Тема 5. 1 підшипники кочення

Принцип їх конструкції полягає в наявності між валом і корпусом групи однакових круглих тіл, званих тілами кочення [2, 28].

Це можуть бути або кульки, або ролики (короткі товсті або довгі голкоподібні), або конічні ролики, або бочкоподібні, або навіть спіралевидні пружини. Звичайно підшипник виконується як самостійна складальна одиниця, що складається із зовнішнього і внутрішнього кілець, між якими і поміщені тіла кочення.

Тіла кочення щоб уникнути непотрібного контакту один з одним і рівномірного розподілу по колу поміщені в спеціальну кільцеподібну обойму - сепаратор (лат. Separatum - розділяти).

Переваги підшипників кочення:

• низьке тертя, низький нагрів;
• економія мастила;
• високий рівень стандартизації;
• економія дорогих антифрикційних матеріалів.

Недоліки підшипників кочення:

• високі габарити (особливо радіальні) і вага;
• високі вимоги до оптимізації вибору типорозміру;
• слабкий віброзахист, більш того, підшипники самі є генераторами вібрації за рахунок навіть дуже малої неминучої разнорозмірності тіл кочення.

За формою тіл кочення підшипники діляться на:

Шарикові (швидкохідні, здібні до самоустановки за рахунок можливості деякого відхилення осі обертання);

Роликові - конічні, циліндричні, голчаті (більш вантажопідйомні, але із-за точно фіксованого положення осі обертання не здатні самовстанавлюватися, окрім бочкоподібних роликів).

По радіальних габаритах підшипники згруповані в сім серій. По осьових габаритах підшипники згруповані в чотири серії:

По класах точності підшипники розрізняють: нормального класу; підвищеної точності; високої точності; особовисокої точності; надвисокої точності.

По сприйманих силах всі підшипники діляться на чотири групи.

Радіальні підшипники (якщо F_r < < F_a), що сприймають тільки радіальне навантаження і незначне осьове. Це циліндричні роликові (якщо F_a = 0) і радіальні кулькові підшипники.

Радіально-упорні підшипники (якщо F_r > F_a), що сприймають велике радіальне і менше осьове навантаження. Це радіально-упорні кулькові і конічні роликові з малим кутом конуса.

Упорно-радіальні підшипники (якщо F_r < F_a), що сприймають велике осьове і менше радіальне навантаження. Це конічні роликові підшипники з великим кутом конуса.

Упорні підшипники, " підп'ятники" (якщо F_r < < F_a), що сприймають тільки осьове навантаження. Це упорні кулькові і упорні роликові підшипники. Вони не можуть центрувати вал і застосовуються тільки в поєднанні з радіальними підшипниками.

Матеріали підшипників кочення призначаються з урахуванням високих вимог до твердості і зносостійкості кілець і тіл кочення. Тут використовуються шарікоподшипникові високовуглецеві хромисті стали ШХ15 і ШХ15СГ, а також цементовані леговані стали 18ХГТ і 20Х2Н4А.

Твердість кілець і роликів звичайно HRC 60 ¸ 65, а у кульок трохи більше - HRC 62 ¸ 66, оскільки майданчик контактного тиску у кульки менше.

Усі підшипники кочення мають умовне позначення, яке складається з ряду цифр. Дві перші цифри, рахуючи справа, означають умовно внутрішній діаметр підшипників, до того ж для всіх підшипників із внутрішнім діаметром 20 мм і більше ці дві цифри означають частку від ділення діаметра (в міліметрах) на 5. Для підшипників з внутрішнім діаметром до 9мм перша цифра праворуч показує фактичний розмір внутрішнього діаметра (тоді на третьому місці стоїть цифра 0). Внутрішні діаметри 10; 12; 15 і 17 мм позначають двома цифрами 00; 01; 02; 03 відповідно.

Третя цифра праворуч свідчить про серію підшипників всіх діаметрів (d> 10 мм): основна з особливо легких серій позначається цифрою 1, легка – 2, середня – 3, важка – 4, легка широка – 5, середня широка – 6).

Четверта цифра праворуч показує на тип підшипника: 0 - радіальний кульковий однорядний; 1 - радіальний кульковий дворядний сферичний; 2 - радіальний із короткими циліндричними роликами; 3 - радіальний роликовий дворядний сферичний; 4 – роликовий із довгими циліндричними роликами або голчастий; 5 – роликовий із витими роликами; 6 – радіально-упорний кульковий; 7 – роликовий конічний; 8 – упорний кульковий; 9 - упорний роликовий.

П’ята та шоста цифри праворуч, що вводяться не для всіх підшипників, характеризують їхні конструктивні особливості.

Цифри 6, 5, 4 і 2, що стоять через знак “тире” перед умовним позначенням підшипника, означають його клас точності (2 - найвищий клас точності). Нормальний клас точності позначається цифрою 0, яка не показується. Із підвищенням класу точності вартість підшипника кочення значно зростає.

Приклади позначення підшипників: 318 - внутрішній діаметр d=18∙ 5=90 мм; 3 – середня серія; 0 – радіальний кульковий однорядний підшипник (нулі перед значущими цифрами спереду позначення не записуються); 7216 – внутрішній діаметр 80 мм, легка серія, підшипник роликовий конічний.

Внутрішні кільця підшипників закріплюють на валах, використовуючи буртики вала і посадку з натягом (а), пружинні стопорні кільця (б), торцеві шайби (в) і круглі спеціальні гайки разом із стопорними шайбами (г).

Такий монтаж підшипників на валах здебільшого використовується для валів, що обертаються відносно нерухомого корпусу.

Монтаж підшипників кочення у нерухомому корпусі може здійснюватись за способами

За потребою забезпечення осьового переміщення вала, зовнішнє кільце підшипника не фіксується в осьовому напрямі в корпусі (а). Однобічна фіксація осьового положення вала може здійснюватись однобічним закріпленням зовнішнього кільця підшипника буртиком у гнізді корпусу або кришкою підшипника (б, в). Двобічне закріплення зовнішнього кільця в гнізді корпусу виконується за допомогою буртика або пружинного стопорного кільця та кришки підшипника (г, д). Існують також інші способи монтажу та фіксації підшипників кочення у гнізді корпусу.

Методика підбору і розрахунку підшипників кочення стандартизована і більш детально розглядається на практичних заняттях.

ТЕМА 5.2. ПІДШИПНИКИ КОВЗАННЯ

Основним елементом таких підшипників є вкладиш з антифрикційного матеріалу або, принаймні, з антифрикційним покриттям. Вкладиш встановлюють (вкладають) між валом і корпусом підшипника [43].

Тертя ковзання безумовно більше тертя кочення, проте, достоїнства підшипників ковзання полягають в багатообразних областях використання:

· у роз'ємних конструкціях;

· при великих швидкостях обертання (газодинамічні підшипники в турбореактивних двигунах при n = 10 000 об/мин);

· при необхідності точного центрування осей;

· у машинах дуже великих і дуже малих габаритів;

· у воді і інших агресивних середовищах.

Недоліки таких підшипників - тертя і потреба в дорогих антифрикційних матеріалах.

Крім того, підшипники ковзання застосовують в допоміжних, тихохідних, маловідповідальних механізмах.

Характерні дефекти і поломки підшипників ковзання викликані тертям [41]:

· температурні дефекти (заїдання і виплавлення вкладиша);

· абразивний знос;

· втомні руйнування унаслідок пульсації навантажень.

При всьому різноманітті і складності конструктивних варіантів підшипникових вузлів ковзання принцип їх пристрою полягає в тому, що між корпусом і валом встановлюється тонкостінна втулка з антифрикційного матеріалу, як правило, бронзи або бронзових сплавів, а для малонавантажених механізмів з пластмас. Є успішний досвід експлуатації в дизелях тепловозів, тонкостінних біметалічних вкладишів, завтовшки не більше 4 мм, виконаного із сталевої смуги і алюмінієво-олов'яного сплаву.

Більшість радіальних підшипників мають циліндровий вкладиш, який, проте, може сприймати і осьові навантаження за рахунок галтелів на валу і закруглення кромок вкладиша. Підшипники з конічним вкладишем застосовуються рідко, їх використовують при невеликих навантаженнях, коли необхідно систематично усувати (" відстежувати") зазор від зносу підшипника для збереження точності механізму.

Для правильної роботи підшипників без зносу поверхні цапфи і втулки повинні бути розділені шаром мастила достатньої товщини.

Залежно від режиму роботи підшипника в ньому може бути:

· рідинне тертя, коли робочі поверхні валу і вкладиша розділені шаром масла, товщина якого більше суми висот шорсткості поверхонь; при цьому масло сприймає зовнішнє навантаження, ізолюючи вал від вкладиша, запобігаючи їх зносу. Опір руху дуже мало;

· напіврідинне тертя, коли нерівності валу і вкладиша можуть торкатися один одного і в цих місцях відбувається їх схоплювання і відрив частинок вкладиша. Таке тертя приводить до абразивного зносу навіть без попадання пилу ззовні.

Забезпечення режиму рідинного тертя є основним критерієм розрахунку більшості підшипників ковзання. При цьому одночасно забезпечується працездатність по критеріях зносу і заїдання.

Критерієм міцності, а отже, і працездатності підшипника ковзання є контактні напруження в зоні тертя або, що, у принципі, те ж саме - контактний тиск.

Розрахунковий контактний тиск порівнюють з допустимим

p = R /(l d) £ [p].

Тут R - сила нормального тиску валу на втулку (реакція опори), l - робоча довжина втулки підшипника, d - діаметр цапфи валу.

Іноді зручніше порівнювати розрахунковий допустимий додаток тиску, на швидкість ковзання. Швидкість ковзання легко розрахувати, знаючи діаметр і частоту обертання валу.

Добуток тиску на швидкість ковзання характеризує тепловиділення і знос підшипника. Найбільш небезпечним є момент пуску механізму, оскільки у спокої вал опускається (" лягає") на вкладиш і при початку руху неминуче сухе тертя.