Подбор подшипников качения

Самоустанавливающиеся подшипники (рис. 36 б) применяют в случае повышенной не соосности опор валов (до2º…3º), а также при повышенной податливости вала.

Материалом шариков и роликов с диаметром до 20 мм, а также колец подшипников с толщиной стенки до 12 мм обычно является хромистая высокоуглеродистая сталь марки ШХ15. Предел текучести при испытании на растяжение закалённых образцов из этой стали σТ = 2200…2600 МПа. Для изготовления роликов и колец бóльших размеров используют стали с повышенным уровнем легирования – ШХ15СГ и ШХ20СГ, так как более высокое содержание в них кремния и марганца понижает скорость охлаждения металла и позволяет закалять детали на большую глубину. Кольца подшипников могут быть выполнены и из других сталей (например, предназначенных для поверхностного упрочнения).

Сепараторы массовых подшипников изготовляют штамповкой из мягкой углеродистой стали; сепараторы высокоскоростных подшипников выполняют из бронз, латуни, дуралюмина, текстолита и других материалов. Если подшипники должны обладать особыми свойствами (антикоррозионными, немагнитностью и пр.), то их детали изготовляют из соответствующих материалов.

3.5.2. Подбор подшипников качения

Основным видом повреждения считают выкрашивание дорожек качения и тел качения подшипников под действием больших статических или кратковременных динамических нагрузок, образования вмятин, лунок, вызывающих при вращении кольца усиленный износ и разрушение сепаратора.

При частоте вращения n ≤ 1об/мин подшипники выбирают по статической грузоподъёмности С0, указанной в каталоге подшипников качения.

Статической грузоподъёмностью радиальных и радиально-упорных (упорных и упорно-радиальных) подшипников называют такую радиальную (осевую) нагрузку, которая вызывает общую остаточную деформацию тел качения и дорожки качения, равную 0,0001 диаметра тела качения.

Подшипники в данном случае, выбирают так, чтобы его эквивалентная нагрузка, определяемая как бóльшая из двух величин:

(42)

не превышала допускаемой статической грузоподъёмности С0, установленного для принимаемого по каталогу подшипника, т. е.

Fсэ ≤ С0 , (43)

где X0 и Y0 – коэффициенты соответственно радиальной Fr и осевой Fa нагрузок (X0 = 0,5; Y0 = 0,22ctgα, α – начальный угол контакта, указан в каталоге).

При частоте вращения кольца подшипника n > 1об/мин его выбирают по динамической грузоподъёмности по условию

Ср ≤ С, (44)

где Ср – требуемая (расчётная) величина динамической грузоподъёмности;

С – динамическая грузоподъёмность выбранного подшипника, указанная в таблице каталога.

Динамической грузоподъёмностью радиальных и радиально-упорных подшипников называют такую радиальную нагрузку Fr, которую с 90%-ной вероятностью может выдержать подшипник без повреждений в течении одного миллиона оборотов внутреннего кольца.

Динамической грузоподъёмностью упорных и упорно-радиальных подшипников называют такую осевую нагрузку Fа, которую с 90%-ной вероятностью может выдержать подшипник без повреждений в течение одного миллиона оборотов

Динамическая грузоподъёмность зависит от типа и размера подшипника, направления и характера приложения действующей нагрузки, от температурного режима и других условий работы подшипника; она ограничивается появлением признаков усталостного разрушения рабочих поверхностей тел и дорожек качения, т. е. долговечностью подшипника. Номинальной или расчётной долговечностью называют срок службы подшипника, в течение которого не менее 90% идентичных подшипников из данной группы должны проработать без появления признаков усталостного разрушения. Долговечность выражается в миллионах оборотах L или в часах Lh.

Связь между L и Lh выражается зависимостью

, (45)

где n – частота вращения кольца подшипника, об/мин.

На долговечность подшипников влияют условия их нагружения и работы. Радиальные и радиально-упорные подшипники часто подвергаются одновременному действию радиальных Fr и осевых Fa нагрузок, которые на долговечность подшипников оказывают неравноценное влияние. Подшипники, у которых наружное кольцо неподвижно, а внутреннее – вращается, имеют более высокую долговечность, так как уменьшается число циклов нагружения неподвижного кольца. Долговечность подшипников снижается при действии переменных и ударных нагрузок, а также с повышением рабочей температуры подшипниковых узлов свыше 125º С.

Поэтому подшипники подбирают не по действительной нагрузке, а по эквивалентной Fэ, которая, будучи приложена к радиальному или радиально-упорному подшипнику, обеспечит требуемую долговечность подшипника с учётом действительных условий работы.

Требуемую величину динамической грузоподъёмности определяют по одной из формул, полученных на основании большого количества опытов,

, (46)

где q – показатель степени, зависящий от формы кривой контактной усталости, равный 3 – для шариковых и 10/3 – для роликовых подшипников.

Эквивалентную нагрузку для радиальных и радиально-упорных подшипников определяют по формуле

, (47)

для упорных подшипников – по формуле

. (48)

В формулах (47) и (48):

X, Y – коэффициенты соответственно радиальной и осевой нагрузок. определяемые по таблице 3;

V – коэффициент вращения, принимаемый для радиальных однорядных, радиально-упорных и упорно-радиальных подшипников при вращении внутреннего кольца равным 1; при вращении наружного кольца V = 1,2;

kб – коэффициент безопасности, учитывающий динамику работы и степень опасности разрушения (для редукторов всех конструкций принимается равным 1,3…1,5;

kT – температурный коэффициент, равный 1 при температуре подшипника до 125º С.

3.5.3. Определение коэффициентов X и Y

Если приложить к подшипнику, имеющему нулевой радиальный зазор, радиальную силу Fr, то под нагрузкой будет находиться приблизительно половина его тел качения. С увеличением радиального зазора число нагруженных тел качения сокращается и в результате сила, приходящаяся на наиболее нагруженное тело качение, возрастает. При осевом нагружении радиальный зазор между телами качения и дорожками уменьшается и происходит некоторое выравнивание сил по телам качения, создаваемых нагрузкой Fr. Эта особенность работы подшипника приводит к тому, что определённое осевое нагружение однорядного подшипника не снижает ресурса его работы. Чтобы её учесть в рассмотрение вводят коэффициент осевого нагружения e – предельное отношение , до достижения которого осевая нагрузка не снижает ресурса подшипника с одним рядом тел качения.

Из определения коэффициента осевого нагружения следует, что, если в таком подшипнике

, то X = 1, Y = 0, а если , то X < 1, Y > 0.

Таблица 3

Значения коэффициентов радиальной X и осевой Y нагрузок

для однорядных подшипников

Значение коэффициента осевого нагружения e можно определить по табл. 3.

Вопросы для самоконтроля

1. Валы и оси. Назначение и классификация.

2. Конструктивные элементы валов и осей, применяемые материалы.

3. В чём принципиальное отличие торсионного вала от оси.

4. Последовательность расчёта и конструирования валов.

5. Статический расчёт вала на прочность.

6. В связи, с чем производят расчёт вала на жёсткость?

7. Какая теория прочности используется при расчёте валов на прочность?

8. Чем отличается момент сопротивления сечения при изгибе от момента сопротивления сечения при кручении

9. Опоры, их назначения и виды. Достоинства и недостатки опор скольжения и качения.

10. Классификация подшипников скольжения.

11. Конструкции подшипников скольжения и их материалы.

12. Критерии работоспособности подшипников скольжения и их расчёт.

13. Устройство подшипников качения и их классификация. Материалы деталей подшипников качения.

14. Статическая, динамическая грузоподъёмности и долговечности подшипников.

4.  МУФТЫ 4.1. Назначение и классификация

Муфтами называют сборочные единицы механизмов, с помощью которых осуществляется соединение концов двух валов 1 и 2 (рис. 38) и передача крутящего момента. Во многих случаях муфты выполняют дополнительные функции: компенсируют погрешности расположения геометрических осей валов в виде несоосности е, перекоса осей α и β, осевого смещения λ и возможных сочетаний; смягчают различные колебания нагрузки, толчки, удары, возникающие при передаче движения от одного вала к другому; предохраняют механизмы от непредвиденных перегрузок и т. д. По назначению, конструкции и условиям работы муфты разделяют на следующие типы: постоянного сцепления, сцепляемые управляемые и самоуправляющиеся (рис. 39); по принципу действия – муфты механические и электромагнитные.

4.2. Подбор муфт

Муфты выбирают в зависимости от диаметров соединяемых валов и передаваемого крутящего момента МК. Элементы муфты рассчитывают на прочность по значению расчётного крутящего момента

МР= Кб∙Кд∙МК , (49)

где Кб – коэффициент безопасности, учитывающий возможные последствия выхода муфты из строя (Кб =1.0…1.8); Кд – коэффициент динамичности, учитывающий характер передаваемой нагрузки (Кд=1 при спокойной работе муфты, Кд=1,5 при работе с ударами и толчками)); МК, − наибольший передаваемый муфтой момент.

4.3. Муфты постоянного сцепления

Муфты постоянного сцепления служат для постоянного соединения вращающихся деталей в процессе работы механизма. Они делятся на глухие и подвижные. Глухие муфты жёстко соединяют валы и требуют высокой соосности соединяемых валов. Распространены два вида глухих муфт: втулочные и фланцевые.

Глухие муфты. Чаще всего применяют втулочные и фланцевые муфты. Наиболее простой является втулочная муфта (рис. 40), основное достоинство которой – малые габариты и простата конструкции. Её недостатки: невозможность применения при наличии перекосов и осевого смещения соединяемых валов. Соединение этой муфты с валом осуществляется по посадкам с зазором (обычно Н8/d9) с последующей фиксацией двумя коническими штифтами под углом 90°. Нагрузочная способность таких муфт ограничивается прочностью штифтов, работающих на срез и смятие, и прочностью втулки, рассчитываемой на кручение. Диаметр втулки D определяется из условия равнопрочности втулки и соединяемых валов:

, (50)

где D – наружный диаметр втулки; d – диаметр вала; [τк] − допускаемое напряжение на кручение для материала вала; [τ`к] − допускаемое напряжение на кручение для материала втулки.

Штифты работают на срез по двум сечениям в месте соприкосновения втулки и вала. Из условия равнопрочности штифтов

и соединяемых валов определяется диаметр штифтов dш из равенства

(51)

где [τср] − допускаемое напряжение на срез для материала штифта. Длину втулки выбирают конструктивно, обычно l=(3…5)d.

Во фланцевых муфтах (рис. 41) крутящий момент передаётся силами трения, возникающими на торцах полумуфт при затяжке винтов силой FЗ в осевом направлении. Эта сила, если поверхности соприкосновения полумуфт рассматривать как кольцо, равна

, (52)

где β > 1 – коэффициент запаса силы трения в стыке; f – коэффициент трения; DН, DВ – диаметры кольца соответственно наружный и внутренний. Главным достоинством этих муфт является удобство и простата монтажа. Недостатками − невозможность применения при перекосах валов, более сложная конструкция, увеличенные радиальные габариты.

Подвижные муфты служат для соединения валов, имеющих небольшие относительные смещения и перекосы во время работы. Эти смещения при монтаже и упругими деформациями. К подвижным муфтам относятся: крестовые, упругие втулочно-пальцевые, упругие муфты со и перекосы вызываются неточностями изготовления, погрешностями звёздочкой, расширительные и др.

Крестовые муфты применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить возможность радиального смещения валов при сохранении параллельности их осей (рис. 42).Она состоит из двух полумуфт 1 и 2 и промежуточного диска 3, имеющего на своих торцах два крестообразно лежащих выступа. Эти выступы входят в соответствующие направляющие пазы полумуфт. Пазы и выступы допускают возможность относительных радиальных смещений полумуфт и диска. Работоспособность крестовых муфт чаще всего определяется стойкостью их рабочих граней против износа.

Упругие втулочно-пальцевые муфты (МУВП) (рис. 43) применяют в приводах от электродвигателей для валов с диаметром 10…180 мм, при вращающих моментах, равных 6…16000 Нм. Вращающий момент между полумуфтами 1 и 2 передаётся через резиновые гофрированные втулки 3, надетые на пальцы 4. Муфты допускают радиальное смещение осей валов до 0,2…0,4 мм, продольное – до 10..15 мм и угловые – до 1°.

4.4. Муфты сцепные управляемые

Управляемые муфты делятся на муфты синхронные и фрикционные (асинхронные). К синхронным муфтам относятся кулачковые и зубчатые (рис. 44), позволяющие сцеплять валы только при равных угловых скоростях. Конструкции таких муфт весьма разнообразны. Все они состоят из полумуфт 1 и 2, на рабочих поверхностях которых выполнены выступы и впадины 3 (кулачки и зубья). Муфта включается при осевом перемещении полумуфты 2 по валу, осуществляемое с помощью специального механизма, для которого во втулке ведомой полумуфты предусмотрен паз . Основной недостаток этих муфт – ударное приложение нагрузки при включении на ходу.