ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ
П л а н л е к ц и и
1. Общие сведения.
2. Материалы, применяемые для изготовления подшипников качения.
3. Виды разрушений и критерии работоспособности подшипников качения.
4. Расчет подшипников качения на долговечность.
5. Статическая грузоподъемность подшипников качения.
1. Общие сведения
Подшипники качения – это опоры вращающихся или качающихся деталей, использующие элементы качения (шарики или ролики) и работающие на основе трения качения.
Основные детали подшипников качения. Подшипники качения со-
стоят из следующих деталей (рис. 13.1): 1 – наружного кольца с диаметром D ; 2 – внутреннего кольца с диаметром отверстия d и шириной B ; 3 – тел качения c диаметром D w (шариков или роликов), которые катятся по дорожкам качения колец; 4 – сепаратора, отделяющего и удерживающего тела качения в собранном состоянии.
Основное применение имеет змейковый сепаратор, в подшипниках с высокой точностью вращения применяют массивные сепараторы (цельные или клепаные).
Классификация подшипников качения группирует последние по сле-
дующим признакам: по форме тел качения, по направлению воспринимаемой нагрузки, по числу рядов тел качения, по самоустанавливаемости, по радиальным габаритным размерам, по ширине одного и того же диаметра, по степени точности.
По форме тел качения различают:
шариковые подшипники (рис. 13.2, а ). Они наиболее быстроходные; роликовые подшипники имеют большую грузоподъемность. В зависи-
мости от формы роликов бывают:
с цилиндрическими короткими роликами (рис. 13.2, б ); цилиндрическими длинными роликами (рис. 13.2, в ); игольчатыми роликами (рис. 13.2, г ); бочкообразными роликами (рис. 13.2, д ); коническими роликами (рис. 13.2, е );
комбинированными роликами (рис. 13.2, ж ), с небольшой выпуклостью поверхности (7–30 мкм на сторону); витыми или пустотелыми роликами (рис. 13.2, з ).
По направлению воспринимаемой нагрузки изготавливают:
радиальные подшипники , предназначенные для восприятия радиальных сил; некоторые типы могут воспринимать и осевые силы.
На рис. 13.3 приведены схемы шарикового (рис. 13.3, а ), роликового (рис. 13.3, б ) и игольчатого (рис. 13.3, в ) радиальных подшипников;
упорные подшипники (рис. 13.4), предназначенные для восприятия осевых сил;
радиально-упорные подшипники – шарикоподшипник (рис. 13.5, а ) и ро-
ликоподшипник (рис. 13.5, б ). Предназначены для восприятия комбинированной (с учетом угла наклона осей тел качения α) радиальной и осевой нагрузки. Подшипники регулируемых типов без осевой силы работать не могут; упорно-радиальные подшипники – для восприятия осевых и небольших
радиальных нагрузок.
По числу рядов тел качения выпускают:
однорядные подшипники (рис. 13.6); двухрядные подшипники (рис. 13.7); многорядные подшипники.
a б в г д е
По признаку самоустанавливаемости бывают:
несамоустанавливающиеся подшипники (рис. 13.8); самоустанавливающиеся подшипники (рис. 13.9). Например, сферичес-
кие самоустанавливаются при неточном угловом расположении осей вала и отверстия в корпусе.
По радиальным габаритным размерам производят подшипники качения:
сверхлегкие (две серии); особо легкие (две серии) (рис. 13.10, а);
легкие и легкие широкие (рис. 13.10, б, в); средние и средние широкие (рис. 13.10, г, д); тяжелые (рис. 13.10, е); особо тяжелые.
По ширине одного и того же диаметра подшипники бывают:
узкие; нормальные; широкие; особо широкие.
По степени точности ГОСТ 520–89 предусматривает пять классов точности (в порядке возрастания):
нормальной точности – 0; повышенной – 6; высокой – 5; прецизионной – 4; сверхпрецизионной – 2.
Подшипники качения могут выполняться с коническими посадочными отверстиями (угол конуса 1: 12).
Обозначение подшипников качения. Подшипники имеют условное обозначение, состоящее из цифр и букв (табл. 13.1).
Пятая или пятая и шестая справа цифры обозначают конструктивные разновидности подшипников: угол контакта шариков в радиально-упорных подшипниках; наличие защитных шайб, канавок под упорное кольцо и др.
Перед основными знаками условного обозначения через дефис могут ставиться: класс точности (нормальный класс точности (0) не указывается), радиальный зазор в подшипниках и величина момента трения (в этом случае нормальный класс точности указывается).
Справа от основного обозначения указываются дополнительные обозначения (буквы и цифры), учитывающие: отличия по материалам деталей, конструкции, покрытиям, зазорам, чистоте обработки; специальные требования по шуму (вибрации); обозначение сортов закладываемой смазки, специального отпуска деталей подшипников и др.
Порядковый номер цифры справа
Первая и вторая
Четвертая
Пятая и шестая
Таблица 13.1
Обозначение подшипников качения
Значение цифр
Внутренний диаметр подшипника d
Для диаметров до 9 мм цифры указывают фактический размер.
Для диаметров 10 мм – 00; 12 мм – 01; 15 мм – 02; 17 мм – 03.
Для диаметров 20–495 мм цифры соответствуют внутреннему диаметру (с 04 до 99), деленному на 5.
Для диаметров более 500 мм и нестандартных размеров указывают фактический размер через косую черту после третьей цифры справа
Серия подшипника по наружному диаметру D
Сверхлегкая |
Легкая широкая |
Средняя широкая |
Особо тяжелая |
|||||||||||||||||
Тип подшипника |
||||||||||||||||||||
Шариковый радиальный |
Шариковый радиальный сферический |
Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами |
Роликовый радиальный со сферическими роликами |
Роликовый радиальный с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами |
Роликовый радиальный с витыми роликами |
Шариковый радиально-упорный |
Роликовый конический |
Шариковый упорный, шариковый упорно-радиальный |
Роликовый упорный, роликовый упорно-радиальный |
|||||||||||
Конструктивные особенности подшипника |
||||||||||||||||||||
Серия подшипников по ширине и высоте |
||||||||||||||||||||
Нормальная |
Особо широкие |
|||||||||||||||||||
Назначение подшипников качения. Шарикоподшипники наиболее быстроходные и дешевле роликоподшипников.
Шариковый радиальный однорядный подшипник (рис. 13.11, а ) предназначен для восприятия радиальных нагрузок, но может воспринимать и двухсторонние осевые нагрузки 0,7 от неиспользованной радиальной. Удовлетворительно работает при перекосе колец до 15" .
Подшипник шариковый радиальный сферический двухрядный (рис. 13.11, б ) имеет два ряда шариков, дорожка качения наружного кольца выполнена по сферической поверхности и допускает перекос колец до 3–4º, благодаря чему возможны большие деформации валов и несоосность отверстий в опорах (возможность исполнения отдельно). Подшипник предназначен для восприятия радиальных нагрузок, но может воспринимать и двухсторонние осевые нагрузки до 0,2 от неиспользованной радиальной. При скоростях более 10 м/с рекомендуется применять массивный сепаратор.
Шариковый радиально-упорный однорядный подшипник (рис. 13.11, в ) воспринимает и радиальную, и одностороннюю осевую нагрузку. По конструкции один из бортов наружного кольца срезан, что дает возможность устанавливать больше шариков того же диаметра, повышает грузоподъемность этих подшипников до 30 %. Чем больше осевое усилие, тем с большим углом наклона осей шариков применяются подшипники (углы контакта – 12, 26 и 36°).
Шарикоподшипник радиально-упорный двухрядный (рис. 13.11, г ) воспринимает значительные радиальные, знакопеременные осевые и комбинированные нагрузки при высоких требованиях к жесткости опор вала.
Шариковый подшипник с четырехточечным контактом предназначен для работы при значительных радиальных и двухсторонних осевых нагрузках (равных неиспользованной радиальной). Радиальная грузоподъемность в 1,5 раза больше, чем у обычного однорядного шарикоподшипника.
Шариковые упорный одинарный (рис. 13.12, а ) и двойной (рис. 13.12, б ) подшипники воспринимают только осевые нагрузки, а двойной – знакопеременные. Удовлетворительно работают при скоростях до 5–10 м/с.
Роликоподшипники работают при меньших скоростях, но их грузоподъемность в 1,5–1,7 раза выше, чем у шарикоподшипников.
Роликовый радиальный подшипник с короткими цилиндрическими роликами (рис. 13.13, а ) воспринимает значительные радиальные нагрузки. Подшипник допускает осевое смещение колец и поэтому часто используется там, где необходимо обеспечить осевое перемещение вала.
Роликовый радиальный двухрядный сферический подшипник (рис. 13.13, б ) допускает перекос валов до 2–3º. Подшипник предназначен для восприятия радиальных нагрузок, но может воспринимать и двухсторонние осевые – до 0,2 от неиспользованной радиальной.
Роликовый радиально-упорный с коническими роликами подшипник (рис. 13.13, в ) удобен в сборке, воспринимает радиальную и одностороннюю осевую нагрузку (угол контакта – 9–17°) при скоростях до 15 м/с. Подшипники обладают большой чувствительностью к несоосности и относительному перекосу осей вала и корпуса.
Игольчатый роликоподшипник (рис. 12.14) воспринимает только радиальные нагрузки, при стесненных радиальных габаритах часто устанавливается без одного из колец. Посадочные поверхности вала и корпуса под иглы подвергают закалке до высокой твердости, шлифуют и полируют. Удовлетворительно работает при скоростях до 5 м/с.
Роликовый подшипник с витыми роликами хорошо работает при ударных нагрузках. Соседние ролики обычно имеют навивку противоположного направления во избежание осевого смещения колец.
2. Материалы, применяемые для изготовления подшипников качения
Кольца и тела качения подшипников изготовляют из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, а также из цементуемых легированных сталей марок 18ХГТ и 20Х2Н4А. Кольца и тела качения подшипников, работающие при температуре до 100 °С, имеют твердость 58–65 НRC. Для работы в условиях высоких температур или агрессивных сред применяют специальные теплостойкие или коррозионно-стойкие стали 9Х18, ЭИ347Ш с твердостью 63–67 НRC. При требовании обеспечить немагнитность подшипников используют бериллевую бронзу.
Сепараторы большинства подшипников изготовляют из мягкой углеродистой стали методом штамповки. Для высокоскоростных подшипников применяют массивные сепараторы из латуни, антифрикционных бронз, фторопласта, текстолита.
В условиях ударных нагрузок и при высоких требованиях к бесшумности подшипников качения тела качения изготавливают из пластмасс, при этом резко снижаются требования к твердости колец.
3. Виды разрушений и критерии работоспособности подшипников качения
Характер и причины отказов подшипников качения:
1. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей колец и тел качения в виде раковин или отслаивания под действием переменных контактных напряжений. Его обычно наблюдают после длительной работы. Сопровождается повышенным шумом и вибрациями.
2. Смятие рабочих поверхностей дорожек и тел качения (образование лунок и вмятин) вследствие местных пластических деформаций под действием ударных или значительных статических нагрузок.
3. Абразивное изнашивание вследствие плохой защиты подшипника от попадания абразивных частиц.
4. Разрушение сепараторов от действия центробежных сил и воздействия на сепаратор разноразмерных тел качения.
5. Разрушение колец и тел качения из-за перекосов колец или действия больших динамических нагрузок.
Основными критериями работоспособности являются:
долговечность по динамической грузоподъемности (рассчитывают подшипники с частотой вращения кольца n ≥ 1 об/мин);
статическая грузоподъемность (рассчитывают невращающиеся и медленно вращающиеся подшипники с частотой вращения кольца n ≤ 1 об/мин).
4. Расчет подшипников качения на долговечность
Расчет на долговечность подшипников основан на динамической грузоподъемности С подшипника, представляющей постоянную эквивалентную нагрузку, которую подшипник может выдержать в течение 106 оборотов (одного миллиона оборотов) при частоте вращения более 1 об/мин.
Расчетная долговечность подшипников (срок службы) при 90%-ном уровне надежности, млн. об.:
L 0,9 |
|||||
где С динамическая грузоподъемность, Н; P E эквивалентная (приведенная) нагрузка, Н; m показатель степени; для шариковых подшипников m = 3, для роликовых подшипников m = 10/3.
E определяется по формулеP E = (х vF R + yF A )K б K t ,
Международная организация по стандартизации разработала общие требования к основным размерам:
- Метрических радиальных подшипников качения - стандарт ISO 15:1998 (за исключением конических роликоподшипников);
- Метрических радиальных конических роликоподшипников - стандарт ISO 355:1977;
- Метрических упорных роликоподшипников - стандарт ISO 104:2002;
- Для иных серий применяется "европейская" система обозначений.
Обозначение типов подшипников
Идентификационный код подшипника составлен из ряда букв и цифр, имеющих определенное значение, и разделен на три составные части, начиная слева направо:
- Первая часть - конструктивное исполнение подшипника;
- Вторая часть - размерная серия подшипника;
- Третья часть - диаметр отверстия подшипника.
Первая часть условного обозначения отображает конструктивную форму. Данная часть всегда указана в цифровой форме, за исключением цилиндрических роликоподшипников и шарикоподшипников со съемным кольцом.
Вторая часть условного обозначения отображает тип подшипника:
0 Радиально-упорные шарикоподшипники
1 Самоустанавливающиеся шарикоподшипники
2 Сферические роликоподшипники, сферические упорные роликоподшипники
3 Конические роликоподшипники
4 Двухрядные радиальные шарикоподшипники
5 Упорные шарикоподшипники
6 Однорядные радиальные шарикоподшипники
7 Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники
8 Упорные цилиндрические роликоподшипники
N Цилиндрические роликоподшипники (за буквой “N” могут следовать еще одна или две буквы, указывающие на конструкцию упорных бортиков цилиндрических роликоподшипников, например, NJ, NU, NUP)
QJ Шарикоподшипники с четырехточечным контактом
Вторая часть условного обозначения отображает размерную серию подшипника: могут определяться и иные размеры подшипника, точнее наружный диаметр и ширина, в соответствии с диаметром отверстия. При одинаковом отверстии и наружном диаметре, подшипник может иметь разную ширину. Поэтому можно условно разделить комбинацию на серию диаметров и серию ширины.
Серия диаметров так же, как и серия ширины, обозначаются целыми числами; оба номера создают размерную серию подшипников. Приступив к определению обозначения слева направо, первый номер указывает на серию ширины, второй - на серию диаметров. Такая комбинация носит называние Размерная Серия, и предшествует код диаметра отверстия. Если тип подшипника предусматривает лишь одну серию ширины, номер ширины не указывается. В состав обозначения Размерной Серии будет входить исключительно цифра, содержащая серию диаметров.
Третья часть отображает диаметр отверстия и включает в себя две цифры, имеющие следующую систему кодирования:
00 = отверстие Ø 10 мм
01 = отверстие Ø 12 мм
02 = отверстие Ø 15 мм
03 = отверстие Ø 17 мм
04 = отверстие Ø 20 мм (точнее 20: 5 = 04)
05 = отверстие Ø 25 мм (точнее 25: 5 = 05)
... до:
96 = отверстие Ø 480 мм (точнее 480: 5 = 96)
Если диаметр отверстия подшипника равен или больше 500 мм, часть условного обозначения, указывающего на Размерную Серию, отделяется косой чертой (/), за которой следует диаметр отверстия, указанный в миллиметрах. Напр. 62/500. В отношении определенного типа подшипников первые две части условного обозначения остаются неизменными, а последняя часть поддается изменениям, точнее часть, определяющая код диаметра отверстия. Неизменная часть условного обозначения, включающая в себя конструктивную форму и размерную серию, обычно называется "серия подшипников".
| Тип подшипника |
Серия подшипника |
Обозначение типов подшипников |
Размерная серия |
| Однорядные радиальные шарикоподшипники |
618 | 6 | 18 |
| 619 | 6 | 19 | |
| 160 | 6 | (0)0 | |
| 60 | 6 | (1)0 | |
| 62 | 6 | (0)2 | |
| 63 | 6 | (0)3 | |
| 64 | 6 | (0)4 | |
| Двухрядные радиальные шарикоподшипники |
42 | 4 | (2)2 |
| 44 | 4 | (2)3 | |
| Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники |
719 | 7 | 19 |
| 70 | 7 | (1)0 | |
| 72 | 7 | (0)2 | |
| 73 | 7 | (0)3 | |
| 74 | 7 | (0)4 | |
| Двухрядные радиально-упорные шарикоподшипники |
32 | (0) | 32 |
| 33 | (0) | 33 | |
| Шарикоподшипники с четырехточечным контактом |
QJ2 | QJ1 | (0)2 |
| QJ3 | QJ1 | (0)3 | |
| Самоустанавливающиеся шарикоподшипники |
12 | 1 | (0)2 |
| 22 | (1) | 22 | |
| 13 | 1 | (0) | |
| 23 | (1) | 23 | |
| Однорядные цилиндрические роликоподшипники |
NU10 | NU | 10 |
| NU2 | NU | (0)2 | |
| NU22 | NU | 22 | |
| NU32 | NU | 32 | |
| NU3 | NU | (0)3 | |
| NU23 | NU | 23 | |
| NU4 | NU | (0)4 | |
| Конические роликоподшипники |
329 | 3 | 29 |
| 320 | 3 | 20 | |
| 330 | 3 | 30 | |
| 331 | 3 | 31 | |
| 302 | 3 | 02 | |
| 322 | 3 | 22 | |
| 332 | 3 | 32 | |
| 303 | 3 | 03 | |
| 313 | 3 | 13 | |
| 323 | 3 | 23 | |
| 239 | 2 | 39 | |
| Сферические роликоподшиппики |
230 | 2 | 30 |
| 240 | 2 | 40 | |
| 231 | 2 | 31 | |
| 241 | 2 | 41 | |
| 222 | 2 | 22 | |
| 232 | 2 | 32 | |
| 213 | 2 | 03 | |
| 223 | 2 | 23 | |
| Упорные шарикоподшипники |
511 | 5 | 11 |
| 512 | 5 | 12 | |
| 513 | 5 | 13 | |
| 514 | 5 | 14 | |
| 532 | 5 | 32 | |
| 533 | 5 | 33 | |
| 534 | 5 | 34 | |
| Двойные упорные шиарикоподшипники |
522 | 5 | 22 |
| 523 | 5 | 23 | |
| 524 | 5 | 24 | |
| Упорные сферические роликоподшипники |
292 | 2 | 92 |
| 293 | 2 | 93 | |
| 294 | 2 | 94 |
1 - Цифры в скобках в обозначение кода серии подшипников не включены
2 - Цилиндрические роликоподшипники включают серию NJ, NUP, N, NF и NU
Суффиксы подшипников
Z - Односторонняя защитная металлическая шайба для подшипника
ZZ - Двусторонняя защитная металлическая шайба для подшипника
RS - Одностороннее резиновое уплотнение для подшипника
2RS - Двустороннее резиновое уплотнение для подшипника
N - Канавка для стопорного кольца на внешнем кольце подшипника
NR - Канавка и стопорное кольцо на внешнем кольце
M - Латунный сепаратор
MA - Латунный сепаратор центрированный по внешнему кольцу
MB - Латунный сепаратор центрированный по внутреннему кольцу
TN - Усиленный полиамидный сепаратор
P6 - Класс точности соответствует ISO 6
P5 - Класс точности соответствует ISO 5
P4 - Класс точности соответствует ISO 4
C2 - Серия зазоров меньше нормальной
C3 - Серия зазоров больше нормальной
C4 - Серия зазоров больше C3
C5 - Серия зазоров больше C4
K - Коническое отверстие
Конструкция подшипника качения известна благодаря его способности обеспечивать свободное качение без повреждения, трения и износа при вращении. В современной механике ему нет аналогов, которые могли бы с большей эффективностью снижать трение и скольжение вращающихся частей.
История возникновения и развития
Отсчёт истории начинается с 3500 года до нашей эры, во времена Древнего Египта, когда его жители использовали примитивные и очень эффективные на то время опорные подшипники без применения шариков. Ближе к нашему времени, в 700-м году до нашей эры, кельты достаточно активно стали применять изделия, аналогичные современным цилиндрическим подшипникам качения.
Следующая точка в истории это 330 год до нашей эры, когда инженер Древней Греции Диад создал осадную машину, основным отличием которой отмечается применение простых скользящих элементов.
В 1490 году Леонардо Да Винчи опубликовал первый чертёж подшипника качения в мире. Отмечается тот факт, что это изобретение произвело большое впечатление в кругу специалистов этого профиля. В 1794 году он был впервые запатентован. А в 1839 году американец Исаак Баббит изобрёл специальный металлический сплав, из которого в дальнейшем изготавливались шарики. В состав этого сплава входили медь, свинец, сурьма и олово.
Большим прорывом этой области считается 1853 год, когда Филлипп Мориц Фишер создал конструкцию педального велосипеда с применением специализированных роликовых подшипников в его механизмах. Последним значимым событием стало то, что в 1883 Фридрих Фишер создал машину, которая шлифовала шарики из закалённой стали. За счёт её создания появился всемирно известный швейтфуртский подшипниковый завод, а в скором времени эта технология стала использоваться повсюду.
Классификация, виды и типы
Подшипник представляет собой кинематический механизм, задача которого состоит в определении положения подвижных элементов частей конструкции и обеспечение их более эффективного вращения относительно друг друга. Он также обеспечивает опору вращающемуся валу механизма. Параллельно с этим выполняет функцию распределения радиальной и осевой нагрузки, передавая её на корпус всей машины. Благодаря этим свойствам вал фиксируется в нужном положении и одновременно вращается вокруг своей оси.
Классификация подшипников качения имеет следующий перечень:
- Шариковый. Главной особенностью выделяется основной подвижный элемент - шарики. Считается самым распространненым видом, наиболее активно используется в автомобилях, электродвигателях, бытовом инструменте. Благодаря их сферической форме он может вращаться в разные стороны, предназначен на выдерживание радиальной и осевой нагрузки. Но из числа недостатков можно отметить малую площадь соприкосновения, поэтому в автомобиле их применяют в местах с низкой нагрузкой без воздействия ударов и вибраций. Использование шарикоподшипников для большой нагрузки влечёт за собой увеличение диаметра шариков, поэтому размер всего элемента увеличивается.
- Роликовый. Состоит из деталей, представленных в цилиндрической форме. Различные радиальные нагрузки, оказываемые на ролики, равномерно распределяются по широкому пятну соприкосновения. Из-за этого они считаются оптимальным вариантом для использования в тяжёлых условиях. Но из-за цилиндрической формы такой вид не в состоянии обеспечивать большие осевые нагрузки. В узлах с малым диаметром вала применяется роликовый тип и для установки в труднодоступные места.
- Конический. Устройство подшипника состоит из конусных роликов. Применяются они для удерживания высокой радиальной, осевой и ударной нагрузок. Основным местом установки считается ступица колеса машины. Некоторые производители в одном подшипнике устанавливают два ряда конических роликов по зеркальной схеме.
Устройство и составляющие подшипника
Какие бывают подшипники описано выше, но в большинстве своём их объединяет состав элементов , из которых они состоят.:
Определение параметров по маркировке
Государственный стандарт определяет конструктивные параметры и характеристики устройства.
Корпус подшипника может быть с выемкой и без неё. В первом случае применяется на обработанных поверхностях при удерживании радиальной нагрузки. А без выемки устанавливаются в противоположном случае. Корпус бывает разной ширины, для определения типа используют следующие аббревиатуры :
- ШМ - Широкий неразъемный.
- УБ - Узкий неразъемный.
- РШ - Широкий разъёмный.
- РУ - Узкий разъёмный.
При изготовлении этих изделий производителем строго соблюдаются установленные законодательством стандарты. Поэтому производитель вместе со своим изделием предоставляет сопроводительную документацию о нём. Принятая маркировка на территории нашей страны состоит из следующих пунктов :
- Основного обозначения.
- Дополнительных префиксов.
Например, маркировку: 6−18030ПР20П. Основные параметры заложены в шесть цифр. Первоначальная цифра 6 - это класс точности изготовления изделия. А ПР20П можно расшифровать так :
- П - префикс степени шероховатости поверхности.
- Р2О - Тип используемой смазки подвижных частей.
- П - Показатель уровня шума.
Остальной цифровой индекс обозначает :
- Тип подшипника.
- Указатель серии наружного диаметра и ширины.
- Внутренний установочный диаметр.
- Конструктивная особенность конкретной модели.
Класс точности изделия
Этот параметр указывает в основном на сферу применения изделия. Например, в современных автоматизированных станках применяются только изделия с высшим классом точности. В остальных массово применяемых механизмах используются подшипники с более низким уровнем качества при изготовлении. Класс точности может быть следующим:
- Нормальный.
- Сверхвысокий, применяемый индекс - 2.
- Особо высокий - 4.
- Высокий - 5.
- Повышенный - 6.
- Пониженный - от 7 до 8.
Анализируя вышеприведённый пример, можно сделать вывод, что изделие относится к повышенной степени точности.
Применение подшипников
Основное назначение этих устройств - это снижение фактора трения между подвижными элементами механизма. Могут применяться в автомобильной и сельскохозяйственной промышленности и при изготовлении различного производственного и бытового оборудования.
Преимущества и недостатки конструкции
Преимуществами изделий с такой конструкцией прежде всего считается низкий коэффициент трения и малая чувствительность к смазывающим материалам, дешевизна изготовления
Из числа минусов отмечается слабая стойкость к ударным нагрузкам и невозможность эксплуатации в агрессивных средах и при очень высоких оборотах.
Подшипники, предназначенные для конструкций с поворотными движениями, бывают двух типов — скольжения и качения. Отличаются они тем, каким образом передается сила между деталями — с помощью скользящих элементов или катящихся. Разберем подробнее оба случая.
Подшипники качения
Конструкция подшипников качения простая — это два кольца, в которые встроены дорожки для качения. Тела качения, которые будут передвигаться по этим дорожкам, помещены между кольцами. Как правило, этими телами являются шарики или ролики игольчатой, цилиндрической, бочкоподобной или конической формы.
Важная часть конструкции подшипников качения — сепаратор, благодаря которому шарики или ролики не соприкасаются, а распределены на равное расстояние. В игольчатых подшипниках благодаря сепараторам и сферическим роликами дополнительно контролируется правильность положения осей тел качения. А в разборных подшипниках сепараторы объединяют вместе тела качения, благодаря чему собирать подшипники проще.
Штампованные сепараторы, как правило, изготавливаются из стали. В особых случаях используются латунные сплавы, полимерные материалы и т. д. Так, полимерные сепараторы из термопластика применяются очень широко, особенно если изготовлены из армированного полиамида.
Для тел качения или колец используют особую закаленную сталь с добавлением хрома. Также применяют так называемую цементованную сталь. Если условия работы подшипников качения предполагают экстремальную эксплуатацию (например, высокая частота вращения, серьезная нагрузка, эксплуатация при высокой температуре, повышенной коррозии), то делают их из жаростойкой и нержавеющей стали, особых полимеров, керамических материалов и прочих покрытий.
Различают подшипники качения открытого типа, а также с уплотнителями контактного и щелевого типа, которые могут быть расположены с одной и с обеих сторон.
Применение подшипников качения и их отличия
Подшипники качения — общий тип деталей, но внутри него различают , отличающихся по свойствам, внешнему виду, условиям эксплуатации. Но обычно подбор подшипников осуществляется для конкретной детали и конструкции экспериментально, так как подобрать конкретный вид можно лишь условно, учитывая несколько факторов. Так, учитывают следующие моменты:
- частота вращения конструкции;
- температура;
- смазывание;
- наличие вибраций и т. д.
Если учесть все характеристики, дефекты подшипников качения при работе будут минимальными. Исключеним составляют случаи, когда размер подшипника и его типе обусловлен диаметром конструкции. Тогда невозможно выбирать между вариантами.
Рассмотрим основные подшипники качения и и отличия между ними.
Если подшипники качения создаются для переноса радиальной нагрузки, то это радиальные подшипники. Преимущество их в том, что они могут выдерживать комбинированные нагрузки. Поэтому различают много их типов:
- радиальные шарикоподшипники;
- конические роликоподшипники;
- двухрядные сферические роликоподшипники;
- радиально-упорные шарикоподшипники и другие подтипы.
Игольчатые же подшипники и многие цилиндрические подобных преимуществ не имеют — они принимают только радиальную нагрузку.
Следующий тип подшипников — упорные. Это подшипники качения, которые воспринимают осевую нагрузку. Существуют также комбинированные варианты этих изделий, которые могут возпринимать и радиальную нагрузку.
Выбирая подшипник, анализируют, стеснено ли пространство в радиальном направлении. Если да, то устанавливают подшипники, в которых меньшая высота поперечного сечения (игольчатые без колец или с внутренним кольцом, радиальные шарикоподшипники и т. д.). Если же оно ограничено в осевом направлении, выбирают однорядные цилиндрические подшипники либо упорные игольчатые без колец.
Немаловажно и то, какой тип направления движения вала в подшипнике. Так, есть модели, имеющие возможность осевого сдвига, направляющие вал в нескольких аксиальных направлениях, а также те, которые имеют возможность углового смещения, за счет чего компенсируются возможные перекосы конструкций.
Определяя нужный размер подшипника качения, учитывают несколько факторов. В первую очередь, рассчитывают будущую нагрузку на деталь, а также ее тип — динамическая или статическая. Также учитывают возможную грузоподъемность подшипника, сроки его эксплуатации, надежность и т. д. Так, вращающиеся подшипники имеют динамическую нагрузку. А те, что перемещаются крайне мало между кольцами, неподвижны или осуществляют колебательные движения, по сути имеют статическую нагрузку. Поэтому роликоподшипники имеют более высокое напряжение, чем шарикоподшипники. Первые применяют для большой нагрузки (валы, огромные конструкции), а вторые — для малой и средней.
Подшипники скольжения
Подшипники скольжения в корне отличаются от подшипников качения. Но задача их та же — обеспечить направление двух движущихся деталей или их опирание, передавая при этом все силы в деталях. Отличие состоит в том, что если в подшипниках качения работают тела качения — шарики и цилиндры, — то в подшипниках скольжения эту роль выполняют подвижные детали (планки, валы или цапфы). Они скользят по поверхности неподвижного элемента (полукольца или втулки). Благодаря подобному принципу скольжение элемента происходит между антифрикционным слоем подшипника и деталью, для которой он служит. Благодаря заложенной смазке, а также покрытию площадь контакта активно смазывается. Если же движение происходит радиально, подвижность обеспечивается за счет зазора между антифрикционным слоем и валом.
Различают много видов подшипников качения. Это и радиальные подшипники, и упорные, и полосы, полукольца, и многие другие варианты и конструкции. Они имеют ряд бесспорных преимуществ — бесшумная работа, способность выдерживать высоку нагрузку, при этом относительно медленно вращаться или колебаться. Кроме того, именно этот тип рекомендуется для работы в тяжелых условиях эксплуатации, когда наблюдается перепад температуры. За счет этих уникальных свойств подшипники скольжения применяются во всех сферах промышленности, особенно для деталей со стесненным пространством.
Подшипники качения, как и подшипники скольжения, предназначены для поддержания вращающихся осей и валов.
Электродвигатели , подъемно-транспортные и сельскохозяйственные машины, летательные аппараты, локомотивы, вагоны, металлорежущие станки, зубчатые редукторы и многие другие механизмы и машины в на-стоящее время немыслимы без подшипников качения.
Подшипники качения состоят из двух колец — внутреннего 1 и наруж-ного 3, тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4 (рис. 16, а). В зависимости от: формы тел качения различают подшипники шариковые (рис. 16, д, б, ж, и) и роликовые (рис. 16, в, г, е, з, к). Разновидностью роликовых подшипников являются игольчатые подшипники (рис. 16, д).
Основными элементами подшипников качения являются тела каче-ния — шарики или ролики, установленные между кольцами и удерживае-мые сепаратором на определенном расстоянии друг от друга.
Материалы. 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.
Для обеспечения нормальной и долговечной работы подшипников ка-чения к качеству их изготовления и термической обработке тел качения и колец предъявляют высокие требования.
Подшипники качения — это опоры вращающихся или качающихся де-талей. Подшипники качения в отличие от подшипников скольжения стан-дартизованы. Подшипники качения различных конструкций (диапазон на-ружных диаметров 1,0-2600 мм, масса 0,5-3,5 т, например, микроподшип-ники с шариками диаметром 0,35 мм и подшипники с шариками диаметром 203 мм) изготовляют на специализированных подшипниковых заводах.
Выпускаемые в СНГ подшипники качения классифицируют по способности воспринимать нагрузку — радиальные, радиально-упорные, упор-но-радиальные и упорные.
Рис. 16. Подшипники качения: а, б, в, г, д, е — радиальные подшипники; ж, з — радиально-упорные подшипники; и, к — упорные подшипники; 1 — внутреннее кольцо; 2 — тело ка-чения; 3 — наружное кольцо; 4— сепаратор
Радиальные подшипники (см. рис. 16, а-е) воспринимают (в основ-ном) радиальную нагрузку, т. е. нагрузку, направленную перпендикулярно к геометрической оси вала.
Упорные подшипники (см. рис. 16, и, к) воспринимают только осе-вую нагрузку.
Радиально-упорные (см. рис. 16, ж, з) и упорно-радиальные подшип-ники могут одновременно воспринимать как радиальную, так и осевую на-грузку. При этом упорно-радиальные подшипники предназначены для пре-обладающей осевой нагрузки.
В зависимости от соотношения размеров наружного и внутреннего диа-метров, а также ширины подшипники делят на серии: сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю, тяжелую, легкую широкую, среднюю широкую.
В зависимости от серии при одном и том же внутреннем диаметре кольца подшипника наружный диаметр кольца и его ширина изменяются.
По классам точности подшипники различают следующим образом:
"0" - нормального класса;
"6" - повышенной точности;
"5" - высокой точности;
"4" - особовысокой точности;
"2" - сверхвысокой точности.
При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже".
По форме тел качения подшипники делят на шариковые (см. рис. 16, а, б, ж, и), с цилиндрическими роликами (см. рис. 16, в), с кониче-скими роликами (см. рис. 16, з, к), игольчатые (см. рис. 16, д), с витыми роликами (см. рис. 16, е), с бочкообразными роликами (сферическими) (см. рис. 16, г). Тела качения игольчатых подшипников тонкие ролики — иглы диаметром 1,6-5 мм. Длина игл в 5-10 раз больше их диаметра. Се-параторы в игольчатых подшипниках отсутствуют.
По числу рядов тел качения различают однорядные (см. рис. 16, а, в, д-к) и двухрядные (см. рис. 16, б, г) подшипники качения.
По конструктивным и эксплуатационным признакам подшипники делят на самоустанавливающиеся (см. рис. 16, б, г) и несамоустанавливающиеся (см. рис. 16, а, в, д-к).
Под типом подшипника понимают его конструктивную разновидность, определяемую по признакам классификации.
Каждый подшипник качения имеет условное клеймо, обозначающее тип, размер, класс точности, завод-изготовитель.
На неразъемные подшипники клеймо наносят на одно из колец, на разборные — на оба кольца, например, на радиальный подшипник с ко-роткими цилиндрическими роликами (см. рис. 16, в), где наружное коль-цо без бортов и свободно снимается, а внутреннее кольцо с бортами со-ставляет комплект с сепаратором и роликами.
На один и тот же диаметр шейки вала предусматривается несколько серий подшипников, которые отличаются размерами колец и тел качения и соответственно величиной воспринимаемых нагрузок.
В пределах каждой серии подшипники равных типов взаимозаменяемы в мировом масштабе. В стандартах указываются: номер подшипника, размеры, вес, предельное число оборотов, статическая нагрузка и коэффициент работоспособности.
Первая и вторая цифры справа условно обозначают его номинальный внутренний диаметр d (диаметр вала). Для определения истинного размера d (в миллиметрах) необходимо указанные две цифры умножить на пять. Например, подшипник...04 имеет внутренний диаметр 04 . 5 = 20 мм. Это правило распространяется на подшипники с цифрами...04 и выше, до...99, т. е. для J = 20h - 495 mm. Подшипники с цифрами... 00 имеют d- 10 мм; ...01 d = 12 мм; ...02 d = 15 мм; ...03 d = 17 мм.
Третья цифра справа обозначает серию подшипника, определяя его на-ружный диаметр: 1 — особо легкая, 2 — легкая; 3 — средняя, 4 — тяжелая; 5 — легкая широкая, 6 — средняя широкая.
Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника. Если эта цифра 0, то это означает, что подшипник радиальный шариковый одно-рядный; шариковый однорядный (если левее 0 нет цифр, то 0 не указыва-ют); 1 — радиальный шариковый двухрядный сферический; 2 — радиаль-ный с короткими цилиндрическими роликами; 3 — радиальный роликовый двухрядный сферический; 4 — игольчатый или роликовый с длинными ци-линдрическими роликами; 5 — роликовый с витыми роликами; 6 — радиально-упорный шариковый; 7 — роликовый конический (радиально-упорный); 8 — упорный шариковый; 9 — упорный роликовый.
Так, например, подшипник 7208 является роликовым коническим.
Пятая и шестая цифры справа характеризуют конструктивные особен-ности подшипника (неразборный, с защитной шайбой, с закрепительной втулкой и т. п.).
Например :
50312 — радиальный однорядный шарикоподшипник средней серии со стопорной канавкой на наружном кольце;
150312 — тот же подшипник с защитной шайбой;
36312 — радиально-упорный шариковый однорядный подшипник сред-ней серии, неразборный.
Седьмая цифра справа характеризует серию подшипника по ширине.
ГОСТом установлены следующие классы точности подшипников каче-ния: 0 — нормальный класс (как правило, 0 в обозначении не указывают); 6 — повышенный; 5 — высокий, 4 — особо высокий, 2 — сверхвысокий. Цифру, обозначающую класс точности, ставят слева от условного обозна-чения подшипника и отделяют от него знаком тире; например, 206 означа-ет шариковый радиальный подшипник легкой серии с номинальным диа-метром 30 мм, класса точности 0.
Кроме цифр основного обозначения слева и справа от него могут дополнительные буквенные или цифровые знаки, характеризующие специальные условия изготовления данного подшипника.
Так, класс точности маркируют цифрой слева через тире от основного обозначения. В порядке повышения точности классы точности обозначают: 0, 6, 5, 4, 2. Класс точности, обозначаемой цифрой 0 и соответствующей нормальной точности, не проставляют. В общим машиностроение применяют подшипники классов 0 и 6. в изделиях высокой точности или работающей высокой частотой вращения (шпиндельные узлы скоростных станков, высокооборотный электродвигатели и др.) применяют подшипники класса 5 и 4. подшипники класса точности 2 используют в гироскопических приборах.
Так, например, подшипник 7208 — класса точности 0.
Помимо приведенных выше имеются и дополнительные (более высокие и более низкие) классы точности.
В зависимости от наличия дополнительных требований к уровню вибраций, отклонениям формы и расположения поверхностей качения, моменту трения и др. установлены три категории подшипников: А — повышенные регламентированные нормы; В — регламентированные нормы; С — без дополнительных требований.
Возможные знаки справа от основного обозначения: Е — сепаратор выполнен из пластических материалов; Р — детали подшипника из теп-лостойких сталей; С — подшипник закрытого типа при заполнении сма-зочным материалом и др.
Примеры обозначений подшипников:
311 — подшипник шариковый радиальный однорядный, средней серии диаметров 3, серии ширин 0, с внутренним диаметром d = 55 мм, основной конструкции (см. рис. 14.5, а), класса точности 0;
6-36209 — подшипник шариковый радиально-упорный однорядный, легкой серии диаметров 2, серии ширин 0, с внутренним диаметром d = 45 мм, с углом контакта а = 12°, класса точности 6;
4-12210 — подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами, легкой серии диаметров 2, серии ширин 0, с внутренним диаметром d = 50 мм, с одним бортом на наружном кольце (см. рис. 14.9, б), класса точности 4;
4-3003124Р — подшипник роликовый радиальный сферический двухрядный особолегкой серии диаметров 1, серии ширин 3, с внутренним диаметром d = 120 мм, основной конструкции (см. рис. 14.8), класса точности 4, детали подшипника изготовлены из теплостойких сталей.
Характеристики подшипников качения.
Наибольшее распространение получили шариковые радиальные одноряд-ные подшипники (см. рис. 16, а). Эти подшипники допускают сравнительно большую угловую скорость, особенно с сепараторами из цветных металлов или из пластмасс, допускают небольшие перекосы вала (от 15" до 30") и могут воспринимать незначительные осевые нагрузки. Допустимая осевая нагрузка для радиальных несамоустанавливающихся подшипников не должна превы-шать 70% от неиспользованной радиальной грузоподъемности подшипника.
Роликовые радиальные подшипники с короткими роликами (см. рис. 16, в) по сравнению с аналогичными по габаритным размерам шари-коподшипниками обладают увеличенной грузоподъемностью, хорошо вы-держивают ударные нагрузки. Однако они совершенно не воспринимают осевых нагрузок и не допускают перекоса вала (ролики начинают работать кромками, и подшипники быстро выходят из строя).
Роликовые радиальные подшипники с витыми роликами (см. рис. 16, е) применяют при радиальных нагрузках ударного действия; удары смягчают-ся податливостью витых роликов. Эти подшипники менее требовательны к точности сборки и к защите от загрязнений, имеют незначительные ради-альные габаритные размеры.
Игольчатые подшипники (см. рис. 16, д) отличаются малыми радиаль-ными габаритными размерами, находят применение в тихоходных (до 5 м/с) и тяжелонагруженных узлах, так как выдерживают большие ради-альные нагрузки. В настоящее время их широко используют для замены подшипников скольжения. Эти подшипники воспринимают только радиальные нагрузки и не допускают перекоса валов. Для максимального уменьшения размеров применяют подшипники в виде комплекта игл, не-посредственно опирающихся на вал, с одним наружным кольцом.
Самоустанавливающиеся радиальные двухрядные сферические шариковые (рис. 16, б) и роликовые (см. рис. 16, г) подшипники применяют в тех слу-чаях, когда перекос колец подшипников может составлять до 2—3°. Эти под-шипники допускают незначительную осевую нагрузку (порядка 20% от не-использованной радиальной) и осевую фиксацию вала. Подшипники имеют высокие эксплуатационные показатели, но они дороже, чем однорядные.
Конические роликоподшипники (см. рис. 16, з) находят примене-ние в узлах, где действуют одновременно радиальные и односторонние осевые нагрузки. Эти подшипники могут воспринимать также и ударные нагрузки. Радиальная грузоподъемность их в среднем почти в 2 раза выше, чем у радиальных однорядных шарикоподшипников. Их рекомендуется ус-танавливать при средних и низких угловых скоростях вала (до 15 м/с).
Аналогичное использование имеют радиально-упорные шарикоподшипники (см. рис. 16, ж), применяемые при средних и высоких угловых скоростях. Радиальная грузоподъемность у этих подшипников на 30-40 % больше, чем у радиальных однорядных. Их выполняют разъемными со съемным на-ружным кольцом и неразъемными.
Шариковые и роликовые упорные подшипники (см. рис. 16, и. к) предназначены для восприятия односторонних осевых нагрузок. Применя-ются при сравнительно невысоких угловых скоростях, главным образом на вертикальных валах. Упорные подшипники радиальную нагрузку не вос-принимают. При необходимости установки упорных подшипников в узлах, где действуют не только осевые, но и радиальные нагрузки, следует допол-нительно устанавливать радиальные подшипники.
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 контактные напряжения, и поэтому ограниченный срок службы;
- высокие габариты (особенно радиальные) и вес;
Высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;
Большая чувствительность к ударным нагрузкам вследствие большой жесткости конструкции;
Повышенный шум;
Слабая виброзащита, более того, подшипники сами являются генераторами вибрации за счёт даже очень малой неизбежной разноразмерности тел качения.