников скольжения.
2.4. Расчет подшипников скольжения.
3. Подшипники качения.
3.1. Конструкция подшипников качения.
3.2. Классификация и маркировка.
3.3. Достоинства и недостатки, область применения.
3.4. Условия работы, виды повреждений, критерии работоспособности и расчета.
3.5. Материалы и упрочняющая обработка.
3.6. Расчет подшипников на долговечность.
3.7. Конструирование узлов подшипников качения.
3.8. Смазка подшипников качения.

Лекция № 16

Опоры валов и осей

Подшипники предназначены для фиксации валов и осей в пространстве.

Они воспринимают нагрузку от валов и осей и передают ее на корпус, раму и т.п.

Основные требования к опорам
­ минимальные сопротивления;
точность движения за счет точности центрирования (центрирование- совпадение осей
колес, валов и опор);
высокая долговечность и надежность.

Классификация опор
1. В зависимости от рода трения
- подшипники скольжения
- подшипники качения
II. В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки
- радиальные
- радиально-упорные
- упорно-радиальные
- упорные (упорные подшипники часто называют подпятниками)

Назначение и классификация опор

корпуса, вкладышей, поддерживающих вал, а также смазывающих и защитных устройств.

Подшипники

скольжения

деталь, присоединяемую к машине, или выполняться за одно целое с

неподвижной корпусной деталью (рама машины) или с подвижной деталью (например, шатун).
Корпус подшипника может выполняться цельным или разъемным.
Вкладыш является основным элементом подшипника (2). Вкладыш применяют с той целью, чтобы не выполнять корпуса подшипников из дорогостоящих антифрикционных материалов, для возможности замены после износа.
Вкладыши в неразъемных подшипниках выполняются в виде втулок, а в разъемных обычных подшипниках из двух половин.
Поскольку износ вкладыша за срок службы составляет десятые доли миллиметра, и выполнять их такой толщины не представляется возможным, вкладыши изготавливаются биметаллическими. (Тонкий антифрикционный слой материала наплавляется на стальную или бронзовую основу).
В мелкосерийном производстве наряду с биметаллическими вкладышами используют сплошные из антифрикционных материалов средней прочности (чугун, текстолит, древесина).
Форма рабочей поверхности вкладышей определяется формой цапф. В большинстве цилиндрическая (коническая, шаровая).
При большой длине цапф (l= (0,5…1,3)*d) применяют самоустанавливающиеся подшипники.

Конструкция

конструкции;
- способны воспринимать большие ударные нагрузки;
- бесшумность в работе;
- малые

радиальные размеры;
- разъемные подшипники можно устанавливать на шейки коленчатого вала.

Достоинства

осевые габариты;
- значительные потери на трение период пуска.
Недостатки

нагрузками;
- для установки коленчатых валов;
- для близкорасположенных валов больших диаметров;
-

для высокоскоростных валов;
- для особоточного равномерного вращения вала;
- в тихоходных машинах и механизмах;
- при условии сильного абразивного загрязнения окружающй среды.

Применение

и жидкостное.
В зависимости от условий эксплуатации различаются следующие виды повреждений

подшипников скольжения:
I. Абразивный износ вкладышей и цапф.
Возникает вследствие попадания со смазочным материалом в зону контакта абразивных частиц и неизбежного полусухого трения при пуске и остановке.
II.Схватывание (заедание).
Возникает при перегреве подшипника. С повышением температуры понижается вязкость масла, и масленая пленка местами разрывается. Образуется металлический контакт, вкладыши выплавляются или захватываются разогретой цапфой.
Схватывание наиболее активно при незакаленных цапфах или твердых вкладышах.
III. Усталостное выкрашивание.
Разрушение фрикционного слоя может происходить при значительной пульсирующей нагрузке (например, поршневые машины, машины вибрационного действия).
IV. Отслаивание антифрикционного слоя
Наблюдается у вкладышей с некачественной заливкой антифрикционного материала.
V. Поломка вкладышей

Условия работы, виды повреждений

износу и схватыванию.
- сопротивление усталости - при пульсирующих нагрузках.

Основной расчет подшипников:
- расчет на жидкостное трение, который основывается на том, что масленый слой должен воспринимать всю нагрузку, а его толщина должна быть больше сумм высот неровностей поверхностей цапф и вкладыша и разности прогиба вала по длине цапфы.
Выполняется также условный расчет.

Критерии работоспособности и расчета

шеек валов.
К материалам подшипников предъявляются требования в соответствии с основными

критериями их работоспособности. Эти требования могут быть выполнены, при условии, если материалы подшипников будут обладать такими качествами:
а) теплопроводность, обеспечивающая интенсивный теплоотвод и малый
коэффициент линейного расширения;
б) прирабатываемость, уменьшающая возникновение кромочного давления;
в) хорошая смачиваемость маслом и способность образовывать на поверхности
стойкие масляные пленки;
г) коррозионная стойкость;
д) малый модуль упругости;
е) антифрикционность (низкий коэффициент трения).

Материалы вкладышей

три группы:

I. Металлические:

Баббиты –

сплавы на основе олова или свинца применяют для ответственных подшипников при тяжелых и средних режимах работы. Заливают тонким слоем на рабочую поверхность вкладыша.

Бронзы – применяются оловянистые, алюминиевые и свинцовые бронзы. Используют при средних скоростях и больших нагрузках.
Безоловянные алюминиевые – высокие антифрикционные свойства, но чувственным к загрязнению масла, обладают повышенной чувствительностью при высоких скоростях.

Сплавы на основе цинка – Распространен сплав ЦАМ 10-5 (10% алюминия, 5% меди, остальное цинк). Широко применяют вместо баббита Б16 и бронз.

Сплавы на основе алюминия

Антифрикционные чугуны
Чугуны – для мало ответственных тихоходных передач.

Материалы вкладышей

порошки меди или железа с добавлением графита или олова. Пропитываются

горячим маслом.
Применяются в тихоходных или труднодоступных для смазки механизмах
 
III. Неметаллические

Неметаллические материалы - хорошо прирабатываются, могут смазываться водой.

Пластмассы

Древесные пластики

Резина

Материалы вкладышей

т.е. способной образовывать на поверхности трения устойчивые адсорбированные пленки и

сопротивляться относительному сдвигу.

Основные смазочные материалы:
жидкие масла органические или минеральные.

Используются также:
- консистентные смазки (мази, солидол), для тихоходных валов.
- твердые смазки (графит)
Для валов с очень большими скоростями вращения используется воздушно-газовая смазка КПД – 0,95…0,99 – в зависимости от материала вкладыша.

Смазка подшипников скольжения

по данному критерию основан на удовлетворении условий

1. р ≤ [ р ]
  2. р · υ ≤ [ р ∙ υ ],
где р – среднее удельное давление в подшипнике



здесь S – площадь проекции опорной поверхности цапфы на диаметральную
плоскость, S = l · d;
l – длина опорной части цапфы;
d – диаметр цапфы;
р ∙ υ – удельная работа сил трения
υ – скорость скольжения
Для подшипников, как правило, l = (0,5…1,3) · d
Допускаемые значения [ р ] и [ р ∙ υ ] зависят от материалов поверхностей трения. принимаются по справочным таблицам.
Для большинства машин [ р ] = 2…5 МПа
[ р· υ ] = 2…10 МПа·м/с

Условный расчет подшипников скольжения

 
 


при выполнении этого условия гарантируется невыдавливание смазки.

Задавшись отношением l/d = q = (0,5…1,3), можно получить зависимость для определения диаметра цапфы:




Расчет по удельной работе сил трения р · υ ≤ [ р ∙ υ ],
Выполнение этого условия гарантирует нормальный тепловой режим.
Для жидкостного трения эти расчеты выполняются как ориентировочные.

Некоторые значения [ р ] и [ р · υ ] для некоторых материалов вкладышей приведены в таблице.

Условный расчет подшипников скольжения

элементом которого являются тела качения – шарики или ролики, установленные

между кольцами и удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга обоймой, называемой сепаратором




1 – наружное кольцо

2 – внутреннее кольцо

3 – тела качения

4 – сепаратор

У подшипника могут отсутствовать все вышеуказанные элементы, кроме тел качения. Важно разделить поверхности цапфы и корпуса телом качения.

Конструкция подшипников качения

d и D - номинальные

диаметры внутреннего и
наружного колец
В - ширина подшипника.
Кроме указанных деталей могут быть и другие конструктивные элементы.
Подшипники качения стандартизованы и изготавливаются в массовом производстве. Отечественной промышленностью изготавливаются подшипники качения с наружным диаметром от 1,5 мм до 2600 мм, массой от 0,5 грамм до 3,5 тонн.

Конструкция подшипников качения

форме тел качения
- шариковые;
роликовые.

2. По направлению воспринимаемой

нагрузки
- радиальные;
- радиально-упорные;
упорные

3. По числу рядов тел качения
- однорядные;
многорядные.

4. По способности компенсировать перекосы валов
- несамоустанавливающиеся
- самоустанавливающиеся, сферические

Классификация подшипников качения

связанным с нагрузочной способностью пордшипников
Для одного значения

внутреннего диаметра имеется несколько серий подшипников:

А. В зависимости от размера наружного диаметра (семь серий)
- сверхлегкие (две серии)
- особолегкие (две серии)
- легкие
- средние
тяжелые

В. В зависимости от ширины
- узкие
- нормальные
- широкие
- особо широкие

Классификация подшипников качения

цифр и букв. Цифры читаются справа налево

1.

Первые две цифры справа
обозначают внутренний диаметр (для подшипников начиная с d = 20 мм эти цифры соответствуют d, мм деленному на 5):
диаметр, мм 10 12 15 17 20 25 …
обозначение 00 01 02 03 04 05 …

2. Третья цифра обозначает серию:
1 и 7 – особо легкая;
2 – легкая;
3 – средняя;
4 – тяжелая;
5 – легкая широкая;
6 – средняя широкая;
8 и 9 – сверхлегкие.

Маркировка подшипников качения

радиальный шариковый однорядный;
1 – радиальный шариковый двухрядный сферический;
2 – радиальный

с короткими цилиндрическими роликами;
3 – радиальный роликовый двухрядный сферический;
4 – радиальный с длинными цилиндрическими роликами и игольчатый;
5 – радиальный с витыми роликами;
6 – радиально-упорный шариковый;
7 – радиально-упорный роликовый;
8 – упорный шариковый;
9 – упорный роликовый.

4. Пятая и шестая цифры указывают на конструктивные особенности данного подшипника
(наличие стопорной канавки, наличие внутренних уплотнений, угол контакта для радиально-упорных подшипников и т.п.).

Маркировка подшипников качения

нормальный по ширине;
2 – широкие;
3, 4, 5, 6 – особо

широкие;
7 – узкие.
Если цифры не указываются, то подшипник основного типа, нормальный по ширине.

6. Цифры через тире условно обозначают класс точности:
0 (Н) – нормальный класс (в маркировке не ставится);
6 (П) – повышенный;
5 (В) – высокий;
4 (А) – особо высокий;
2 (С) сверх высокий.

7. Знаки, расположенные справа, означают специальный материал деталей подшипника, требования по шуму, смазке и т.п.

Маркировка подшипников качения

Подшипник нормального класса точности, нормальный по ширине, основной конструкции, радиально-упорный

роликовый, конический, средней серии
с d = 45 мм.

Подшипник 6 – 7309 - Л
Подшипник повышенного класса точности, нормальный по ширине, основной конструкции, радиально-упорный роликовый, конический, средней серии
с d = 45 мм., материал сепаратора – латунь.

Маркировка подшипников качения

Малые потери на трение (качение) т.е. высокий КПД (0,99 …

0,995).
3. Высокая степень взаимозаменяемости.
4. Малый расход смазки.
5. Надежность в эксплуатации и простота в уходе.

Недостатки
Высокая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, вследствие
большой жесткости конструкции.
2. Невысокая надежность в высокоскоростных приводах (разрушение сепаратора от
действия центробежных сил).
3. Большие радиальные размеры.
4. Шум при больших скоростях.

Достоинства и недостатки
подшипников качения

Выбор подшипников зависит:
- от назначения подшипника;
- направления и величины

воспринимаемой нагрузки;
- угловой скорости;
- режима работы;
- стоимости;
- особенностей монтажа.
При больших скоростях и малых нагрузках принимают однорядные подшипники легких серий. Подшипники более тяжелых серий обладают большой грузоподъемностью, но допускаемая скорость их работы меньше.
При ударных нагрузках (пиковых) предпочтительны роликовые двухрядные.
Шариковые подшипники менее требовательны к условиям смазки чем роликовые.
В редукторах с цилиндрическими прямозубыми и косозубыми передачами при малых и средних нагрузках можно применять шариковые подшипники.
Если редуктор имеет шевронные колеса, то в опорах одного из валов устанавливаются подшипники с короткими цилиндрическими роликами, которые позволяют валу перемещаться в осевом направлении и таким образом самоустанавливаться колесу.
Для конических передач применяют радиально-упорные подшипники: для колеса – конические; для вала-шестерни в зависимости от частоты вращения (при малых скоростях – конические).
В червячных передачах используются радиально-упорные конические подшипники.

Применение подшипников качения

половина тел качения ее воспринимают.
Условия работы подшипников качения

Напряжения - переменные и в телах качения и в кольцах подшипника.
σна > σнб , поскольку в точке «а» имеет внешний контакт
ρпр.а < ρпр.б

F = FR1 +2·FR2 · cosγ +2·FR3·cosγ + 2·FRn·cos m·γ

тел качения и дорожек колец.
Является основным видом разрушения, сопровождается стуком

и вибрациями.

2. Пластические деформации на дорожках качения в виде вмятин в следствии действий ударных нагрузок или большого статического напряжения (без вращения).

3. Задиры рабочих поверхностей качения в следствие недостаточной смазки или неправильного монтажа.

4. Абразивный износ – следствие попадания в зону качения пыли, абразивных частиц.

5. Разрушение сепараторов от действия центробежных у быстроходных подшипников.

6. Расслаивание тел качения и колец из-за перекосов при монтаже или больших динамических нагрузках.

Внешними признаками выхода из строя подшипников являются:
- потере точности вращения;
- повышенный шум;
- повышенное сопротивление вращению и нагрев.

(долговечность по усталостному выкрашиванию).

Критерии расчета подшипников качения

обычно применяют специальные высокоуглеродистые шарикоподшипниковые хромистые стали (например, ШХ 15;

ШХ15СГ; ШХ20; 18ХГТ).
Термическая обработка – закалка с низким отпуском.
Твердость HRCЭ (60…62) до 66.
Сепараторы изготавливаются из мягких сталей. При требованиях бесшумности тела качения изготавливаются из пластмасс.
Массивные сепараторы для подшипников высокоскоростных изготавливаются из цветных металлов и пластмасс.

Материалы и упрочняющая обработка деталей подшипников качения

усталости справедлива зависимость между ресурсом – суммарным числом миллионов оборотов

L до появления признаков усталости и эквивалентной нагрузкой Pэ :

где p – показатель степени,
для шарикоподшипников, p = 3,
для роликоподшипников, p = 10 /3
Сr – динамическая грузоподъемность,
– это некоторая радиальная нагрузка (осевая для упорных подшипников)
при которой у 90% подшипников испытуемой партии в течении 1 млн.
оборотов (или 106 оборотов) внутреннего кольца будут отсутствовать
усталостные повреждения.
а1 - коэффициент, вводимый при необходимости повышения надежности.

Расчет подшипников качения
на долговечность

(*)

учитывающий качество металла подшипника и условия

эксплуатации.

Виды расчетных условий
1 – обычные условия
2 – отсутствие повышенных перекосов и наличие масленой пленки
3 – изготовление тел качения и подшипников из электрошлаковой или вакуумной
сталей.
Значения коэффициентов из условий

L кольца через ресурс в часах Lh:

n

– частота вращения, об/мин.
Lh – срок службы в часах

С учетом (*) и (**) имеем:

Расчет подшипников может быть выполнен одним из двух способов:
I. При выбранном типоразмере подшипника и известных условиях работы определяется долговечность

где - желаемый срок службы в часах.

;

(**)

Далее, при известных диаметрах вала, выбирается из таблицы

соответствующий типоразмер подшипника, в соответствии с условиями работы.
Если условие не выполняется, то при необходимости увеличивают размер подшипника или применяют другой тип подшипника.
Эквивалентная нагрузка:

где - радиальная нагрузка на данную опору

;

FaΣ - суммарная осевая нагрузка на

подшипник



X,Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, учитывающие разное
повреждающее действие радиальной и осевой нагрузок
V – кинематический коэффициент,
V = 1 – при вращении внутреннего кольца
V = 1,2 – при вращении наружного кольца.
Кб - коэффициент безопасности, учитывающий динамическую нагрузку
(принимается по таблице в зависимости от вида нагружения и области
применения подшипника)
КТ - температурный коэффициент, вводимый только при повышенной рабочей
температуре, t > 100 C°, при t <100 C° КТ = 1.

радиальных нагрузок возникают осевые составляющие (см. рис.).
Расчет подшипников качения
на

долговечность

Для радиально-упорных шариковых:

S = e ∙ Fr

Для конических роликовых:

S = 0,83 ∙ e ∙ Fr

где е - параметр осевого нагружения, табличный коэффициент.

.

Fr

Fr

S

S

α

α

в таблицах. Они зависят от отношения
и коэффициента

е

Если то Pэ = Fr;

Эквивалентная нагрузка радиальных подшипников:

Для упорных подшипников:

При скорости вращения ω < 1 рад/с или n < 10 об/мин работоспособность определяется статической грузоподъемностью С0, при которой не возникает пластических деформаций контактирующих поверхностей.

но и от рациональной конструкции узла. Подшипники устанавливают в жестких

корпусах, стремясь избегать перекосов при неправильном монтаже. Установку подвижных колец (вращающихся) осуществляют с более плотной посадкой, чем неподвижных.
Конструирование подшипниковых узлов осуществляют по 4-м основным схемам

Конструирование узлов подшипников качения

В этом случае торцы внутренних колец упираются в буртики вала

или в торцы других деталей, сидящих на валу, с внутренней стороны. Внешние торцы наружных колец упираются в торцы крышек.

Схема установки валов «Враспор»

Достоинства:
- возможность регулирования опор;
- простота конструкции.

Недостатки:
- возможность защемления вала в
опорах от температурного
удлинения.

Осевое фиксирование по схеме «Враспор» применяют при относительно коротких валах l < 8d и невысоких температурах.
Чтобы избежать защемления, необходимо при сборке узла предусмотреть осевые зазоры, которые регулируются комплектом прокладок.

Внутренние кольца фиксируются на валу с внешних сторон, наружные с

внутренних сторон в корпусе или стакане (для конических редукторов).

Схема установки валов «Врастяжку»

Достоинства:
- возможность регулирования;
малая вероятность защемления в
опорах при температурных деформациях;
увеличение опорного расстояния b1
при установке радиально-упорных
подшипников.

Недостатки:
- вероятность образования зазоров;
- усложнение конструкции из-за
образования опорных буртиков в стакане
и на валу.

Регулировка конического зацепления осуществляется комплектом прокладок между стаканом и корпусом.

одинарными или одним сдвоенным подшипником. Является наиболее распространенной в

червячных передачах при относительно длинном вале l > 8d. Внутренние кольца обеих опор закреплены на валу. Внешние кольца подшипников, расположенных в фиксирующей опоре, закреплены в корпусе.
Наружное кольцо «плавающее» подшипника остается свободным. Фиксирующая опора воспринимает как радиальную, так и осевую нагрузки. Плавающая - только радиальную.

Схема осевого фиксирования вала
в одной опоре

Достоинства:
- температурные деформации вала не
вызывают защемлений в подшипниках.

Недостатки:
- усложнение конструкции фиксирующей опоры;
- малая жесткость плавающей опоры.

роликами. Внутренние кольца закреплены на валу, а внешние – в

корпусе.

Схема опор «плавающих» валов

Осевое «плавание» вала обеспечивается тем, что внутренние кольца подшипников с комплектом роликов могут смещаться в осевом направлении относительно неподвижных, внешних колец.
Схема применяется для шевронных шестерен. Для самоустановки их по зубьям шевронного колеса.

тепло, защищает подшипники от коррозии. В редукторостроении подшипники качения стремятся

смазать тем же маслом, что и для передач. При картерной смазке подшипники качения смазываются брызгами масла при υ ≥ 10 м./с. Уровень масла должен быть не выше центра нижнего тела качения.
Если доступ масленых брызг к подшипникам затруднен или окружная скорость мала, υ ≤ 10 м/с, то смазывание их осуществляется пластичной мазью (солидол). Корпус узла заполняют в объеме 1/3 его свободного пространства.
Для смазки подшипников, работающих при температуре более 300°С применяют твердые смазки в распыленном состоянии (графит).

Смазка подшипников качения

для предупреждения вытекания масла, подшипниковые узлы снабжают уплотнительными устройствами.
Войлочные

уплотнения применяют при окружной скорости вала до 5 м/с.

2. Манжетные уплотнения имеют широкое применение при окружной скорости
до 10 м/с.

3. Канавочные уплотнения – бесконтактные применяют для подшипников,
работающих в чистой среде, при υ < 5 м/с.

4. Лабиринтные уплотнения бесконтактные – наиболее совершенны из всех
средств защиты, пригодны для работы в любом диапазоне скоростей.

В ответственных конструкциях применяют комбинированные уплотнения в различных сочетаниях. При смазывании подшипников индивидуально, пластичными смазочными материалами полость подшипника отделяют от внутренней части корпуса мазеудерживающими кольцами.

В косозубых и шевронных передачах масло выжимается зубьями в сторону. Для предотвращения обильного забрасывания маслом подшипников устанавливают маслозащитные (маслоотбойные) кольца различных конструкций.

Смазка подшипников качения