Опоры осей и валов. Конструктивные элементы валов и осей

Вал – вращающаяся деталь машины, предназначенная для поддержания установленных на нём деталей и для передачи вращающегося момента ().

Рисунок 1 – Прямой ступенчатый вал: 1 – шип; 2 – шейка; 3 – подшипник

Ось – деталь машины, предназначенная только для поддержания установленных на ней деталей (). Ось не передаёт вращающегося момента. Оси могут быть подвижными и неподвижными.

Рисунок 2 – Ось тележки

По геометрической форме валы делятся на прямые, коленчатые и гибкие (). Оси, как правило, изготовляют прямыми.

Рисунок 3 – Конструкции валов

Прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми. Образование ступеней связано с различной напряжённостью отдельных сечений, а также условиями изготовления и сборки. По типу сечения валы и оси бывают сплошные и полые. Полое сечение применяется для уменьшения массы и для размещения внутри другой детали.

Цапфа – участок вала или оси, располагающийся в опорах. Цапфы подразделяются на шипы, шейки и пяты ().

Рисунок 4 – Конструкции цапф

Шипом называется цапфа, расположенная на конце вала или оси и передающая преимущественно радиальную нагрузку.

Шейкой называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси. Опорами для шипов и шеек служат подшипники. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими и сферическими. В большинстве случаев применяются цилиндрические цапфы.

Пятой называют цапфу, передающую осевую нагрузку. Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме могут быть сплошными (), кольцевыми (), гребенчатыми ().

Рисунок 5 – Конструкции пят

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими и коническими. При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше диаметра соседних участков для удобства напрессовки. Диаметры посадочных поверхностей выбирают из ряда нормальных линейных размеров, а диаметры под подшипники качения – в соответствии со стандартами на подшипники.

Переходные участки () между двумя ступенями валов или осей выполняют:

Рисунок 6 – Переходные участки валов

Рисунок 7 – Конструкции переходных участков валов

Эффективным средством для снижения концентрации напряжений в переходных участках являются:

Рисунок 8 – Способы повышения усталостной прочности валов

Деформационное упрочнение (наклёп) галтелей обкаткой роликами повышает несущую способность валов и осей.

Валы и оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Основными критериями работоспособности являются сопротивление усталости () и жёсткость. Сопротивление усталости валов и осей оценивается коэффициентом запаса прочности, а жёсткость – прогибом в местах посадок деталей и углами наклона или закручивания сечений.

Рисунок 9 – Конструктивные средства повышения сопротивления валов усталости в местах посадки

Основными силовыми факторами являются крутящие и изгибающие моменты. Влияние растягивающих и сжимающих сил невелико и в большинстве случаев не учитывается.

Перечень ссылок

1. Валы и оси // Детали машин. – http://www.det-mash.ru/index.php?file=valy_osy .

Вопросы для контроля

1. В чём состоит отличие вала от оси?
2. Какие бывают валы по конструктивному исполнению?
3. Чем отличаются различные разновидности цапф?
4. Какими способами достигается снижение концентрации напряжений на переходных участках валов?

Устройства, предназначенные для поддержания движущихся деталей и обеспечения определенного вида движения деталей, называют направляющими .

Направляющие для вращательного движения называют опорами . Понятие “опора” охватывает два звена – цапфу и подшипник. Цапфой называют часть вала или оси, опирающуюся на подшипник.

Точность и надежность работы механизмов и машин во многом зависит от качества опор.

Подшипники – устройства, поддерживающие валы и оси, - воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус. Кроме того, подшипник обеспечивает фиксацию вала в определенном положении. Помимо валов и осей подшипники могут поддерживать детали, вращающиеся вокруг осей или валов, например, шкивы, шестерни и т.п.

По виду трения подшипники делят на подшипники скольжения и качения.

В подшипниках скольжения опорный участок вала (цапфа) скользит по поверхности подшипника (рисунок 15).

Рис.15. Подшипники скольжения

Подшипники скольжения появились значительно раньше опор качения – при создании простейших машин. В современном машиностроении подшипники скольжения используют только там, где применение их является предпочтительным. Например, для подшипников особо тяжелых валов (для которых подшипники качения не изготовляют), если необходимо иметь разъемные подшипники (для коленчатых валов) и т.п.

Подшипники скольжения (см. рисунок 15) состоят из двух основных элементов: корпуса 1 и вкладыша 2. Вкладыш, являющийся рабочим элементом, выполняется из антифрикционного материала (бронза, латунь, баббит, специальный чугун, пластмасса). Он находится в непосредственном соприкосновении с цапфой вала и воспринимает от неё нагрузки. Корпус, который может быть разъемным и неразъемным, предназначен для размещения вкладыша и восприятия нагрузок.

Достоинства подшипников скольжения – незначительные размеры в радиальном направлении; простота устройства, изготовления и монтажа; низкая стоимость; малая чувствительность к ударам и толчкам; бесшумность работы. К недостаткам следует отнести: значительные потери на трение, сложность системы смазки, высокие требования к смазке.

В современном машиностроении чаще используют подшипники качения . В них трение скольжения заменяется трением качения посредством установки тел качения между опорными поверхностями подшипника и вала.

Подшипник качения (рисунок 16) – это готовый узел, который в большинстве случаев состоит из наружного 1 и внутреннего 3 колец с углублениями – дорожками качения А , тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4, направляющего и удерживающего тела качения. В некоторых типах подшипников для уменьшения габаритов одно или оба кольца отсутствуют, а иногда отсутствует сепаратор (игольчатые).

Рис.16. Подшипник качения

Достоинства подшипников качения: малые потери на трение и незначительный нагрев, малый расход смазки, небольшие габариты в осевом направлении, невысокая стоимость (массовое производство) и высокая степень взаимозаменяемости. К недостаткам опор качения можно отнести увеличенные габариты в радиальном направлении, чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, некоторый шум в работе и сложность монтажа.

Все подшипники качения стандартизованы и в массовых количествах выпускаются специализированными заводами.

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, нем. zappen, голл. shiffen – вал ). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются.

Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить надёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного корпуса. Следовательно, главная особенность работы подшипника – трение сопряжённых деталей.

По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы:

è подшипники скольжения (трение скольжения);

è подшипники качения (трение качения).

ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ

Основным элементом таких подшипников является вкладыш из антифрикционного материала или, по крайней мере, c антифрикционным покрытием. Вкладыш устанавливают (вкладывают) между валом и корпусом подшипника .

Трение скольжения безусловно больше трения качения, тем не менее, достоинства подшипников скольжения заключаются в многообразных областях использования:

В разъёмных конструкциях (см. рисунок);

При больших скоростях вращения (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях при n > 10 000 об/мин );

При необходимости точного центрирования осей;

В машинах очень больших и очень малых габаритов;

В воде и других агрессивных средах.

Недостатки таких подшипников – трение и потребность в дорогих антифрикционных материалах.

Кроме того, подшипники скольжения применяют во вспомогательных, тихоходных, малоответственных механизмах.

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения вызваны трением :

r температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша);

r абразивный износ;

r усталостные разрушения вследствие пульсации нагрузок.

При всём многообразии и сложности конструктивных вариантов подшипниковых узлов скольжения принцип их устройства состоит в том, что между корпусом и валом устанавливается тонкостенная втулка из антифрикционного материала, как правило, бронзы или бронзовых сплавов, а для малонагруженных механизмов из пластмасс. Имеется успешный опыт эксплуатации в тепловозных дизелях М753 и М756 тонкостенных биметаллических вкладышей толщиной не более 4 мм, выполненных из стальной полосы и алюминиево-оловянного сплава АО 20-1.

Большинство радиальных подшипников имеет цилиндрический вкладыш, который, однако, может воспринимать и осевые нагрузки за счёт галтелей на валу и закругления кромок вкладыша. Подшипники с коническим вкладышем применяются редко, их используют при небольших нагрузках, когда необходимо систематически устранять ("отслеживать") зазор от износа подшипника для сохранения точности механизма.

Для правильной работы подшипников без износа поверхности цапфы и втулки должны быть разделены слоем смазки достаточной толщины. В зависимости от режима работы подшипника в нём может быть:

è жидкостное трение , когда рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина которого больше суммы высот шероховатости поверхностей; при этом масло воспринимает внешнюю нагрузку, изолируя вал от вкладыша, предотвращая их износ. Сопротивление движению очень мало;

è полужидкостное трение , когда неровности вала и вкладыша могут касаться друг друга и в этих местах происходит их схватывание и отрыв частиц вкладыша. Такое трение приводит к абразивному износу даже без попадания пыли извне.

Обеспечение режима жидкостного трения является основным критерием расчёта большинства подшипников скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность по критериям износа и заедания.

Критерием прочности, а следовательно, и работоспособности подшипника скольжения являются контактные напряжения в зоне трения или, что, в принципе, то же самое – контактное давление. Расчётное контактное давление сравнивают с допускаемым p = N / (l d ) £ [ p ] . Здесь N – сила нормального давления вала на втулку (реакция опоры), l - рабочая длина втулки подшипника, d – диаметр цапфы вала.

Иногда удобнее сравнивать расчётное и допускаемое произведение давления на скорость скольжения. Скорость скольжения легко рассчитать, зная диаметр и частоту вращения вала.

Произведение давления на скорость скольжения характеризует тепловыделение и износ подшипника. Наиболее опасным является момент пуска механизма, т.к. в покое вал опускается ("ложится") на вкладыш и при начале движения неизбежно сухое трение.

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Принцип их конструкции заключается в наличии между валом и корпусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения .

Это могут быть или шарики, или ролики (короткие толстые либо длинные иглообразные), или конические ролики, или бочкообразные, или даже спиралевидные пружины. Обычно подшипник выполняется как самостоятельная сборочная единица, состоящая из наружного и внутреннего колец, между которыми и помещены тела качения.

Тела качения во избежание ненужного контакта друг с другом и равномерного распределения по окружности заключены в специальную кольцеобразную обойму – сепаратор (лат. Separatum – разделять ).

В некоторых конструкциях, где приходится бороться за уменьшение радиальных габаритов, применяются т.н. "бескольцевые" подшипники, когда тела качения установлены непосредственно между валом и корпусом. Однако нетрудно догадаться, что такие конструкции требуют сложной, индивидуальной, а, следовательно, и дорогой сборки-разборки.

Достоинства подшипников качения:

Низкое трение, низкий нагрев;

Экономия смазки;

Высокий уровень стандартизации;

Экономия дорогих антифрикционных материалов.

Недостатки подшипников качения:

` высокие габариты (особенно радиальные) и вес;

` высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;

` слабая виброзащита, более того, подшипники сами являются генераторами вибрации за счёт даже очень малой неизбежной разноразмерности тел качения.

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам:

è форма тел качения;

è габариты (осевые и радиальные);

è точность выполнения размеров;

è направление воспринимаемых сил.

По форме тел качения подшипники делятся на:

è Шариковые (быстроходны, способны к самоустановке за счёт возможности некоторого отклонения оси вращения);

По радиальным габаритам подшипники сгруппированы в семь серий:

По осевым габаритам подшипники сгруппированы в четыре серии:

По классам точности подшипники различают следующим образом:

è "0" – нормального класса;

è "6" – повышенной точности;

è "5" – высокой точности;

è "4" – особовысокой точности;

è "2" – сверхвысокой точности.

При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже".

По воспринимаемым силам все подшипники делятся на четыре группы. Вычислив радиальную F r и осевую F a реакции опор вала, конструктор может выбрать:

è Радиальные подшипники (если F r << F a ), воспринимающие только радиальную нагрузку и незначительную осевую. Это цилиндрические роликовые (если F a = 0 ) и радиальные шариковые подшипники.

è Радиально-упорные подшипники (если F r > F a ), воспринимающие большую радиальную и меньшую осевую нагрузки. Это радиально-упорные шариковые и конические роликовые с малым углом конуса.

è Упорно-радиальные подшипники (если F r < F a ), воспринимающие большую осевую и меньшую радиальную нагрузки. Это конические роликовые подшипники с большим углом конуса.

è Упорные подшипники , "подпятники" (если F r << F a ), воспринимающие только осевую нагрузку. Это упорные шариковые и упорные роликовые подшипники. Они не могут центрировать вал и применяются только в сочетании с радиальными подшипниками.

Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения.

Здесь используются шарикоподшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А.

Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60 ¸ 65 , а у шариков немного больше – HRC 62 ¸ 66 , поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс.

5.1. На что опираются валы и оси в работающей машине?

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.

По принципу работы различают:

● Подшипники скольжения.

● Подшипники качения.

5.2. Что такое подшипник скольжения?

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Цапфа вала скользит по опорной поверхности.

5.3. Достоинства и недостатки подшипников скольжения.

Достоинства:

● Малые габариты в радиальном направлении.

● Хорошая восприимчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Возможность применения при очень высоких частотах вращения вала.

● Возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки:

● Большие габариты в осевом направлении.

● Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания.

● Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.

5.4. Основные требования к материалам, применяемым в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей в паре с цапфой должны обеспечивать:

● Малый коэффициент трения.

● Высокую износостойкость.

● Хорошую прирабатываемость.

● Коррозионную стойкость.

● Малый коэффициент линейного расширения.

● Низкую стоимость.

Ни один из известных материалов всем комплексом этих свойств не обладает. Поэтому применяют различные антифрикционные материалы, наилучшим образом отвечающие конкретным условиям работы.

5.5. Основные материалы, применяемые в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей можно разделить на три группы.

● Металлические. Баббиты (сплавы на основе олова или свинца) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей прирабатываемостью, но дороги. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы, латуни, цинковые сплавы. При невысоких скоростях применяют антифрикционные чугуны.

● Металлокерамические. Пористые бронзографитовые или железографитовые материалы пропитывают горячим маслом и применяют при невозможности обеспечения жидкой смазки. Эти материалы способны достаточно долго работать без подвода смазочного материала.

● Неметаллические. Полимерные самосмазывающиеся материалы используют при значительных скоростях скольжения. Фторопласты имеют малый коэффициент трения, но высокий коэффициент линейного расширения. Подшипники с резиновыми вкладышами применяют с водной смазкой.

5.6. Критерии работоспособности подшипников скольжения.

Основным критерием является износостойкость трущейся пары.

Работа сил трения в подшипнике преобразуется в тепло, поэтому еще одним критерием является теплостойкость .

5.7. Что такое подшипник качения?

Готовый узел, который состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения.

5.8. Достоинства и недостатки подшипников качения.

Достоинства:

● Малые потери на трение.

● Высокий КПД.

● Незначительный нагрев.

● Высокая нагрузочная способность.

● Малые габаритные размеры в осевом направлении.

● Высокая степень взаимозаменяемости.

● Простота в эксплуатации.

● Малый расход смазки.

Недостатки:

● Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Большие габариты в радиальном направлении.

● Шум при больших оборотах.

5.9. Как классифицируются подшипники качения?

● По форме тел качения – шариковые и роликовые, причем роликовые: цилиндрические, конические, бочкообразные.

● По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные нагрузки), радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые нагрузки) и упорные (воспринимают осевые нагрузки).

● По числу рядов тел качения – однорядные, двухрядные и многорядные.

5.10. Основные причины потери работоспособности подшипников качения.

● Усталостное выкрашивание после длительной работы.

● Износ – при недостаточной защите от абразивных частиц.

● Разрушение сепараторов, характерное для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец.

● Раскалывание колец и тел качения – при недопустимых ударных нагрузках и перекосах колец.

● Остаточные деформации на дорожках качения в виде лунок и вмятин – у тяжелонагруженных тихоходных подшипников.

5.11. Как проводится подбор подшипников качения?

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из стандартных.

Различают подбор подшипников:

● По базовой статической грузоподъемности для предупреждения остаточной деформации – при частоте вращения не более 10 об/мин.

● По базовой динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) – при частоте вращения более 10 об/мин.

Муфты

6.1. Назначение муфт.

Муфта – устройство, основное назначение которого соединение валов и передача вращающего момента с одного вала на

другой без изменения его величины и направления.

Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт.

Некоторые типы муфт дополнительно:

● Компенсируют монтажные неточности.

● Разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя.

● Предохраняют машину от поломок в аварийных режимах.

● Поглощают толчки и вибрации.

6.2. Как классифицируют муфты?

● Постоянные (нерасцепляемые) муфты, обеспечивающие постоянное соединение валов.

● Муфты сцепления, обеспечивающие соединение (сцепление) или разъединение валов во время работы машины.

Управляемые муфты сцепления соединяют (разъединяют) валы по команде.

Самоуправляемые муфты сцепления срабатывают автоматически, соединяя и разъединяя валы в зависимости от специфики работы машины и принципа действия муфты.

6.3. Виды несоосности валов.

Вследствие погрешностей изготовления и монтажа имеется некоторая неточность взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального (соосного) расположения валов:

● Радиальное смещение, или эксцентриситет, D .

● Осевое (продольное) смещение l , которое может возникнуть также из-за деформации валов при изменении температуры.

● Угловое смещение, или перекос, g .

6.4. Что такое глухая муфта?

Глухая муфта образует жесткое соединение валов. Она не компенсирует ошибки изготовления и монтажа и требует точной центровки валов.

● Муфта втулочная – простейший представитель глухих муфт. Скрепление втулки с валами выполняют с помощью штифтов или шпонок.

● Муфта фланцевая – две полумуфты, соединенные болтами.

6.5. Что такое компенсирующая муфта?

Компенсирующая муфта компенсирует ошибки изготовления и монтажа, а именно несоосность валов. Компенсация обеспечивается конструктивными особенностями: вращающий момент

передается с одной полумуфты на другую через промежуточный диск или упругие элементы из резины.

6.6. Управляемые муфты.

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления:

● Муфта, работа которой основана на зацеплении (кулачковая или зубчатая). Состоит из двух полумуфт, на торцах которых имеются выступы (кулачки). В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключения одну из полумуфт устанавливают на валу подвижно в осевом направлении.

● Муфта, работа которой основана на трении (фрикционная). Состоит из двух полумуфт, одна из которых перемещается вдоль вала и прижимается ко второй полумуфте с определенной силой.

6.7. Муфты самоуправляемые (самодействующие).

● Муфта предохранительная с разрушающимся элементом. Состоит из двух полумуфт, соединенных цилиндрическим предохранительным элементом (штифтом). При перегрузке предохранительный элемент срезается и полумуфты размыкаются.

● Муфта предохранительная фрикционная. При перегрузке полумуфты размыкаются. Автоматически восстанавливается работоспособность машины после прекращения действия перегрузки.

● Муфта обгонная (свободного хода). Служит для передачи вращающего момента только в одном направлении.

● Муфта центробежная (пусковая). Автоматически соединяет валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение.

Список литературы

1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 408 с.

2. Куклин Н.Г., Куклина Г.С., Житков В.К. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 406 с.

3. Мархель И.И. Детали машин: Учебник. – М., Форум, Инфра-М, 2011. – 336 с.

4. Рощин Г.И., Самойлов Е.А. Детали машин и основы конструирования: Учебник. – М., Дрофа, 2006. – 415 с.

5. Сухих Р.Д. Детали машин и основы конструирования: Краткий толковый словарь. – СПб, Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010. – 43 с.

1. Общие сведения о машинах и механизмах…………….…..1

2. Соединения деталей машин…………………………...…….5

2.1. Неразъемные соединения ……………………….........6

2.2. Разъемные соединения…………………………….....9

3. Механические передачи…………………………………....12

3.1. Общие сведения о механических передачах……….12

3.2. Зубчатые передачи…………………………………...13

3.3. Цепные передачи…………………………………….22

3.4. Фрикционные передачи……………………………...22

3.5. Ременные передачи …………………………….........24

4. Валы и оси…………………………………………………..25

5. Опоры валов и осей………………………………………...27

6. Муфты………………………………………………….........31

Список литературы………………………………………....35

ОПОРЫ КАЧЕНИЯ Опоры валов и осей, в которых трение скольжения заменено трением качения, называются подшипниками качения Устройство подшипников качения Установка подшипника в корпусе 1, 2 – наружные и внутренние кольца; 3 – тела качения; 4 – сепаратор Выпускаются подшипники от d = 0, 6 мм; D = 2 мм; В = 0, 8 мм; m = 0, 015 г до d = 12 м; D = 14 м; В = 0, 45 м; m = 130 г.

ДОСТОИНСТВА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Ø наиболее стандартизованы в международном масштабе; Ø централизовано изготавливаются в массовом производстве; Ø по сравнению с подшипниками скольжения имеют меньшие моменты трения при пуске; Ø меньшие габариты по ширине; Ø малый расход смазочных материалов и простота обслуживания; Ø отсутствие необходимости в цветных металлах; Ø меньшие требования термообработке к материалам и

НЕДОСТАТКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Ø большие радиальные габариты; Ø значительные контактные напряжения, ограничивающие ресурс; Ø меньшая демпфирующая способность; Ø ограниченная быстроходность; Ø повышенный шум из-за циклического перекатывания тел качения через нагруженную зону; Ø высокая производстве; стоимость при мелкосерийном Ø неразъемность в радиальном направлении

МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ Детали подшипников работают в условиях высоких контактных напряжений. Они должны иметь повышенную прочность, структурную однородность и твердость. Кольца и тела качения изготавливают из подшипниковых сталей марок ШХ 15, ШХ 15 -Ш, ШХ 15 -В, ШХ 15 СГ-Ш и т. д. Твердость - колец и роликов составляет 58… 66 HRCЭ - шариков 63… 67 HRCЭ. Сепараторы изготавливают из мягкой углеродистой стали. Массивные сепараторы из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов, металлокерамики, текстолита, полиамидов и др. пластмассы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ По форме тел качения По направлению воспринима-емой нагрузки По числу рядов тел качения По способу самоустановки По соотношению габаритных размеров По классу точности По уровню вибрации По специальным требованиям

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ ПО ЧИСЛУ РЯДОВ ТЕЛ КАЧЕНИЯ ü различают подшипники одно –, двух – и многорядные ПО СПОСОБУ САМОУСТАНОВКИ ü самоустанавливающиеся (сферические), допускающие перекос колец до 40 ü несамоустанавливающиеся (допустимый взаимный перекос колец от 1 до 8 мин.)

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО СООТНОШЕНИЮ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ (наружного диаметра D, внутреннего диаметра d и ширины В) Различают серии: сверх легкую, особо легкую, легкую широкую, среднюю широкую и тяжелую В порядке возрастания наружного диаметра установлены серии диаметров, обозначаемые цифрами 0, 8, 9, 1, 7, 2, 3, 4 и 5. Аналогично серии ширин (высот для упорных подшипников) имеют обозначения 7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4 и 5. Подшипники различных серий отличаются друг от друга в основном предельной частотой вращения и нагрузочной способностью.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО КЛАССУ ТОЧНОСТИ Стандартом установлены следующие классы точности подшипников (в порядке повышения): 8, 7, 0, 6 Х, 6, 5, 4, 2, Т. Класс точности определяет точность размеров и формы деталей подшипников. В зависимости от класса точности и дополнительных требований различают три категории подшипников: А, В, С. Наибольшее распространение имеют подшипники нормального класса точности 0. С повышением класса точности существенно возрастает стоимость изготовления подшипника. Например: класс точности 2 примерно в 10 раз дороже подшипника класса точности 0.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО УРОВНЮ ВИБРАЦИЙ ü различают подшипники с нормальным пониженным низким уровнем вибрации ПО СПЕЦИАЛЬНЫМ ТРЕБОВАНИЯМ ü выпускают подшипники теплостойкие малошумные коррозионностойкие немагнитные самосмазывающиеся и т. д.

ПРИМЕНЯЕМОСТЬ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Шариковые 38, 6% Роликовые конические 24, 7% Роликовые цилиндрические 8, 9% Роликовые сферические 5, 7% Игольчатые 5, 7% Остальные (приборные, прецизионные и т. д.) 16, 4% ВСЕГО 100%

ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ 1. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей (на дорожках качения наиболее напряженных колец из-за действия знакопеременных напряжений появляются микротрещины, которые расклиниваются проникающей в них смазкой, что ведет к выкрашиванию). 2. Разрушение тел качения. 3. Износ колец и тел качения. 4. Образование вмятин на рабочих поверхностях (бринеллирование) при динамических нагрузках, статических нагрузках, без вращения. Опасность образования вмятин существенна в транспортных машинах, в которых возможны большие динамические нагрузки и существенные нагрузки без вращения. 5. Разрушение сепараторов.

ПРИМЕРЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ а, б – раскалывание наружного кольца соответственно шарикового и роликового подшипников; в – выкрашивание рабочей поверхности внутреннего кольца

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫБРАКОВАННЫХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ТРАКТОРОВ ПО ВИДАМ ПОВРЕЖДЕНИЙ Виды повреждений (выбраковочный признак) Частота возникновения выбраковочного признака, % Увеличение зазоров сверх предельных значений нарушения плотности посадки 65… 76 Нарушение плотности посадки 17… 21 Микроскопические повреждения рабочих поверхностей дорожек и тел качения 4… 11 Поломка деталей подшипников 5… 9

КРИТЕРИИ РАСЧЕТА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Основными причинами выхода из строя подшипников качения являются: пластические деформации при статическом нагружении и усталостное выкрашивание под действием переменных нагрузок. В зависимости от условий работы расчет (подбор) подшипников на заданный ресурс ведут по статической грузоподъемности (критерий максимальных контактных напряжений) и по динамической грузоподъемности (критерий усталостного выкрашивания). Расчеты по критерию износостойкости не нашли широкого применения из-за сложности недостаточности необходимых данных. и

РАСЧЕТ (ПОДБОР) ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО СТАТИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ (при n ≤ 1 об/мин) P 0 ≤ C 0, где C 0 – статическая грузоподъемность; P 0 – эквивалентная статическая нагрузка Статической грузоподъемностью подшипников называют такую радиальную (осевую) нагрузку, которая вызывает общую остаточную деформацию тел качения и дорожки качения равную 0, 0001 диаметра тела качения. Эквивалентная статическая нагрузка: P 0 = X 0 Fr + Y 0 Fa, но не меньше, чем P 0 = Fr где X 0 , Y 0 - коэффициенты радиальной Fr и осевой Fa статических нагрузок

ПОДБОР ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО ДИНАМИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ НА НЕОБХОДИМЫЙ РЕСУРС Динамической грузоподъемностью С называют такую радиальную (осевую) нагрузку, которую с 90% вероятностью может выдержать подшипник без повреждений в течение одного миллиона оборотов внутреннего кольца. Ресурс подшипника качения – число оборотов, которые сделает одно из колец относительно другого до появления признаков усталости материала колец или тел качения. Ресурс подшипников выражают в миллионах оборотов L или в часах Lh = 106 L / (60 n), где n – частота вращения подшипника, мин-1 Уравнение кривой усталости Fr L 1/p = C или L = (C / Fr)p p = 3 - для шариковых подшипников p = 3, 33 - для роликовых подшипников Lh

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЗОВОГО РАСЧЕТНОГО РЕСУРСА Базовый расчетный ресурс L 10 в миллионах оборотов, соответствующий 90% надежности, определяют для подшипников, выполненных из обычных материалов по обычной технологии и работающих в обычных условиях, по формуле: L 10 = (C / Р)p где Р – эквивалентная динамическая нагрузка, учитывающая условия нагружения и конструкцию подшипника Для радиальных и радиально-упорных подшипников Для упорно радиальных где Fr и Fa – соответственно радиальная и осевая нагрузки; X и Y – коэффициенты радиальной и осевой динамической нагрузки; V – коэффициент вращения кольца, V = 1 при вращении внутреннего кольца, V = 1, 2 при вращении наружного кольца. Для сферических подшипников всегда V = 1. КТ - температурный коэффициент, КБ - коэффициент динамичности нагрузки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКА ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Lna = a 1 a 23 (C / P)p где a 1 - коэффициент надежности; a 23 = a 2 a 3 ; a 2 – коэффициент учитывающий свойства материала; a 3 – коэффициент учитывающий смазку и условия работы подшипника. Долговечность Lna L 10 a La L 4 a L 3 a L 2 a L 1 a Надежность, % 90 95 96 97 98 99 Коэффициент долговечности а 1 1 0, 62 0, 53 0, 44 0, 33 0, 21 Значения коэффициента a 23 Условия использования Тип подшипника I II III Шарикоподшипники, кроме сферических 0, 7… 0, 8 1, 0 1, 2 Роликоподшипники цилиндрические и шарикоподшипники сферические 0, 5… 0, 6 0. 8 1… 1, 2 Роликоподшипники конические 0, 6… 0, 7 0, 9 1, 1… 1, 3 Роликоподшипники радиальные сферические двухрядные 0, 3… 0, 4 0, 6 0. 8

УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДШИПНИКОВ I – обычные условия применения подшипников; II – характеризующиеся наличием гидродинамической пленки масла между контактирующими поверхностями и отсутствием перекосов в узле; III – кольца и тела качения изготовлены из сталей электрошлаковой или вакуумной переплавки, остальные условия соответствуют II.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ ПО ТЕЛАМ КАЧЕНИЯ б а в а – на подшипник с нулевым радиальным зазором; б – с нормальным радиальным зазором; в – на подшипник с таким же зазором, но при действии как радиальной, так и осевой силы. При осевом нагружении (в) радиальный зазор в подшипнике уменьшается и происходит некоторое выравнивание сил по телам качения, создаваемых нагрузкой Fr. Определенное осевое нагружение подшипника оказывает положительное влияние на его ресурс. Для учета этого влияния вводят коэффициент осевого нагружения е – предельное отношение При е, Х = 1, Y = 0. При > е, Х 1, Y > 0.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА РАДИАЛЬНО-УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ В расчетах учитывают осевые силы, возникающие от радиальной нагрузки Fr вследствие наклона контактных площадок к оси вращения подшипника где е’ – коэффициент минимальной осевой нагрузки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ОСЕВЫХ СИЛ НА ОПОРЫ Схема нагружения Соотношение сил Результирующие осевые силы Результирующая осевая нагрузка на фиксирующую опору равна сумме внешних осевых сил. Результирующая осевая нагрузка на другую опору равна собственной составляющей

КОНСТРУКЦИИ ВАЛА С ДВУМЯ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ В ФИКСИРУЮЩЕЙ ОПОРЕ а б а и б – вал червяка с фиксирующей опорой на радиально-упорных шариковых подшипниках и на радиально-упорных роликовых подшипниках соответственно.

КОНСТРУКЦИИ ВАЛА С ДВУМЯ ПЛАВАЮЩИМИ ОПОРАМИ а б а – вал, установленный на шариковых радиальных сферических подшипника; б – вал, установленный на роликовых радиальных подшипниках.

Src="http://present5.com/presentation/3/50410152_192278346.pdf-img/50410152_192278346.pdf-38.jpg" alt="Смазка подшипников Жидкими маслами: - окунанием; - разбрызгиванием (v>3 м/с); - масляным туманом (v>7"> Смазка подшипников Жидкими маслами: - окунанием; - разбрызгиванием (v>3 м/с); - масляным туманом (v>7 м/с); - капельная; - циркуляционная. Пластичные смазки. Твердые смазки

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПОДБОРА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ 1. Назначают подшипника тип и схему установки 2. Назначают класс точности подшипника 3. Подбирают типоразмер подшипника из ряда стандартных, исходя из диаметра вала 4. Уточняют типоразмер подшипника с учетом необходимого ресурса.

ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ Подшипник скольжения – это опора, в которой опорная поверхность вала (цапфа) скользит по поверхности вкладыша (подшипника) Радиально-упорный подшипник скольжения Fa Радиальный подшипник скольжения Упорный подшипник скольжения

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДОСТОИНСТВА работоспособность при очень больших скоростях ü небольшие габариты в радиальном направлении ü сохранение работоспособности в особых условиях (в агрессивных средах, воде, при загрязненной смазке, при отсутствии смазки) ü бесшумность ü хорошо демпфируют колебания ü легче и проще в изготовлении ü способны работать практически без износа в режиме жидкостной и газовой смазке НЕДОСТАТКИ ü большие потери на трение для подшипников, работающих в условиях граничного и полужидкостного трения ü значительные габариты в осевом направлении ü сравнительная сложность конструкции и высокие требования к смазке для подшипников, работающих в условиях жидкостного трения ü не обеспечена взаимозаменяемость, отсутствует стандартизация ü необходимость применения цветных металлов

Примеры использования (сепараторы, центрифуги, газовые турбины, шлифовальные станки, водяные насосы, гребные винты судов, двигатели внутреннего сгорания и т. д.).

ТРЕБОВАНИЯ К ПОДШИПНИКОВЫМ МАТЕРИАЛАМ И ЦАПФАМ МАТЕРИАЛЫ ПОДШИПНИКОВ ДОЛЖНЫ ИМЕТЬ: Ø малый коэффициент трения Ø высокую износостойкость и сопротивление усталости Ø хорошую теплопроводность Ø прирабатываемость Ø смачиваемость маслом Ø коррозионную стойкость Ø обрабатываемость Ø низкий коэффициент линейного расширения Ø низкую стоимость Применяется большое количество различных антифрикционных материалов ЦАПФЫ (как правило стальные) Ø должны иметь высокую твердость и шлифованную или полированную поверхность.

ПОДШИПНИКОВЫНЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТАЛЬНЫЕ баббиты бронзы сплавы на цинковой основе сплавы на алюминиевой основе антифрикционные чугуны МЕТАЛЛО- НЕМЕТАЛ-ЛИЧЕСКИЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ бронзографитовые железографитовые пластмассы древесные пластики резина графитовые материалы

ПРИМЕРЫ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ Подшипник листового прокатного стана с вкладышем из древесины: 1 – корпус подшипника; 2 – вкладыш из прессованной древесины; 3 – боковые пластины Подшипник из полиамида: 1 – металлическая втулка; 2 – трубка из полиамида; 3 – зазор; 4 – упругие кольца Резиновый вкладыш из материала на основе термореактивной армированной резины холодной вулканизации, насыщенной графитом или дусильфидом молибдена.

СХЕМЫ КОНСТРУКЦИЙ ВИБРОУСТОЙЧИВЫХ ПОДШИПНИКОВ а – лимонная форма расточки вкладышей; б – сборка со взаимным смещением вкладышей.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ Важнейшие эксплуатационные характеристики опор скольжения – несущая способность и потери на трение. 1 – область граничного трения. Соответствует высоким нагрузкам, малым скоростям скольжения, f = 0, 1… 0, 2; 2 – область полужидкостного трения, трущиеся поверхности частично касаются друга; 3 – область жидкостного трения, трущиеся поверхности не касаются друга.

СХЕМА ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА 1 – дроссели (дозирующее отверстие); 2 – карманы во вкладышах. Дроссель примерно вдвое снижает давление масла, поступающего в карман, чем обеспечивается устойчивость цапфы в подшипнике

ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ И КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ: Ø износ рабочих поверхностей (основная причина выхода из строя) Ø схватывание рабочих поверхностей Ø усталостные разрушения при циклически действующих нагрузках (машины ударного, вибрационного действия) Ø выплавление заливки вкладыша Ø заклинивание вала в подшипнике КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ Ø износостойкость Ø сопротивление усталости антифрикционного материала при переменной нагрузке Ø теплостойкость Ø виброустойчивость

ПРОВЕРКА ПОДШИПНИКА ПО УСЛОВИЮ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ Принимается допущение, что вся работа сил трения на трущихся поверхностях преобразуется в тепло. В этом случае удельная работа сил трения не должна превышать определенного предела При установившемся движении f теплостойкости будет обеспечено при = const условие

ПРОВЕРКА ПОДШИПНИКА ПО УСЛОВИЮ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ Считают, что элементарная работа сил трения одинакова для всех точек опорной поверхности пяты Эта гипотеза предполагает резко неравномерный характер распределения давления на опорной поверхности пяты со значительным повышением его в центре Применение кольцевых пят позволяет равномерное распределение давления. обеспечить более