Подбор подшипников качения

Так как подшипники качения стандартизированы за исключением специальных подшипников, то проектировочный расчёт при конструировании подшипникового узла заменяют процедурой подбора подшипника. Выбор подшипника качения определяют следующие основные показатели:

- характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная), её величина и направление действия;

- конструктивное пространство для установки подшипника;

- срок службы подшипника (долговечность);

- частота вращения внутреннего или внешнего кольца подшипника.

Характер нагрузки может определять рядность подшипника. При постоянной нагрузке целесообразно использовать однорядные подшипники, при переменных и ударных нагрузках - двухрядные шариковые или роликовые подшипники.

Величина нагрузки определяет выбор размера, тел качения и серии подшипника. Шариковые однорядные подшипники лёгких серий применяют при высоких скоростях вращения и небольших нагрузках. При высоких нагрузках применяют подшипники средних и тяжёлых серий, но при этом допускаемая скорость вращения уменьшается. Применение роликоподшипников увеличивает воспринимаемую нагрузку. Необходимо помнить, что роликовые подшипники применяют при невысоких скоростях вращения, к тому же они более требовательны к соосности внешнего и внутреннего колец в сравнении с шариковыми подшипниками.

Направление нагрузки определяет тип подшипника. Радиальные подшипники применяют при радиальной нагрузке с учётом числа оборотов и условий эксплуатации. Осевая нагрузка определяет применение упорного шарикового или роликового подшипника. Если подшипник находится под действием радиальной и осевой нагрузок (например, при установке на валу косозубого колеса или червяка), то применяют радиально - упорный подшипник. Если осевая нагрузка значительно больше радиальной, применяют упорный подшипник в комбинации с радиальным.

В большинстве случаев один из основных размеров подшипника - диаметр отверстия, обусловлен конструкцией машины и диаметром вала. В случае достаточного конструктивного пространства используют все типы шарикоподшипников, самым распространённым из которых является радиальный шарикоподшипник. Если радиальное пространство ограничено, применяют игольчатые подшипники.

Долговечность работы подшипника - это количество миллионов оборотов L одного кольца относительно другого или количество часов L_h работы подшипника до появления усталостного разрушения. Количество оборотов L и количество часов L_h связаны между собой соотношением:

, (13.1)

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

При постоянной частоте вращения n долговечность (ресурс) удобнее определять в часах.

Окончательный выбор подшипника осуществляют по значению динамической грузоподъёмности, которая характеризуется коэффициентом динамической грузоподъёмности С. Различают базовую С _б и потребную С _п динамическую грузоподъёмность.

Базовая (паспортная) динамическая грузоподъёмность С _б - это такая постоянная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение 1 млн. оборотов без появления признаков усталостного повреждения не менее чем у 90 % из общего числа подшипников, подверженных испытанию. Значения С _б приведены в каталогах для подшипников качения. При этом под постоянной нагрузкой понимают радиальную нагрузку для радиальных и радиально - упорных подшипников, осевую - для упорных и упорно - радиальных при преобладании осевого усилия, действующего на подшипник, над радиальным.

Потребную динамическую грузоподъёмность С _п определяют в зависимости от действующих на подшипник осевых и радиальных усилий, которые определяются единым параметром - эквивалентной динамической нагрузкой Р. В общем случае формула для определения эквивалентной динамической нагрузки для однорядных радиально - упорных шарико - и роликоподшипников имеет вид:

, (13.2)

где F_r и F_a - соответственно радиальная и осевая нагрузки;

х и у - коэффициенты, учитывающие разное повреждающее действие радиальной и осевой нагрузок (табличные данные);

V - коэффициент вращения (V = 1 при вращении внутреннего кольца, и V = 1,2 при вращении наружного кольца);

К _б - коэффициент безопасности, учитывающий динамическую нагрузку (К _б = 1 … 3 в зависимости от вида нагружения - спокойная нагрузка, нагрузки со значительными толчками и вибрациями, перегрузки до 200 … 300 %, нагрузки с сильными ударами);

К _Т - температурный коэффициент, вводимый только при повышенной рабочей температуре t > 100°С.

Радиальную нагрузку F_r, действующую на подшипник, определяют на основании расчётной схемы действующих на вал нагрузок с использованием известных методов механики и сопротивления материалов. При составлении расчётной схемы действующих на вал нагрузок радиальная реакция R в опоре с радиальным подшипником прикладывается в плоскости симметрии подшипника (рис. 148, а). В опоре с радиально - упорным однорядным подшипником реакцию R прикладывают в точке пересечения оси вращения подшипника с нормалью, проведённой к середине контактной площадки тела качения с наружным кольцом (рис. 148, б, в).

а) б) в)

Рис. 148. Расположение точки приложения радиальной реакции

при установке в опоре:

а) - радиального однорядного подшипника;

б), в) - радиально - упорного однорядного подшипника

Расстояние l_R (опорная база) от точки приложения радиальной реакции R до широкого торца наружного кольца подшипника для стандартных однорядных радиально - упорных подшипников составляет табличные данные. В остальных случаях расстояние l_R определяют по формулам.

Осевую нагрузку F_a, действующую на подшипник, определяют с учётом так называемых осевых составляющих S от действия радиальной нагрузки (рис. 149). Номером I следует обозначать ту опору, для которой направление осевой составляющей S совпадает с направлением действующей на вал осевой нагрузки Р_А.

Осевую составляющую S от радиальной нагрузки, действующей на радиально - упорный подшипник, определяют по формулам:

- для шарикоподшипников ;

- для роликоподшипников , где коэффициент 0,83 связан с особенностью распределения нагрузки между телами качения.

а)

б)

Рис. 149. Схема действия нагрузок при установке вала:

а) - в радиально - упорных роликоподшипниках по схеме «врастяжку»;

б) - в радиально - упорных шарикоподшипниках по схеме «враспор»

Определяют осевую нагрузку F_a следующим образом:

- составляют схему сил, действующих на подшипник с учётом схемы установки. Например, для вала, установленного в подшипниках (рис. 149), схема сил будет иметь вид, изображённый на рис. 150;

а) б)

Рис. 150. Схема действия сил при установке вала:

а) - «врастяжку»; б) - «враспор»

- определяют осевую силу F_a с учётом векторов сил. Так, для схемы, изображённой на рис. 150, а, осевая нагрузка будет равна

, .

Для схемы, изображённой на рис. 150, б, осевая нагрузка будет равна

, .

Пригодность подшипника обеспечена, если выполняется условие:

, (13.3)

где потребная грузоподъёмность .

Показатель степени для шариковых подшипников m = 3, для роликовых подшипников m = 3,33.