8_лаб (Лаба 8 - исследование моментов сопротивления вращению приборных шариковых подшипников)

12

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Потапцев И.С., Буцев А.А., Еремеев А.И.

Исследование моментов сопротивления вращению
приборных шариковых подшипников

Методические указания к лабораторной работе по курсу

ОСНОВЫ КОСТРУИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ

Москва 2001 г.

Цель работы:

1. Изучение конструкций приборных шариковых подшипников,

1. Экспериментальное исследование моментов сопротивления враще­нию (моментов трения) приборных шариковых подшипников и сравнение экспериментальных результатов с данными, полученными расчетным путем.

1. Классификация и условные обозначения

Шариковые подшипники (далее – шарикоподшипники) в настоящее время являются одним из основных типов опор приборов. Момет сопротивле­ния вращению при движении у шарикоподшипников оказывается в 4…10 раз меньше, чем в подшипниках скольжения при сопоставимых нагрузках и усло­виях эксплуатации. Шарикоподшипники, применяемые в приборах и прибор­ных устройствах характеризуются малыми моментами сопротивления враще­нию и малыми габаритами (наружный диаметр D до 35 мм).

Э лементы типовой конструкции стандартного шарикоподшипника при­ведены на рис.1. Основными деталями этой конструкции являются наружное и внутреннее кольца с шариками между ними. Шарики (в общем случае - тела ка­чения) размещены между кольцами и удерживаются на беговых дорожках ко­лец и на определённом расстоянии между собой специальным устройством – сепаратором. Кроме этого сепаратор часто используется для удержания и рас­пределения смазки и других целей. Кольца и шарики изготавливают из сталей ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20Сг, 18ХГТ, 20Х2Н4А; нержавеющих сталей 95Х18Ш, 11Х18М–ШД. Формы тел качения стандартизо­ваны. Шарики для шарикопод­шипников, как отдельные де­тали, выпускаются в соответст­вии с ГОСТ 3722 – 81. Сепара­торы изготавливают из латунных и стальных лент, для высокоско­ростных шарикоподшипников сепараторы изготавливают из стали 08Х18Н10, бронзы. тек­столита, фторопластовой компо­зиции, металлофторопласта, для самосмазывающихся шарико­подшипников - из АСП пластика и др.

Рис.1 Элементы основной типо­вой конструкции стандартного­

шарикоподшипника (четырёх­элементного)

Исходным размером радиальных и радиально – упорных шарикопод­шипников является посадочный диаметр внутреннего кольца d. Посадочная по­верхность наружного кольца определяется диаметром D и шириной В. При одинаковом внутреннем диаметре шарикоподшипники могут иметь различные сочетания размеров D x B, именуемые размерными сериями. ГОСТ 3478 – 79 устанавливает 9 серий диаметров: 0; 8; 9; 1; 1; 2; 3; 4; и 5 – в порядке возраста­ния D и 10 серий по ширине (или высоте для упорных шарикоподшипников) 7; 8; 9; 0; 1; 2; 3; 4; 5 и 6 – в порядке возрастания ширины. Для каждой серии диаметров предусматривается от двух до семи серий по ширине. Совокупность размеров d x D x B и координат фасок r составляет габаритный размер шари­коподшипников. Ряды габаритных размеров для внутренних диаметров от 0,6 до 2000 мм регламентированы ГОСТ 3478 – 79. Тип шарикоподшипника и его габарит образуют типоразмер, конструктивные размеры которого установлены ГОСТ 3395 – 75. Предельные отклонения размеров, и взаимного расположения поверхностей, их шероховатости для каждого из пяти классов точности шари­коподшипников лимитированы ГОСТ 520 – 71.Угол α (рис.1) называется углом контакта и в радиальных шарикоподшипниках не превышает 1,5⁰.

Радиально – упорные (упорно – радиальные) шарикоподшипники отли­чаются от радиальных увеличенным углом контакта α (рис.1) и, соответст­венно, способностью воспринимать увеличенную осевую нагрузку. В стандарт­ных шарикоподшипниках угол α изготавливается величиной от 12⁰ до 58⁰.

Относительное смещение колец радиальных и неразъёмных радиально – упорных шарикоподшипников зависит от внутреннего начального радиального зазора, значение которого устанавливает ГОСТ 24810 – 81.

Смазка в шарикоподшипниках служит для увеличения срока службы, отвода тепла, защиты от коррозии, уменьшения шума и момента сопротивления вращению. Смазка может и увеличить момент сопротивления вращению, если потери от вязкого трения окажутся больше, чем уменьшение потерь от других видов трения.

Смазочные материалы, применяемые для открытых шарикоподшипни­ков: МВП, ВНИИ НП 1 – ЧМО, МП 715 (до 150⁰С), МП – 601, МП – 605, МП - 609. Для закрытых подшипников: ЦИАТИМ – 201 (без индекса); литол – 24 индекс С17, Л3 – 31, индекс – С9; ОКБ – 122 – 7, индекс - С1, ЦИАТИМ 221, индекс – С2, ВНИИ НП – 207, индекс – С15.

Количество смазки в шарикоподшипнике не должно превышать 30% свободного объема в нем.

Внутренний диаметр, серия, тип шарикоподшипника и его конструктив­ная разновидность заложены в условном обозначении по ГОСТ 3189-89.

В приборостроении применяются шарикоподшипники сверхлегкой, особо легкой и легкой серий диаметров, отличающихся малым соотношением наруж­ного и внутреннего диаметров. По ширине они бывают особо узкой, узкой, нормальной, широкой и особо широкой серий.

Тип шарикоподшипников определяется направлением воспринимаемой на­грузки:

- радиальный (цифра 0);

- радиальный сферический (цифра 1);

- радиально-упорный (цифра 6);

- упорный (цифра 8).

К конструктивным разновидностям относятся: число рядов шариков z, наличие упорных буртиков на кольцах, наличие защитных шайб, уплотнений и др.

По точности изготовления поверхности дорожек колец и величине моментов сопротивления вращению шарикоподшипники делятся на 5 классов точности: 0; 6; 5; 4; 2 в порядке повышения точности. Для указания класса точности в ус­ловное обозначение вводятся дополнительные знаки слева от основного обо­значения (через пробел, см. рис.2.).

При необходимости указать материал деталей шарикоподшипников, конст­руктивные изменения, специальные технические требования, температуру от­пуска колец, виды смазочных материалов, шумность шарикоподшипников вво­дятся соответствующие дополнительные знаки справа от основного обозначе­ния (через пробел).

Наиболее часто применяемые конструктивные исполнения шарикоподшип­ников и общие условия их обозначения приводятся на рис.2.

Если в обозначении шарикоподшипника третья цифра справа отлична от нуля, то внутренний диаметр шарикоподшипника более 9 мм и первая справа цифра обозначает код диаметра, а его расшифровка производится по ГОСТ 520-71.

Рис.2. Конструктивные разновидности шарикоподшипников и ­

их условное обозначение.

Пример условного обозначения приборного шарикоподшипника с дополни­тельными знаками слева и справа:

4 7 5 1860094 Е Т С9

1 2 3 4 5 6 7

1 – момент сопротивления вращению (по 4-й группе Т=610^-2 Нмм);

2 – радиальный зазор (по 7-й группе);

3 – класс точности (по 5-му классу);

4 – основные знаки условного обозначения шарикоподшипника: 1-серия ширин,86-упорный борт на наружном кольце, 6-одна защитная шайба, 0-тип шарикоподшипника - радиальный, 00-цифры, 9-серия диаметров, 4-внутренний диаметр шарикоподшипника, (d=4мм);

5 – материал сепаратора (Е – пластмасса);

6 – температура отпуска колец ( Т - 200⁰С);

7 – марка смазочного материала (7 – смазка с содержанием лития Л3-31).

2 Момент сопротивления вращению

В приборостроении одним из критериев качества шарикоподшипника явля­ется величина момента сопротивления вращению. Момент сопротивления вра­щению шарикоподшипника зависит от большого числа независимых факторов, ввиду чего его точное вычисление затруднительно и он определяется на осно­вании эмпирических зависимостей.

В общем случае момент сопротивления вращению в шарикоподшипнике складывается из следующих основных составляющих:

- момент трения качения шариков по беговым дорожкам колец;

- момент трения скольжения шариков о сепаратор;

- момент трения, связанный с сопротивлением смазки.

Кроме того, в той или иной степени присутствуют трение сепаратора о на­правляющие борта колец при базировании сепаратора по борту внутреннего или наружного кольца, трение скольжения-верчения шариков о дорожки каче­ния, и др.

Величина момента сопротивления вращению шарикоподшипника зависит от его размеров, от точности и качества изготовления шариков и беговых дорожек колец (дорожек качения), величины и направления действующих сил, от сте­пени приработки шарикоподшипника, качества и количества смазки. Значи­тельное влияние на момент сопротивления вращению оказывает загрязнение рабочих поверхностей шарикоподшипника.

Увеличение момента сопротивления вращению с ростом скорости вращения (при скоростях, не превышающих предельные) обычно бывает мало и во вни­мание не принимается. На рис.3 показана упрощенная схема образования ос­новной составляющей момента сопротивления вращению – момента трения качения, вызванного радиальной силой F_r.

П

Рис.3. Упрощенная схема образования основной составляющей ­

момента сопротивления вращению

од действием этой силы в местах каса­ния шарика 3 внутреннего и внешнего колец 1 и 4 образуются зоны упругой деформации колец и шарика – пятна контакта радиусом k₁ и k₂ с центрами в точках 1 и 2. Кольца шарикоподшипника принимаются плоскими, а величина радиуса k одинаковой. В этом случае радиус k представляет собой коэффициент трения качения. При перекатывании шарика в направлении _ш нормальные силы F_n1 и F_n2 смещаются в точки б и в, т.е. на величину радиусов k. Так в первом приближении создаётся одна из составляющих момента сопротивления вращению - момент трения качения одного шарика, равный сумме произведений F_n1k и F_n2k. Учитывая, что количество шариков i и нагрузка на них распределяется неравномерно и существует ещё много других составляющих момента сопротивления вращению. На практике для определения момента сопротивления вращению, вызываемого радиальной и осевой силами нагрузки пользуются эмпирическими формулами, которые дают приближённое (осредненное) значение момента сопротивления вращению.

Т=Т_o+(1,25 F_r+1,5 F_a)  f_k  D_o/d_ш , (1)

где: Т - момент сопротивления вращению, Нмм;

Т_o - собственный момент ненагруженного шарикоподшипника, Нмм;

F_r - радиальная нагрузка на шарикоподшипник, Н;

F_a - осевая нагрузка на шарикоподшипник, Н;

f_k - коэффициент трения качения, мм (соответствует k на рис.2.);

D_o - диаметр окружности центров шариков, мм D_o = (D+d)/2 ;

d_ш- диаметр шариков, мм d_ш≈0,3(D-d).

Число шариков i≈0.32(D+d)/(D-d)

Собственный момент сопротивления вращению шарикоподшипника Т_o за­висит от размеров и качества изготовления (класса точности) шарикоподшип­ника. Для шарикоподшипников 0-го и 6-го классов точности его можно рассчи­тать по эмпирической формуле Т_о=0,04D_o Нмм. Для шарикоподшипников 5-го, 4-го и 2-го классов точности он регламентирован и приводится в соответст­вующих таблицах.

Коэффициент трения качения для шарикоподшипников 0 и 6 классов точ­ности зависит условий нагружения и колеблется в пределах f_k=0,01...0,02 мм в зависимости от характера нагрузки (соотношение радиальной F_r и осевой F_a).

3.Методы измерения момента сопротивления вращению шарикоподшипников

Измерение момента сопротивления вращению приборных шарикоподшип­ников производится на специальных установках, конструкция которых зависит от положения оси вращения шарикоподшипников, частоты вращения, способа нагружения, метода измерения и т.д.

Основными методами измерений являются следующие:

- измерение динамических моментов сопротивления вращению в шарико­подшипниках методом свободного выбега при вертикальном и горизон­тальном положении оси;

- измерение момента трогания при вертикальном положении оси;