Опоры валов и осей. Опоры валов и осей – подшипники

Устройства, предназначенные для поддержания движущихся деталей и обеспечения определенного вида движения деталей, называют направляющими .

Направляющие для вращательного движения называют опорами . Понятие “опора” охватывает два звена – цапфу и подшипник. Цапфой называют часть вала или оси, опирающуюся на подшипник.

Точность и надежность работы механизмов и машин во многом зависит от качества опор.

Подшипники – устройства, поддерживающие валы и оси, - воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус. Кроме того, подшипник обеспечивает фиксацию вала в определенном положении. Помимо валов и осей подшипники могут поддерживать детали, вращающиеся вокруг осей или валов, например, шкивы, шестерни и т.п.

По виду трения подшипники делят на подшипники скольжения и качения.

В подшипниках скольжения опорный участок вала (цапфа) скользит по поверхности подшипника (рисунок 15).

Рис.15. Подшипники скольжения

Подшипники скольжения появились значительно раньше опор качения – при создании простейших машин. В современном машиностроении подшипники скольжения используют только там, где применение их является предпочтительным. Например, для подшипников особо тяжелых валов (для которых подшипники качения не изготовляют), если необходимо иметь разъемные подшипники (для коленчатых валов) и т.п.

Подшипники скольжения (см. рисунок 15) состоят из двух основных элементов: корпуса 1 и вкладыша 2. Вкладыш, являющийся рабочим элементом, выполняется из антифрикционного материала (бронза, латунь, баббит, специальный чугун, пластмасса). Он находится в непосредственном соприкосновении с цапфой вала и воспринимает от неё нагрузки. Корпус, который может быть разъемным и неразъемным, предназначен для размещения вкладыша и восприятия нагрузок.

Достоинства подшипников скольжения – незначительные размеры в радиальном направлении; простота устройства, изготовления и монтажа; низкая стоимость; малая чувствительность к ударам и толчкам; бесшумность работы. К недостаткам следует отнести: значительные потери на трение, сложность системы смазки, высокие требования к смазке.

В современном машиностроении чаще используют подшипники качения . В них трение скольжения заменяется трением качения посредством установки тел качения между опорными поверхностями подшипника и вала.

Подшипник качения (рисунок 16) – это готовый узел, который в большинстве случаев состоит из наружного 1 и внутреннего 3 колец с углублениями – дорожками качения А , тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4, направляющего и удерживающего тела качения. В некоторых типах подшипников для уменьшения габаритов одно или оба кольца отсутствуют, а иногда отсутствует сепаратор (игольчатые).

Рис.16. Подшипник качения

Достоинства подшипников качения: малые потери на трение и незначительный нагрев, малый расход смазки, небольшие габариты в осевом направлении, невысокая стоимость (массовое производство) и высокая степень взаимозаменяемости. К недостаткам опор качения можно отнести увеличенные габариты в радиальном направлении, чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, некоторый шум в работе и сложность монтажа.

Все подшипники качения стандартизованы и в массовых количествах выпускаются специализированными заводами.

Опоры валов и осей предназначены для поддержания вращательного или качательного движения валов и осей и передачи усилий от них на корпус. От конструкции опор во многом зависят точность действия и надежность работы механизма в целом. Опоры, предназначенные для восприятия радиальной или комбинированной (радиальной и осевой) нагрузки, принято называть подшипниками, а опоры, воспринимающие только осевые нагрузки, – подпятниками.

По виду трения они делятся на опоры качения и опоры скольжения. Выбор того или иного тина опоры определяется условиями работы, нагрузками, действующими на опору, габаритными ограничениями, требуемой долговечностью и стоимостью механизма.

Подшипники качения

Подшипник качения – это готовый сборочный узел, состоящий из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, между которыми располагаются тела качения 3 и сепаратор 4, удерживающий тела качения на определенном расстоянии друг от друга и направляющий их вращение (рис. 4.72, а). Подшипники качения являются наиболее распространенной законченной сборочной единицей и используются практически во всех механизмах, имеющих вращающиеся детали (за исключением механизмов с опорами скольжения).

Подшипники качения стандартизованы и выпускаются на специализированных государственных подшипниковых заводах (ГПЗ). По производству подшипников отечественная промышленность занимает одно из ведущих мест в Европе. В конце 1980-х гг. выпускалось до 1 млрд подшипников в год различных типоразмеров – от 1 мм внутреннего диаметра до 3 м наружного диаметра.

Преимущества : относительно малые потери на трение; сравнительно низкая стоимость подшипников при их массовом производстве; относительно малая длина опоры; меньший расход смазочного материала; малые пусковые моменты; полная взаимозаменяемость, что облегчает сборку и ремонт механизмов. В конструкциях валов и осей с подшипниками качения проще решаются вопросы осевой фиксации и компенсации температурных деформаций, они менее чувствительны к перекосам и прогибам валов под нагрузкой, к несоосности опор.

Недостатки : высокая чувствительность к ударным нагрузкам; ограниченная быстроходность, связанная с кине-

Рис. 4.72

матикой и динамикой тел качения (центробежные силы, гироскопические моменты и др.); высокая стоимость при единичном или мелкосерийном производстве; сравнительно большие радиальные размеры опоры; ограниченный диапазон рабочих температур; шум во время работы, обусловленный погрешностями формы; подшипники общего применения не работают в агрессивных средах.

Подшипники общего применения, которые используют в общем машиностроении, железнодорожном транспорте, автомобилестроении и других отраслях промышленности, выпускают пяти классов точности, которые различаются величинами допусков на размеры колец и тел качения. С повышением точности изготовления возрастает стоимость подшипников, поэтому выбор класса точности должен иметь соответствующее обоснование. В табл. 4.22 приведена сравнительная стоимость подшипников различных классов точности.

Таблица 4.22

По форме тел качения подшипники разделяют на шариковые и роликовые. Ролики могут быть короткие цилиндрические, бочкообразные, конические, витые и длинные цилиндрические (рис. 4.72, б).

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники делятся на радиальные, воспринимающие только радиальную или радиальную и некоторую осевую нагрузки; радиальноупорные, служащие для восприятия радиальной и значительной осевой нагрузок; упорно-радиальные, воспринимающие радиальные нагрузки наряду с осевыми; упорные, предназначенные для восприятия осевой нагрузки.

По способу самоустановки подшипники могут быть несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся.

По числу рядов тел качения подшипники делят на однорядные, двух- и многорядные.

По соотношению габаритных размеров однотипные подшипники разделяют на серии: сверхлегкую, особо легкую

Рис. 4.73

(рис. 4.73, а), легкую (рис. 4.73, б), легкую широкую (рис. 4.73, в), среднюю (рис. 4.73, г), среднюю широкую (рис. 4.73, д ) и тяжелую (рис. 4.73, е ). Подшипники легкой и средней серий – самые распространенные и, соответственно, при массовом выпуске имеют низкую стоимость.

Рассмотрим некоторые основные типы подшипников общего применения.

Радиальные подшипники. Подшипник шариковый радиальный однорядный (рис. 4.74, а) предназначен для восприятия радиальной нагрузки, но может воспринимать и осевую нагрузку в пределах до 70% от неиспользованной радиальной. Эти подшипники фиксируют положение вала в двух осевых направлениях, при низких частотах вращения допускают небольшие перекосы валов (до 8"), величина которых зависит от внутренних зазоров между кольцами и телами качения.

Подшипник шариковый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) (рис. 4.74, б) воспринимает радиальную нагрузку при взаимном повороте осей колец до 2–3° и осевую, составляющую до 20% от неиспользованной радиальной. Самоустанавливающиеся подшипники имеют преимущества при значительных прогибах валов и несоосности опор. При качательных движениях эти подшипники работают лучше, чем радиальные однорядные.

Подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами (рис. 4.74, в) воспринимает радиальную нагрузку, в 1,7 раза бо́льшую, чем шариковый подшипник тех же размеров. В конструкции таких подшипников одно из колец имеет направляющие буртики, а другое относительно роликов не фиксируется. Осевую нагрузку эти подшипники не воспринимают. При несоосности опор возникает дополнительное давление по кромкам роликов,

Рис. 4.74

резко снижающее долговечность подшипников. Их применяют в электродвигателях, редукторах, газовых турбинах и других машинах.

Подшипник роликовый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) (рис. 4.74, г) воспринимает повышенную радиальную нагрузку и осевую до 25% от неиспользованной радиальной. Ролики этого подшипника имеют бочкообразную форму, и наружное кольцо может свободно проворачиваться в осевом направлении относительно внутреннего кольца. Такие подшипники могут компенсировать несоосность и прогибы вала при перекосах колец до 2,5°. Они фиксируют вал в осевом направлении в обе стороны в пределах имеющихся зазоров. Применяют эти подшипники в опорах насосов, прокатных станов и других машин, где действуют большие радиальные нагрузки и возможны перекосы валов.

Подшипник роликовый игольчатый (рис. 4.74, ∂ ) воспринимает большие радиальные нагрузки при малых радиальных габаритных размерах. Он используется при скоростях на палу до 5 м/с, а также при качательных движениях. Телами качения являются ролики диаметром 1,6–6 мм и длиной, составляющей 4–10 диаметров роликов, которые устанавливаются без сепаратора. Иногда подшипники используют без внутреннего кольца, и ролики обкатываются по поверхности вала. Эти подшипники очень чувствительны к прогибам валов и несоосиости посадочных мест. Игольчатый подшипник используют в опорах кривошипно-шатунных и кулисных механизмов, карданах, узлах фрезерных станков и др.

Радиально-упорные подшипники. Подшипник шариковый радиально-упорный однорядный (рис. 4.74, е) воспринимает радиальную и одностороннюю осевую нагрузку. В этих подшипниках на наружном кольце с одной стороны имеется скос, благодаря чему можно установить большее (на 45%) количество шариков и увеличить радиальную нагрузочную способность па 30–40%. Воспринимаемая осевая нагрузка составляет 70–200% от неиспользованной радиальной, в зависимости от угла контакта а шариков с кольцами. Подшипники выполняют с углами контакта 12, 18, 26 и 36°. С увеличением угла контакта возрастает воспринимаемая осевая нагрузка и снижается быстроходность подшипников. Для восприятия знакопеременной осевой нагрузки часто подшипники устанавливают по два и более в одну опору. Радиально-упорные шариковые подшипники устанавливают в шпинделях станков, электродвигателях, червячных редукторах и т.п.

Подшипник роликовый конический (рис. 4.74, ж) воспринимает одновременно значительную радиальную и одностороннюю осевую нагрузки. Телом качения этого подшипника является конический ролик. Применяют их при скоростях до 15 м/с. При очень больших нагрузках (в прокатных станах) устанавливают многорядные конические роликоподшипники, способные воспринимать двусторонние осевые нагрузки. Величина воспринимаемой осевой нагрузки зависит от угла конусности наружного кольца, с увеличением которого возрастает осевая и уменьшается радиальная грузоподъемность. При монтаже этих подшипников необходима регулировка осевых зазоров. Очень малые или чрезмерно большие зазоры могут привести к разрушению деталей подшипника. Применяют эти подшипники в колесах самолетов, автомобилей, в цилиндрических и червячных редукторах, коробках передач, в шпинделях металлорежущих станков.

Упорно-радиальные шариковые подшипники (рис. 4.74, з ) предназначены для восприятия осевых нагрузок, но могут воспринимать и небольшие радиальные нагрузки. Угол наклона контактной линии 45–60°. Применяют их при небольших частотах вращения.

Упорные подшипники. Подшипник шариковый упорный (рис. 4.74, и) предназначен для восприятия только осевой нагрузки при скоростях на валу до 10 м/с, лучше работает на вертикальных валах. При больших скоростях условия работы подшипника ухудшаются вследствие центробежных сил и гироскопических моментов, действующих на шарики. Очень чувствительны к точности монтажа, допускают взаимный перекос колец до 2". Используют их в передачах винт-гайка, для домкратов, крюков кранов и др.

Подшипник роликовый упорный (рис. 4.74, к) предназначен для восприятия только осевой нагрузки, главным образом на вертикальных валах с малыми частотами вращения. Характеризуются высокой грузоподъемностью. Очень чувствительны к перекосам колец: допустимый перекос не более 1.

Специальные подшипники. Кроме подшипников общего применения выпускают также специальные подшипники, например авиационные, коррозионно-стойкие, самосмазывающиеся, малошумные и др. К авиационным подшипникам относят тяжелонагруженные высокоскоростные подшипники для газотурбинных двигателей, подшипники для механизмов управления летательных аппаратов (ЛА), совершающих качательное движение при действии больших нагрузок, подшипники для элсктроагрегатов с частотами вращения до 100 000 об/мин. Подшипники для механизмов управления ЛА выпускают без сепаратора с полным заполнением шариками, пластичной смазкой и защитными шайбами, удерживающими смазочный материал в пространстве между кольцами. Коррозионно-стойкие подшипники выполняют из хромистой стали 95X18, 11X18, сепаратор – из фторопласта-4. Самосмазывающиеся подшипники устанавливают в механизмах специальной техники, работающих в условиях глубокого вакуума, сверхнизких или сверхвысоких температур (механизмы космической техники). В этих условиях пластичные и жидкие смазочные материалы теряют вязкость и поэтому применяют твердые смазочные материалы, в качестве которых используют дисульфит молибдена MoS2, графит, фторопласт, специальные марки пластмасс. На дорожки качения наносят специальные покрытия из серебра, никеля, золота. Работают эти подшипники при скоростях в 2 раза меньших, чем обычные, поскольку нет отвода теплоты из зоны трения. Малошумные подшипники применяют в механизмах, работающих относительно продолжительное время в присутствии человека (системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, механизмы бытовой техники и т.п.). Снижение уровня вибраций и соответственно шума достигают за счет уменьшения зазоров между телами качения и кольцами подшипника, повышая точность их изготовления.

Подшипники изготавливают из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15, ШХ15СГ с содержанием углерода 1–1,5%. Число в обозначении марки стали указывает содержание хрома в десятых долях процента. Используются также цементируемые легированные стали 18ХГТ, 20Х2Н4А, 20НМ. Твердость тел качения и колец подшипников 60–65 HRC. Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкие стали 9X18, 9X18Ш. Сепараторы чаще всего изготавливаются штампованными или клепанными из стальной ленты. При относительных окружных скоростях колец больше 10 м/с применяют сепараторы из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов и неметаллических материалов.

Выбор тина подшипника. При выборе подшипника качения учитываются величина, характер действия и направление нагрузки, частота вращения, требуемая долговечность, условия монтажа, воздействие окружающей среды и т.п. Для одних и тех же условий работы могут быть использованы подшипники различных типов, и при их подборе учитывают экономические факторы и опыт эксплуатации аналогичных конструкций. Вначале рассматривают возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников легкой или средней серии как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов подшипников должен быть обоснован. Размеры подшипника определяются требованиями к грузоподъемности, диаметром цапфы вала (определяемой прочностью), условиями размещения опор. Таким образом, выбор подшипника – важный и ответственный момент этапа проектирования механизма.

Расчет подшипников. Расчет долговечности подшипника ведется по его динамической грузоподъемности. При вращении подшипника иод нагрузкой в точке взаимодействия тела качения с кольцом возникают контактные напряжения, изменяющиеся по отнулевому циклу. Критерием их работоспособности является сопротивление усталостному разрушению поверхности контакта. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость между действующей нагрузкой и долговечностью:

где L – долговечность подшипника, млн оборотов; – коэффициенты; С – динамическая грузоподъемность, представляющая собой постоянную радиальную нагрузку, которую подшипник с неподвижным наружным кольцом выдерживает 1 млн оборотов; Р – эквивалентная нагрузка, действующая на подшипник; – показатель степени ( для шарикоподшипников и для роликоподшипников).

Надежность подшипников общего применения соответствует вероятности безотказной работы . При необходимости повышения надежности вводят коэффициент долговечности (табл. 4.23).

Таблица 4.23

Коэффициентзависит от материала, из которого изготовлен подшипник, и условий эксплуатации. Для механизмов общего применения можно принимать

Эквивалентная нагрузка для радиальных и радиальноупорных шариковых и роликовых конических подшипников определяется зависимостью

где X и Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (см. табл. 4.16); V– коэффициент вращения, равный 1, если вращается внутреннее кольцо и 1,2 – при вращении наружного кольца; и – радиальная и осевая нагрузки; – коэффициент безопасности, учитывающий характер действующей нагрузки; – температурный коэффициент, равный единице при рабочей температуре подшипника С.

Коэффициент безопасности при нагрузке без толчков;при легких толчках и вибрациях; при умеренных толчках и вибрациях;при сильных ударах и высоких перегрузках.

Эквивалентную нагрузку для подшипников с короткими цилиндрическими роликами находят по формуле

а для упорных подшипников – по формуле

При увеличении эквивалентной нагрузки Р в 2 раза долговечность снижается в 8–10 раз, поэтому необходимо как можно точнее определять нагрузку, действующую на подшипник.

Долговечность подшипника(в ч) сравнивают с ресурсом механизма:

где п – частота вращения кольца подшипника, об/мин; Г – ресурс механизма, ч.

Расчет долговечности по динамической грузоподъемности ведется для подшипников с частотой вращения;об/мин. В подшипниках качательного движения или вращающихся с частотойоб/мин действующую нагрузку рассматривают как статическую и сравнивают ее со статической грузоподъемностью Q. Под статической грузоподъемностью понимают такую силу, при которой остаточная деформация тел качения и колец не превышает допускаемую , где D – диаметр тела качения. Значения статической и динамической грузоподъемности приведены в каталогах подшипников.

Смазочные материалы. Большое значение имеет правильный выбор смазочного материала, наличие которого уменьшает потери на трение, способствует отводу тепла из зоны трения, смягчает удары тел качения о сепаратор и кольца, защищает от коррозии, снижает уровень шума. Выбор того или иного вида смазочного материала для подшипников зависит от режимов и условий работы, конструкции механизма, окружающей среды, специальных требований и др. Для смазывания применяют пластичные и жидкие смазочные материалы. Пластичные смазочные материалы марок ЦИЛТИМ-201,

Литол-24, ВНИИ НП-207 и др. используют в диапазоне температур -60...+ 150°С, умеренных нагрузках и частотах вращения; жидкие смазочные материалы (масла) – для скоростных и тяжелонагруженных подшипников. Последние обеспечивают более эффективный отвод тепла, имеют лучшее проникновение к поверхностям трения. Их применяют также в труднодоступных для смены смазочного материала узлах трения и при необходимости постоянного контроля за наличием смазочного материала. Основные марки жидких масел: индустриальные И-5А, И-12А, трансмиссионные ТАД-17, авиационные МС-14, МК-22 и др.

Уплотнение подшипниковых узлов . Важное условие надежной работы подшипников – обоснованный выбор уплотнений, которые защищают полость подшипника от проникновения в нее из окружающей среды пыли, влаги, абразивных частиц и препятствуют вытеканию смазочного материала. Конструкция выбранного уплотнения зависит от вида смазочного материала, условий и режима работы узла подшипника, а также степени его герметичности.

По принципу действия уплотнения разделяют на контактные, в которых герметизация осуществляется за счет плотного прилегания уплотняющих элементов к подвижной поверхности вала; бесконтактные – герметизация в которых осуществляется за счет малых зазоров сопряженных элементов; комбинированные, состоящие из комбинации контактных и бесконтактных уплотнений.

Контактные уплотнения. Основными типами контактных уплотнений являются сальниковые и манжетные. Уплотнения войлочными кольцами (сальниковые) применяют для герметизации полостей подшипников, работающих на пластичном смазочном материале до окружных скоростей v = 8 м/с и Т= 90°С. Контакт кольца 2 с валом 1 (рис. 4.75, а) обеспечивают за счет предварительного натяга. Перед установкой в проточку в корпусной детали войлочные кольца пропитывают разогретой смесью из смазочного материала (85%) и графита. Не рекомендуется применять эти уплотнения при избыточном давлении и повышенной запыленности окружающей среды. Эффективность и долговечность сальниковых уплотнений повышается при установке их в комбинации с другими уплотнениями (щелевыми и лабиринтными).

Манжетные уплотнения (рис. 4.75, б) имеют уплотнительное кольцо 3, изготовленное из резины, имеющее выступающую рабочую кромку, которая соприкасается с поверхностью вала 1. Контакт рабочей кромки манжеты шириной 0,2-0,5 мм с валом обеспечивают за счет предварительного натяга, а также поджатием ее к валу браслетной пружиной 2. Уплотнение устанавливают так, чтобы рабочая кромка прижималась к валу избыточным давлением уплотняемой среды. Манжеты для работы в засоренной среде выполняют с дополнительной рабочей кромкой-пыльником 5. Для повышения жесткости корпус манжеты может быть армирован стальным кольцом 4. Применяют манжетные уплотнения в подшипниковых узлах при скоростях V = 25÷30 м/с и избыточном давлении Р = 0,2÷0,3 МПа. Эффективность работы повышают последовательной установкой двух манжет на расстоянии 3–8 мм.

Рис. 4.75

Уплотнение подшипниковых узлов при любом смазочном материале и скоростях v > 5 м/с может быть обеспечено фасонными шайбами 2 (рис. 4.75, в). Толщина шайб зависит от их размера и составляет 0,3-0,5 мм. Фиксация шайбы осуществляется гайкой 1. Не рекомендуется уплотнять фасонными шайбами самоустанавливающиеся подшипники с большими осевыми зазорами из-за возможности нарушения контакта между шайбой и обоймой подшипника.

Недостаток контактных уплотнений – наличие трения между контактирующими поверхностями, которое приводит к дополнительным энергетическим затратам, а также нагреву и износу поверхностей. Трение и износ контактной пары ограничивают долговечность и область применения контактных уплотнений.

Бесконтактные уплотнения. Эти уплотнения работают за счет сопротивления протеканию смазочного материала через узкие щели или каналы с резко изменяющимися проходными сечениями. Они не обеспечивают абсолютной герметичности, а служат для ограничения утечек. Основным преимуществом бесконтактных уплотнений являются повышенная долговечность и надежная работа при любых температурах и скоростях. По принципу действия их можно разделить на статические и динамические. В статических уплотнениях, щелевых и лабиринтных, величина утечек зависит только от геометрических характеристик соединения сопряженных элементов. Эффективность динамических уплотнений зависит от геометрии соединения и относительной скорости вращения сопряженных элементов.

Щелевое уплотнение (рис. 4.75, г) применяют при пластичном смазочном материале и скоростях v = 5 м/с. Степень герметизации уплотнения зависит от величины зазора и длины щели /. Зазор определяется прогибом вала в месте установки уплотнения, эксцентриситетом поверхностей вала 2 и корпуса 1 по отношению к оси вращения, зазором в подшипниках и т.п. Уменьшение зазора достигают нанесением на неподвижную деталь мастики 3 , приготовленной на порошкообразном графите.

Уплотнение подшипниковых узлов, работающих на пластичном и жидком смазочном материале при температурах Т= 80÷400°С и скоростях v = 30 м/с, можно обеспечить жировыми канавками (рис. 4.75,Э), которые при сборке заполняют пластичным смазочным материалом. Размеры канавок и величину зазора назначают в зависимости от диаметра вала. Например, при d = 20÷95 мм r = 1÷1,25 мм и δ = 0,3÷0,4 мм.

Лабиринтное уплотнение применяют при скоростях v > 30 м/с. В зависимости от числа щелей они могут быть одно- и многоступенчатыми. Радиальное уплотнение (рис. 4.75, е) допускает относительное смещение втулки 2 относительно крышки опоры 1, поэтому его применяют для плавающих опор подшипников. В аксиальном лабиринтном уплотнении (рис. 4.75, ж) при неразъемном корпусе 3 используют составную лабиринтную втулку 4. Это уплотнение устанавливают при осевых смещениях вала.

В подшипниковых опорах с жидким смазочным материалом применяют динамические уплотнения, которые работают при вращении вата, но теряют эффективность при остановках. Для предотвращения утечек в неработающих механизмах такие уплотнения часто используют в комбинациях со статическими контактными или бесконтактными уплотнениями. Спиральное (резьбовое ) уплотнение (рис. 4.75, з) выполняют в виде одно- или многозаходной нарезки прямоугольного или треугольного профиля. При вращении вала смазочный материал отбрасывается в полость редуктора. На-

Рис. 4.76

правление нарезки необходимо согласовывать с направлением вращения вала. Спиральное уплотнение нельзя применять в реверсивных механизмах.

На рис. 4.76 показано комбинированное уплотнение узла подшипника редуктора авиационного двигателя АИ-14В, состоящее из маслоотражательного кольца 2 и упругих металлических колец 1. В неработающем редукторе герметизация обеспечивается за счет контакта упругих колец с крышкой подшипника 4. При вращении вала под действием центробежных сил жидкий смазочный материал отбрасывается к периферии кольца 2 и стекает в нижнюю часть корпуса, где имеется канал 3 для его слива.

ВАЛЫ И ОСИ

Колёса передач установлены на специальных продолговатых деталях круглого сечения. Среди таких деталей различают оси и валы .

Ось – деталь, служащая для удержания колёс и центрирования их вращения. Вал – ось, передающая вращающий момент.

Не следует путать понятия "ось колеса", это деталь и "ось вращения", это геометрическая линия центров вращения.

Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г.

Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления.

Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации. Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.

Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни".

1. На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений.

2. На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения.

3. На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов.

Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить:

è объёмную прочность (способность сопротивляться M изг и М крут );

è поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями);

è жёсткость на изгиб;

è крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).

Все валы в обязательном порядке рассчитывают на объёмную прочность .

Схемы нагружения валов и осей зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи .

При составлении расчётной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах. При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, его считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой. Подшипники скольжения или качения, воспринимающие одновременно радиальные и осевые усилия, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры, а подшипники, воспринимающие только радиальные усилия, - как шарнирно-подвижные.

Такие задачи хорошо известны студентам из курсов теоретической механики (статики) и сопротивления материалов.

Расчёт вала на объёмную прочность выполняют в три этапа.

I. Предварительный расчёт валов

Выполняется на стадии проработки Технического Задания, когда известны только вращающие моменты на всех валах машины. При этом считается, что вал испытывает только касательные напряжения кручения

t кр = М вр / W p £ [ t ] кр ,

где W p - полярный момент сопротивления сечения.

Для круглого сечения: W p = pd 3 /16 , [ t ] кр = 15 ¸ 20 Н/мм 2 .

Условие прочности по напряжениям кручения удобно решать относительно диаметра вала

Это – минимальный диаметр вала. На всех других участках вала он может быть только больше. Вычисленный минимальный диаметр вала округляется до ближайшего большего из нормального ряда. Этот диаметр является исходным для дальнейшего проектирования.

II. Уточнённый расчёт валов

На данном этапе учитывает не только вращающий, но и изгибающие моменты. Выполняется на этапе эскизной компоновки, когда предварительно выбраны подшипники, известна длина всех участков вала, известно положение всех колёс на валу, рассчитаны силы, действующие на вал.

Чертятся расчётные схемы вала в двух плоскостях. По известным силам в зубчатых передачах и расстояниям до опор строятся эпюры изгибающих моментов в горизонтальной и фронтальной плоскостях. Затем вычисляется суммарный изгибающий момент

где α =0,75 или 1 в зависимости от принятой энергетической теории прочности , принимаемый большинством авторов равным 1 .

Вычисляется эквивалентное напряжение от совместного действия изгиба и кручения s экв = М экв / W p .

Уравнение также решается относительно минимального диаметра вала

Или то же самое для сравнения с допускаемыми нормальными напряжениями:

Полученный в уточнённом расчёте минимальный диаметр вала принимается окончательно для дальнейшего проектирования.

III. Расчёт вала на выносливость

Выполняется как проверочный на стадии рабочего проектирования, когда практически готов рабочий чертёж вала, т.е. известна его точная форма, размеры и все концентраторы напряжений: шпоночные пазы, кольцевые канавки, сквозные и глухие отверстия, посадки с натягом, галтели (плавные, скруглённые переходы диаметров).

При расчёте полагается, что напряжения изгиба изменяются по симметричному циклу, а касательные напряжения кручения – по отнулевому пульсирующему циклу.

Проверочный расчёт вала на выносливость по существу сводится к определению фактического коэффициента запаса прочности n , который сравнивается с допускаемым

Здесь n s и n t - коэффициенты запаса по нормальным и касательным напряжениям

где s -1 и τ -1 – пределы выносливости материала вала при изгибе и кручении с симметричным циклом; k σ и k τ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении, учитывающие галтели, шпоночные канавки, прессовые посадки и резьбу; ε α и ε τ – масштабные коэффициенты диаметра вала; s a и τ a – амплитудные значения напряжений; s m и τ m – средние напряжения цикла (s m = 0 , τ m =τ a ); ψ σ и ψ τ – коэффициенты влияния среднего напряжения цикла на усталостную прочность зависят от типа стали.

Вычисление коэффициентов запаса прочности по напряжениям подробно излагалось в курсе "Сопротивление материалов", в разделе "Циклическое напряжённое состояние".

Если коэффициент запаса оказывается меньше требуемого, то сопротивление усталости можно существенно повысить, применив поверхностное упрочнение: азотирование, поверхностную закалку токами высокой частоты, дробеструйный наклёп, обкатку роликами и т.д. При этом можно получить увеличение предела выносливости до 50% и более.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

s Чем различаются валы и оси?

s Какой динамический характер имеют напряжения изгиба в валах и осях?

s Каковы причины поломок валов и осей?

s В каком порядке выполняются этапы прочностного расчёта валов?

s Какой диаметр определяется в проектировочном расчёте валов?

ОПОРЫ ВАЛОВ И ОСЕЙ – ПОДШИПНИКИ

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, нем. zappen, голл. shiffen – вал ). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются.

Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить надёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного корпуса. Следовательно, главная особенность работы подшипника – трение сопряжённых деталей.

По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы:

è подшипники скольжения (трение скольжения);

è подшипники качения (трение качения).

Применяемые материалы.

Валы и оси вращаются в опорах, в качестве которых служат подшипники качения и скольжения. Опорные части валов и осей называют цапфами , при этом концевые цапфы для подшипников скольжения называют шипами , а промежуточные – шейками (рис. 27 а). Концевые опорные поверхности валов и осей, предназначенных для восприятия осевых нагрузок, называют пятами , а подшипники скольжения, в которых они размещаются, - подпятниками (рис. 27 б).

Конструктивная форма вала или оси во многом определяется видом их соединения с насаженными на них деталями. Виды этих соединений весьма разнообразны и выбираются в соответствии с величиной и родом передаваемых нагрузок, а также требуемой точностью центрирования насаженных деталей. Чаще всего детали закрепляются на валу или оси шпонками или шлицами, либо посадкой с гарантированным натягом.

Для осевого фиксирования деталей (зубчатых колёс, подшипников и др.) на валах выполняют упорные буртики или заплечики (рис. 28). Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров выполняют радиусной галтелью (рис. 28 а) или в форме канавки (рис. 28 б).

Для изготовления валов и осей используют углеродистые стали марок 20, 30, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х 40ХН и др.

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации.

Общие сведения об опорах валов и осей

Опорами называют устройства, обеспечивающие вращение подвижных частей механизма и непосредственное восприятие давления со стороны вала или оси. В зависимости от вида трения опоры (подшипники) бывают с трением скольжения и трением качения .

Опоры с трением скольжения имеют следующие преимущества :

– они могут работать при высоких скоростях и нагрузках в агрессивных средах;

– они малочувствительны к ударным и вибрационным нагрузкам;

– их можно устанавливать в местах, недоступных для установки подшипников качения, например на шейках коленчатых валов.

К основным недостаткам опор с трением скольженияотносятся:

– более высокие потери на трение при обычных условиях;

– усложнённые системы смазки тяжело нагруженных, быстроходных подшипников;

– необходимость постоянного контроля смазки (исключение представляют приборные подшипники из фторопласта и капрона, а также металлокерамические подшипники);

– необходимость применения дефицитных материалов и высокой твёрдости поверхности цапф;

– большие осевые габариты;

К достоинствам опор с трением качения относятся:

– малые потери на трение и моменты сопротивления при трогании с места;

– относительная простота сборки и ремонта механизмов;

– малые габариты в осевом направлении.

Недостатками этих опор являются:

– повышенная чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам,

– повышенные радиальные габариты.

Надёжность работы подшипников в значительной мере определяет работоспособность и долговечность машин.

Подшипники скольжения

Общие сведения

Подшипник скольжения (рис. 29 ) – это пара вращения, состоящая из опорного участка вала (цапфы ) 1 и самого подшипника 2 , в котором скользит цапфа.

Благодаря указанным выше достоинствам, а также по конструктивным и экономическим соображениям опоры скольжения находят широкое применение в паровых и газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, центробежных насосах, центрифугах, металлообрабатывающих станках, швейном оборудовании. Они отличаются большим разнообразием конструктивных форм составных частей.

По виду трения скольжения различают подшипники: сухого трения , работающие на твёрдых смазочных материалах или без смазочного материала; граничного трения , при котором слой смазки, разделяющий подшипник и цапфу вала, составляет не более 0,1 мкм; жидкостного трения и с газовой смазкой .

По виду воспринимаемой нагрузки подшипники подразделяют на: радиальные , воспринимающие радиальную нагрузку (рис. 30 а); радиально-упорные , если подшипник может кроме радиальной нагрузки воспринимать частично и осевую (рис. 30 б, в); упорные , воспринимающие осевую нагрузку (рис. 30 г).

Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической (рис. 30 а), конической (рис. 30 б), шаровой (рис. 30 в) и плоской (рис. 30 г). Конические и шаровые подшипники применяются редко. Условия работы подшипников скольжения определяются основными параметрами режима работы: удельной нагрузкой р и угловой скоростью ω.

3.4.2. Конструкции подшипников скольжения

Подшипники скольжения состоят из двух основных частей: корпуса и подшипниковой втулки (вкладыша), контактирующей с цапфой вала. Применение вкладышей позволяет изготовлять детали корпусов из дешёвых материалов и облегчает ремонт. В малогабаритных и неответственных подшипниках вкладыши иногда отсутствуют, их назначение в этом случае выполняет корпус.

Конструкции деталей корпусов и вкладышей разнообразны и зависят от конструкции механизмов и машин в целом, условий монтажа и эксплуатации.

Конструкции опор с подшипниками скольжения можно условно разделить на подшипники с неразъёмным корпусом и разъёмным .

Подшипники с неразъёмным корпусом сравнительно просты и дешёвы, но сложны при монтаже (требуется осевой сдвиг вала, не допускается регулировка зазора). Это ограничивает их использования малоответственными тихоходными конструкциями.

Разъёмные стандартные подшипники широко применяются в различных конструкциях.

Разъёмный подшипник (рис. 31) состоит из корпуса 1 , крышки 2 , вкладыша 3 , крепёжных болтов с гайками 4 и маслёнки 5 . Разъём вкладыша делают по его диаметру, а разъём корпуса – ступенчатым. Уступ в ступенчатом разъёме препятствует поперечному сдвигу крышки относительно корпуса подшипника.

Разъём вкладыша обычно выполняют в плоскости, перпендикулярной радиальной нагрузке. Смазку осуществляют различными смазочными материалами с помощью колпачковых маслёнок или жидкими маслами с помощью капельных маслёнок, например в швейных машинах.

Подшипниковые втулки (вкладыши) выполняют в стандартном и оригинальном исполнении цилиндрическими без бурта (буртов) для радиальной нагрузки (рис. 32 а) и с буртом (буртами) для восприятия одно- или двусторонней осевой и радиальной сил (рис. 32 б, в, г) . Их изготавливают неразъёмными (рис. 32) и разъёмными (рис. 33).

Для распределения смазки по длине вкладыша на его внутренней поверхности делают канавки или выемки (карманы) (рис. 33). Их располагают в месте подвода смазки. Расположение и форма канавок и каналов, подводящих смазочный материал, зависят от конструкции опоры и особенностей эксплуатации. От осевого перемещения вкладыши фиксируют с помощью винтов или штифтов (рис. 34).

Вкладыши изготовляют из материалов с высокими антифрикционными свойствами, обладающими хорошей теплопроводностью, прирабатываемостью и смачиваемостью смазочными материалами, твёрдостью.

Наиболее распространёнными материалами вкладышей являются баббиты Б16 и Б83 , бронзы БрО10Ф1 , БрА9Ж3Л и др., латунь ЛМцОС58-2-2-2 , антифрикционные чугуны АСЧ1, АСЧ-2, АСЧ-3 и др.

Вкладыши малонагруженных и низкооборотных механизмов изготовляют из металлокерамики, пластмасс. Втулки и вкладыши подшипников скольжения, изготовленные из неметаллических материалов (текстолит, резина, капрон и др.), стоят дешевле металлических. Они обладают хорошими антикоррозионными свойствами, могут работать без смазки или с водяной смазкой, имеют повышенную нагрузочную способность и сопротивляемость удару, износостойки и не склонны к заеданию.

Практика эксплуатации подшипников скольжения показала, что их работа в условиях сухого и граничного трения сопровождается изнашиванием. Отказы таких подшипников происходят из-за заедания (диффузионной сварки), пластического деформирования, абразивного изнашивания, особенно опасного при засорении смазочного материала, а также усталостного разрушения и отслаивания фрикционного слоя при вибрационных и ударных нагрузках. Эти повреждения зависят от удельной нагрузки, скорости, вязкости материала и других параметров режима работы, используемых в качестве критериев работоспособности.

Подшипники жидкостного трения работают без изнашивания, если не нарушается режим смазки. В связи с этим для них основным критерием работоспособности является номинальная толщина слоя смазочного материала, исключающая контакт микронеровностей цапфы и подшипника (вкладыша).

Валы, оси и опоры

К атегория:

Слесарно-механосборочные работы

Валы, оси и опоры

Для передачи вращательного движения наиболее характерными типовыми деталями и сборочными единицами машин являются валы, оси, цапфы, опоры валов и осей (подшипники) и муфты.

Валы - детали машин, предназначенные для передачи крутящего момента (мощности) и несущие на себе такие детали, как шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики. Валы могут иметь различное расположение: горизонтальное, вертикальное, наклонное. При работе валы подвергаются скручиванию, изгибу, поперечным и продольным нагрузкам. Валы могут быть цилиндрическими, гладкими, пустотелыми, ступенчатыми, коленчатыми, кривошипными и составными. Когда вал машины или механизма расположен по отношению к валу двигателя так, что осуществить их связь жесткими передачами невозможно, применяют гибкие проволочные валы, например привод дистанционного управления и контроля.

Оси - детали машин, служащие лишь опорой для вращающихся деталей (не передают крутящего момента). Оси могут быть неподвижными, когда вращающиеся детали свободно насажены, или подвижными, когда детали закреплены и вращаются вместе с осью. Форма осей цилиндрическая (прямая или ступенчатая).

Рис. 1. Валы, оси и опоры: а - вал на опорах; 6 - подшипник скольжения неразъемный, в, г - подшипник скольжения разъемный; 1 - цапфа-шип, 2 - опора (подшипник), 3 - шкив, 4 - монтажная шейка, J - опора (подшипник), 6 - зубчатое колесо, 7 - цапфа-шейка, 8 - ось, 9 - блок

Цапфы- опорные концы вала. В зависимости от положения на валу и направления нагрузки цапфы делятся на шипы, шейки и пяты.

Шип и шейка принимают радиальную нагрузку, пята- осевую. Шип располагается на конце вала или оси и через него не передается крутящий момент. Шейка ставится на участках вала, подверженных действию крутящего момента.

Шипы и шейки имеют цилиндрическую (реже коническую или шаровую) форму. Пята представляет собой торцовую часть оси или вала.

Опоры в машинах являются неподвижными частями, на которые опираются вращающиеся вал и ось. В зависимости от направления прилагаемой нагрузки опоры делятся на подшипники и подпятники.

Подшипники принимают радиальную нагрузку, а под-пятники - осевую. При комбинированной нагрузке используют радиально-упорные опоры. В зависимости от рода трения различают опоры скольжения и опоры качения.