Подшипники качения

Лекция №14

Подшипники качения

Преимущества перед подшипниками скольжения:

1. Значительно меньшие потери на трение в пусковые моменты;

2. Меньше расход смазочных материалов;

3. Большая надежность против заедания и пожарная безопасность. Возможность безаварийной работы при кратковременных перебоях с подачей смазки.

4. Высокая степень взаимозаменяемости.

5. Относительно малая стоимость при массовом производстве.

Недостатки:

Рекомендуемые материалы

1. Малая долговечность при больших скоростях;

2. Высокая жесткость, то есть он не способен воспринимать ударные нагрузки.

Конструкция и классификация опор качения

Опора качения состоит из двух колец и нескольких тел качения. Тела качения расположены равномерно по окружности с помощью сепаратора – кольца, в котором сделаны гнезда для тел качения (рис. 14.1). Это предупреждает возникновение трения скольжения между телами качения. Для изготовления тел качения и колец применяют специальные подшипниковые стали ШХ-9, ШХ-15 с твердостью HRC 59-63. Для сепаратора применяют листовую сталь латунь, полимерные материалы.

Опоры качения классифицируют:

1. По форме тел качения:

а)  шариковые;

б)  роликовые.

Роликовые тела качения (рис. 14.2) бывают:

- короткие=1…1,25; длинные =2…2,5;

- иглы =10…20 – подшипник называется игольчатым.

Ролик может быть цилиндрическим, коническим и бочкообразным.

2. По направлению воспринимаемой нагрузки: (рис. 14.3)

а)  радиальные;

б)  упорные;

в)  радиально-упорные.

3. По самоустановке:

а) несамоустанавливающиеся;

б) самоустанавливающиеся.

Они допускают угол перекоса 2-3⁰ и могут воспринимать небольшие осевые нагрузки.

4. По нагрузочной способности:

сверхлегкие; особо легкие; легкие; средние; тяжелые (рис. 14.4) .

5. По точности:

0 (нормальный класс); 6 (повышенный класс);5 (высокий класс);4 (особо высокий класс); 2 (сверхвысокий класс)

.          

От точности изготовления зависит работоспособность подшипника, но одновременно растет его стоимость, например класс 2  в десять раз дороже клас-са 0 .

Критерии работоспособности и расчета подшипников качения

 Усталостное выкрашивание - наблюдается у подшипников после длительного времени их работы в нормальных условиях.

Износ - наблюдается при недостаточной защите от образования частиц. Является основным видом разрушения подшипников автомобильных, тракторных, горных, строительных машин.

Разрушение сепараторов- наблюдается при перекосах колец, неблагоприятных сочетаниях осевой и радиальной нагрузок разноразмерности тел качения. Особо велик процент выхода из строя у быстроходных подшипников.

Раскалывание колец и тел качения - связано с ударными и вибрационными нагрузками, неправильным монтажом, вызывающим перекосы колец, заклинивание. При нормальной эксплуатации дефект не наблюдается.

Остаточные деформации - наблюдаются на беговых дорожках в виде лунок, вмятин у тяжело нагруженных тихоходных подшипников.

Современный расчет подшипников базируется на трех основных критериях:

1) статической прочности по остаточным деформациям;

2) ресурсе по усталостному выкрашиванию;

3) проверке режима смазки.

Контактные напряжения в деталях подшипников

Из формулы Герца - Беляева следует .

Значит, точка a (рис. 14.5) внутреннего кольца будет нагружена больше, чем точка b наружного кольца, так как в точке а шарик соприкасается с выпуклой, а в точке b с вогнутой поверхностью.

         Рассмотрим изменение циклов напряжений на внешнем и внутреннем кольцах без учета сил инерции (рис. 14.6). Вращается внутреннее кольцо. Наиболее нагруженные точки находятся в плоскости нагружения, то есть в точках а и b. Точка b получает нагружение только при прохождении над ней шарика. Точка а получает нагружение только при нахождении в нагруженной зоне. В этих условиях равное число циклов нагружения вызовет усталостное разрушение, прежде всего в точке а (где выше напряжения). Для того чтобы уровнять условия работы колец, необходимо уменьшить число циклов нагружения в точке а по сравнению с точкой b. Такое уменьшение достигается при вращении внутреннего кольца, так как на половине оборота точка а разгружается совершенно, а в большей части другой половины нагружена не полностью.

Распределение нагрузки между телами качения

Принимаем следующие допущения:

1) радиальный зазор отсутствует;

2) кольца не деформируются.

3) контактные деформации описываются уравнениями Герца-Беляева.

По условию равновесия подшипника (рис. 14.7)

, (14.1)

где F_r– радиальное усилие;

- угол между телами качения; z – число тел качения.

В уравнение (14.1) входят только те члены, для которых угол ng меньше 90⁰, так как верхняя половина подшипника не нагружена.

Под действием нагрузки F_r произойдет смещение внутреннего кольца подшипника на величину d₀. При этом сдеформируются тела качения, причем величина деформации будет зависеть от положения шарика в нагруженной зоне (рис.14.8). Здесь d₀ – смещение в вертикальной плоскости, тогда

                                                        (14.2)

С другой стороны по Герцу-Беляеву d =c F ^2/3, где c – const, (рис.14.9) тогда

                              Рис. 14.9

Решая совместно системы (14.2) и (14.3), получаем , но , тогда

или

.                                                               (14.4)

Подставляем выражение (14.4) в уравнение (14.1) и получаем

 откуда

.

или,

где.

В практических расчетах принимают

 - для шариковых;  - для роликовых подшипников.

                В итоге получаем распределение нагрузки по телам качения. Распределение нагрузки в значительной степени зависит от величины зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей (рис. 14.10). Поэтому к точности изготовления подшипника качения предъявляют весьма высокие требования.

Кинематика подшипника качения

Рассмотрим случай, когда вращается внутреннее кольцо (рис 14.11). Здесь скорость точки А

             .

Точка В – мгновенный центр скоростей вращающегося шарика. Скорость точек шара меняется линейно, таким образом

V₀=V₁/2.              (14.5)

Так как V₀ является и скоростью вращения сепаратора, тогда

Ещё посмотрите лекцию "Знаменитые архитектурные ансамбли европейских городов" по этой теме.

,              (14.6)                     

где n_c – частота вращения сепаратора. Из уравнений (14.5) и (14.6) получаем  отсюда , так как D_вн=D₀-d_w

.

             Число оборотов сепаратора меньше половины числа оборотов внутреннего кольца. Последняя формула позволяет отметить, что в точном выражении скорость  сепаратора зависит от размеров шарика. Чем больше d_w, при постоянном D₀, тем меньше n_c и наоборот.

При неточном изготовлении шариков крупные из них будут тормозить, а мелкие ускорять сепаратор. Между сепаратором и шариками могут возникнуть значительные давление и силы трения. С этим связан износ шариков и сепаратора, увеличение потерь на трение в подшипнике и случаи поломки сепаратора.

Контакт шарика с кольцом осуществляется по некоторой дуге a-b-с (рис 14.12). Окружные скорости точек a и b при вращении шарика вокруг своей оси различны. Если допустить, что в точке  а ( а-с – мгновенная ось вращения)  нет скольжения, то оно будет в точке b. Таким образом, в шариковых подшипниках наряду с трением качения наблюдается трение скольжения. Это создает дополнительный износ и потери в шариковых подшипниках. В роликовых подшипниках все точки контакта равноудалены от оси роликов. Здесь наблюдается чистое качение. Потери и износ в роликовых подшипниках меньше, чем в шариковых.