Радиально-упорные подшипники

Радиально-упорные подшипники

Шариковые радиально-упорные подшипники почти всегда применяют в парной зеркальной установке с обязательной осевой затяжкой.

Способ затяжки и расположение подшипников влияют на работу узла. Затяжка внутренних обойм (рис. 776, а), когда оси качения шариков скрещиваются между подшипниками (схема Х), обеспечивает большую жесткость узла, чем затяжка наружных обойм (вид б). Когда оси качения располагаются вне подшипников (схема О).

Это хорошо видно на рис. 776, г, изображающем особенно неудачное расположение по схеме О, при котором поверхности качения наружных обойм почти точно укладываются в сферу с центром в оси симметрии установки. Устойчивость вала против выворачивающего действия поперечной силы Р невелики; вал оказывается как бы расположенным на сферической опоре. Расположение по схеме X (вид в) придает валу полную устойчивость.

В зависимости от схемы установки подшипники по-разному реагируют на тепловые деформации системы. Если корпус при работе нагревается больше, чем вал, или выполнен из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, то в схеме X осевой натяг увеличивается, а в схеме О — уменьшается.

Схемы установки радиально-упорных подшипников

Если же температура вала больше температуры корпуса, то в схеме X натяг ослабевает, а в схеме О — увеличивается.

Гироскопические моменты

В радиально-упорных подшипниках вследствие наклона оси вращения шариков под углом β к оси вращения подшипника шарики подвергаются действию гироскопических моментов, стремящихся повернуть шарик вокруг собственной оси, касательной к направлению окружной скорости шарика (рис. 777, а).

Схема действия гироскопических моментов

Гироскопический момент

Гироскопический момент

где w0 — угловая скорость центра шарика, вращающегося вокруг оси подшипника, рад·с–1; wш — угловая скорость шарика при вращении вокруг собственной оси; I — момент инерции шарика;

Radialno uporn podsh 4

где dш — диаметр шарика, см; ρ — плотность материала шарика (для шарикоподшипниковых сталей ρ = 8·103 кг/м3).

Угловая скорость центра шарика

Угловая скорость центра шарика

где w — угловая скорость вала (w = πn/30); D’ и d’ — диаметры окружностей контакта соответственно на наружной и внутренней обоймах;

Radialno uporn podsh 6

 где dср — средний диаметр подшипника.

Для подшипников легкой серии dш/d = 0,18—0,22, средней серии 0,22—0,25, тяжелой серии 0,27—0,3.

Угловая скорость шарика при вращении вокруг собственной оси

Угловая скорость шарика при вращении вокруг собственной оси

Подставляя в уравнение (348) значение I из формулы (349) и wш из формулы (353), получаем

Radialno uporn podsh 8

Как видно из этого уравнения, гироскопический момент пропорционален квадрату угловой скорости и четвертой степени диаметра шарика. Он возрастает по синусоидальному закону с увеличением угла контакта β, достигая максимальной величины в упорных подшипниках, у которых β = 90° (вид в).

Удобно выразить гироскопический момент через центробежную силу шарика:

Radialno uporn podsh 9

Вводя значение Рцб в формулу (354), получаем

Radialno uporn podsh 10

Подставляя D' из формулы (351) и вводя обозначение dш/dср = а, находим

Radialno uporn podsh 11

Вращению шарика под действием Мг препятствует момент трения (вид б):

Radialno uporn podsh 12

где f — коэффициент трения скольжения (вследствие неизбежных при работе подшипника вибраций коэффициент трения имеет незначительную величину f = 0,01—0,02); N — реактивная сила на поверхности контакта; при равномерном распределении нагрузки по шарикам

Radialno uporn podsh 13

здесь А — осевая нагрузка на подшипник; z — число шариков.

Следовательно,

Radialno uporn podsh 14

Вращение шариков не происходит, если

Radialno uporn podsh 15

Подставляя в это соотношение значение Мтр из формулы (358) и Мг из формулы (356), находим минимальную величину осевой нагрузки, при которой вращение не происходит

Radialno uporn podsh 16

или ввиду того, что

Radialno uporn podsh 17

Рассчитаем подшипник 46316 средней серии (d = 8 см; D = 17 см; dср = 12,5 см; dш = 2,8 см; β = 26°; число шариков z = 12).

Примем n = 3000 об/мин (w = 314 рад·с–1); коэффициент трения f = 0,02.

Диаметры окружностей контакта по формулам (351) и (352)

Диаметры окружностей контакта

Угловая скорость центров шариков по формуле (350)

Угловая скорость центров шариков

Центробежная сила шарика по формуле (355)

Центробежная сила шарика

Минимальная осевая сила, предупреждающая вращение шариков, по формуле (359)

Минимальная осевая сила, предупреждающая вращение шариков

В подшипниках, нагруженных достаточно большой осевой силой, вращение шариков обычно не происходит (за исключением шариков, диаметр которых в пределах допуска на изготовление меньше диаметра остальных шариков).

В ненагруженных подшипниках (замыкающие подшипники парных установок) вращение наблюдается при недостаточно сильной затяжке, а также при ослаблении натяга в результате осевого перемещения вала под действием рабочей нагрузки.

В подшипниках, нагруженных только радиальной силой, вращение может происходить в ненагруженной зоне подшипника. Для предотвращения этого явления необходимо затягивать подшипники достаточно большой осевой силой (А > Аmin).

В радиальных шариковых подшипниках гироскопические моменты возникают при наклоне линий контакта в результате приложения осевых сил, а также при перекосах подшипника. Вследствие незначительности углов β гироскопические моменты невелики.

В конических роликовых подшипниках гироскопические моменты, достигающие при больших углах β значительной величины, воспринимаются поверхностями контакта и вызывают увеличение кромочных нагрузок.

Предварительный натяг

Главное значение для правильной работы радиально-упорных подшипников имеет осевой предварительный натяг.

Правильно выбранный натяг обеспечивает плотное прилегание шариков к беговым дорожкам, уменьшает износ поверхностей качения, повышает нагружаемость и долговечность подшипников, предупреждает вращение шариков под действием гироскопических моментов и, следовательно, снижает коэффициент трения.

Чрезмерный натяг столь же опасен, как и недостаточный, так как вызывает защемление шариков, перегрузку поверхностей качения и повышенное тепловыделение.

Предварительный натяг осуществляют следующими основными способами:

1) затяжкой подшипников на мерное осевое смещение наружных обойм относительно внутренних;

2) затяжкой подшипников до получения определенного момента сопротивления вращению;

3) приложением к подшипникам постоянной осевой силы (пружинный натяг).

При первом способе между внутренними и наружными обоймами парных подшипников устанавливают дистанционные втулки неравной длины. При установке по схеме X (см. рис. 776) внутренние обоймы затягивают гайкой 1 (рис. 778, а) до упора в торец дистанционной втулки. При этом в схеме возникает натяг, определяемый разностью (а) длин втулок.

Установка радиально-упорных подшипников с предварительным натягом

При установке по схеме О (вид б) затягивают гайкой 2 наружные обоймы до упора в торец внешней дистанционной втулки.

Применяют также затяжку наружных обойм концевой шайбой 3 (вид в) до выбора зазора (а), регулируемого мерными шайбами 4. Если подшипники расположены рядом (виды г, д), натяг достигается установкой между обоймами калиброванных шайб 5 толщиной, отличающейся на величину (а) от толщины фиксирующего элемента (кольцевого стопора).

Промышленность выпускает сдвоенные радиально-упорные подшипники с заранее установленным зазором (а), выбираемым при затяжке (виды е—з).

Необходимый натяг зависит от формы поверхностей качения, угла контакта, расстояния между подшипниками, характера нагрузки, частоты вращения, температуры узла, коэффициента трения, величины рабочей нагрузки (радиальной и осевой) и других факторов. Учесть в расчете все эти факторы очень трудно.

Заводы-изготовители, выпускающие подшипники для установки с предварительным натягом, придерживаются норм, действительных только для подшипников данного типоразмера и с данным расстоянием между подшипниками. В остальных случаях приходится подбирать натяг опытным путем.

Ориентировочные цифры: для подшипников малого и среднего размера при установке на небольшом расстоянии один от другого а = 0,05—0,07 мм, для крупных подшипников 0,07—0,12 мм. При высоких нагрузках, малых частотах вращения и больших углах контакта применяют большие значения (а); при больших частотах вращения и малых углах контакта — меньшие.

Рекомендуется избегать совместного натяга подшипников, расположенных на больших расстояниях один от другого, когда возникают трудно учитываемые деформации. В таких случаях целесообразно выполнять фиксирующую опору в виде сдвоенных подшипников 6 с предварительным натягом, а вторую опору сделать плавающей в виде радиального (вид и) или сдвоенного (вид к) подшипника с предварительным натягом.

В опорах, где первоначальный натяг быстро теряется (тяжелонагруженные опоры, подшипники с малым углом контакта β), необходимо предусматривать возможность периодической подтяжки подшипников.

Регулировка с помощью калиброванных шайб 1 (рис. 779, а) неудобна. Чаще применяют бесступенчатое регулирование посредством затяжки гайкой 2 внутренних (вид б) или гайкой 3 наружных (вид в) обойм. Остальные обоймы (наружные на виде б и внутренние на виде в) устанавливают жестко.

Схемы регулирования натяга

Натяг регулируют путем затяжки гаек до получения беззазорного, но достаточно легкого вращения.

Обычно применяют следующие достаточно грубые способы.

1. Гайку затягивают до момента, пока вал (или установленная на нем деталь) перестает вращаться от руки, после чего гайку отвертывают на определенный угол (обычно на четверть оборота) и стопорят в этом положении.

2. Гайку затягивают до отказа и затем медленно отвертывают, постепенно прилагая к проверяемой детали усилие руки. Как только деталь начинает вращаться, гайку стопорят.

Если к деталям присоединены какие-либо механизмы, исключающие возможность проворачивания, то гайку затягивают нормированным моментом, предварительно устанавливаемым опытным путем. При этом надо учитывать переменность трения в резьбе и на посадочной поверхности затягиваемой обоймы. Повышенное трение может поглотить большую часть силы затяжки.

Пружинный предварительный натяг

При этом способе в систему вводят спиральные или тарельчатые пружины, обеспечивающие натяг практически постоянной величины, почти независимо от износа поверхностей качения, колебаний линейных размеров и тепловых деформаций.

Пружинный натяг применяют:

- в опорах, расположенных на больших расстояниях одна от другой;

- в прецизионных узлах, где необходимо исключить биения, нарушающие точность производимых машиной операций;

- в быстроходных агрегатах, где зазоры вызывают смещение центра тяжести вращающихся деталей с геометрической оси вращения и появление повышенных центробежных нагрузок;

- в агрегатах, подверженных динамическим нагрузкам, где зазоры приводят к разбиванию и быстрому износу поверхностей качения.

В схеме пружинного натяга (рис. 780, а) подшипник 1 жестко закреплен на валу и в корпусе; подшипник 2 плавает наружной обоймой в корпусе. Плавающая обойма нагружена пружинами, создающими в обоих подшипниках постоянный натяг.

Схемы пружинного предварительного натяга

Конструкция (б) отличается от предыдущей тем, что подшипник 2 плавает внутренней обоймой на валу.

Недостаток обеих конструкций состоит в том, что вал жестко зафиксирован только в одном направлении (светлые стрелки). В противоположном направлении вал фиксируется только силами пружин и при осевой нагрузке, превышающей силу пружин, может перемещаться в пределах зазора (s) в натяжном устройстве.

Эти конструкции применимы в случаях:

- когда рабочая осевая нагрузка направлена в одну сторону, а нагрузок в противоположном направлении нет или они невелики по сравнению с силой затяжки пружин;

- когда допустимо осевое смещение вала в пределах зазора под действием повышенных сил, противоположных рабочей нагрузке.

Практически беззазорную фиксацию обеспечивает конструкция (в), где подшипники установлены с предварительным натягом путем затяжки на внутреннюю дистанционную втулку 3, длина которой несколько меньше длины внешней дистанционной втулки 4. Натяг создается спиральной пружиной, действующей на наружные обоймы подшипников.

Так как подшипники установлены в корпусе жестко, то конструкцию применяют при небольших расстояниях между подшипниками, когда тепловые деформации невелики.

При больших расстояниях фиксирующую опору выполняют в виде спаренных радиально-упорных подшипников 5 с пружинным предварительным натягом (вид г). Вторую опору делают плавающей в виде одиночного радиально-упорного подшипника 6 с пружинным натягом или в виде сдвоенных радиально-упорных подшипников 7 (вид д) с предварительным натягом.

Определить силу пружинного предварительного натяга расчетным путем трудно. Расчет натяга из условия предупреждения вращения шариков под действием гироскопических моментов по формуле (359) дает даже при коэффициентах запаса 1,5—2 уменьшенные значения силы предварительного натяга. Это объясняется тем, что сила пружин должна быть достаточной для преодоления силы трения на посадочных поверхностях подвижных обойм, поэтому силу предварительного натяга устанавливают опытным путем.

В системах с пружинным натягом должны быть предусмотрены средства регулирования силы пружин.