МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный университет дизайна и технологии
Новосибирский технологический институт
Московского государственного университета
Дизайна и технологии (филиал)
(НТИ МГУДТ (филиал))
Кафедра механики и инженерной графики
(МиИГ)
ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ
методические указания к лабораторной работе
по дисциплине «Детали машин и основы конструирования»
по специальности: 150406.65 – Машины и аппараты текстильной и
лёгкой промышленности
по направлению: 260900.65 – Технология и конструирование изделий
лёгкой промышленности
по специальностям: 260901.65 - Технология швейных изделий;
260902.65 - Конструирование швейных изделий;
260904.65 - Технология кожи и меха;
260905.65 - Технология изделий из кожи;
260906.65 - Конструирование изделий из кожи
Новосибирск – 2010
Автор к.т.н., доцент М.А. Ланцевич
Рецензент д.т.н., профессор Ю.И. Подгорный
Зав. Кафедрой механики и
инженерной графики к.т.н., доцент В.Ф. Ермолаев
Методические указания. – Новосибирск: НТИ МГУДТ (филиал), 2010.- 25 с.
Цель работы
Практическое изучение различных конструкций подшипников качения, методики их расчета и подбора.
Содержание работы
Расшифровка условного обозначения подшипников качения, определение области их применения, установление основных геометрических параметров и вычерчивание подшипников качения с указанием всех размеров, подбор подшипников качения и выполнение проверочного расчета на долговечность.
Оборудование и инструмент
|
1) Набор подшипников качения
2) Штангенциркуль
3) Каталог подшипников качения
4) Плакаты
Теоретический материал
4.1 Общие сведения
Подшипники качения предназначены поддерживать вращающиеся валы и оси в пространстве, обеспечивая им возможность свободного вращения или качания, и воспринимать действующие на них нагрузки. Кроме осей и валов подшипники качения могут поддерживать детали, вращающиеся вокруг неподвижных осей, например, блоки, шкивы и др.
Подшипники качения стандартизованы и выпускаются промышленностью в массовых количествах в большом диапазоне типоразмеров с наружным диаметром от 1 мм до 5 м и с диаметром шариков от 0,35 мм до 203 мм, и массой от долей грамма до нескольких тонн.
Подшипники качения (см. рисунок 1) в большинстве случаев состоят из наружного кольца 1, внутреннего кольца 2, тел качения 3 (шариков или роликов), сепаратора 4. В некоторых подшипниках качения для уменьшения их габаритов одно или оба кольца отсутствуют, а в некоторых отсутствует сепаратор.
Рисунок 1 – Шариковый радиальный подшипник |
По сравнению с подшипниками скольжения, подшипники качения имеют следующие достоинства: меньшие моменты сил трения; малая зависимость моментов сил трения от скорости; небольшой нагрев; незначительный расход смазки; малую ширину; значительно меньший расход цветных металлов; менее высокие требования к материалу и к термической обработке валов; значительно меньшие пусковые моменты.
К недостаткам подшипников качения относятся: чувствительность к ударным нагрузкам; относительно большие радиальные размеры; высокая стоимость при производстве уникальных подшипников; высокие контактные напряжения и поэтому ограниченный срок службы; меньшая способность демпфировать колебания.
|
4.2 Классификация подшипников качения
Подшипники качения по виду воспринимаемой нагрузки делятся на радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные, упорные.
В зависимости от формы тел качения, подшипники делятся на шариковые и роликовые. Ролики бывают: цилиндрические короткие, длинные, витые, конические, бочкообразные, игольчатые.
По числу рядов тел качения подшипники различают однорядные, двухрядные, трехрядные и четырехрядные.
По способу самоустановки подшипники качения подразделяются на несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся (сферические).
По грузоподъемности подшипники качения подразделяются на различные серии: сверхлегкие, особолегкие, легкие, средние, тяжелые, а по ширине на узкие, нормальные, широкие, особоширокие.
4.3 Основные типы подшипников качения
4.3.1 Шариковые подшипники
4.3.1.1 Радиальные, однорядные шариковые подшипники (см. рисунок 2 а) в основном предназначены для восприятия радиальных нагрузок, но могут воспринимать и осевую нагрузку в обе стороны до 70 % от неиспользованной допустимой радиальной нагрузки, поэтому эти подшипники можно применять для фиксации вала или корпуса в осевом направлении. Допускают перекос осей колец подшипника на угол не более 0,25°.
4.3.1.2 Радиальные, двухрядные, сферические шариковые подшипники (см. рисунок 2 б) предназначены для восприятия радиальных нагрузок в условиях возможных значительных перекосов колец подшипников (до 2 - 3°). Подшипники допускают осевую фиксацию вала в обе стороны с нагрузкой до 20% от неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. Дорожку качения наружного кольца выполняют по сферической поверхности описанной из центра подшипника, что обеспечивает подшипнику самоустанавливаемость, поэтому их можно применять в узлах машин с отдельно стоящими корпусами при несовпадении осей посадочных мест под подшипники или в качестве опор длинных, прогибающихся от действия нагрузок, валов.
|
4.3.1.3 Радиально-упорные шариковые подшипники (см. рисунок 2 в) предназначены для восприятия совместно действующих радиальных и односторонних осевых нагрузок. Могут воспринимать чисто осевую нагрузку.
Рисунок 2 – Шариковые подшипники |
| ||
Один из бортов наружного или внутреннего кольца срезан почти полностью, что позволяет закладывать в подшипники на 45% больше шариков того же диаметра, чем в обычные радиальные подшипники, что способствует повышению их грузоподъемности.
Подшипники по конструктивным особенностям выполняют с расчетными углами контакта шариков с кольцами = 12° (тип 36000), = 26° (тип 46000) и = 36° (тип 66000). Радиально-упорные подшипники применяют в опорах жестких коротких валов и в опорах, требующих регулировки внутреннего зазора в подшипниках.
Подшипники, у которых угол контакта = 45° называются упорно-радиальными.
4.3.1.4 Упорные шариковые подшипники (см. рисунок 2 г) предназначены для восприятия односторонних осевых нагрузок. На горизонтальных валах они работают хуже, чем на вертикальных валах и требуют хорошей регулировки или поджатия колец пружинами. Упорные подшипники часто устанавливают в одном корпусе в паре с радиальными подшипниками.
4.3.2 Роликовые подшипники
4.3.2.1 Радиальные роликовые подшипники с короткими цилиндрическими роликами (см. рисунок 3 а) предназначены для восприятия больших радиальных нагрузок. Их грузоподъемность на 70 % выше грузоподъемности однорядовых радиальных шариковых подшипников одинакового типоразмера. Подшипники легко разбираются в осевом направлении, допускают некоторое осевое взаимное смещение колец, что облегчает монтаж и демонтаж подшипниковых узлов и позволяет применять их в плавающих опорах, как правило, жестких коротких валов.
4.3.2.2 Радиальные двухрядные подшипники с короткими цилиндрическими роликами (см. рисунок 3 б) применяют для опор быстроходных коротких валов, требующих точного вращения. Ролики расположены в шахматном порядке. Сепаратор – массивный бронзовый.
4.3.2.3. Радиальные двухрядные сферические роликовые подшипники (см. рисунок 3 в) предназначены для восприятия особо больших радиальных нагрузок при возможности значительных (2 - 3°) перекосов колец, а также двухстороннюю осевую нагрузку до 25 % неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. Могут работать и при только осевом усилии. Дорожка качения наружного кольца выполнена по сферической поверхности. Ролики имеют форму бочки. Подшипники этого типа применяют в опорах длинных двух и многоопорных валов, подверженных значительным прогибам под действием внешних нагрузок, а также в узлах машин с отдельно стоящими подшипниковыми корпусами.
4.3.2.4 Конические роликовые подшипники (см. рисунок 3 г) являются радиально-упорными и предназначены для восприятия значительных совместно действующих радиальных и односторонних осевых нагрузок.
Радиальная грузоподъемность в среднем на 90 % выше, чем у радиальных однорядных подшипников одинакового типоразмера. Эти подшипники имеют широкое применение в машиностроении. Отличаются удобством сборки и разборки, регулировки зазоров и компенсации износов. Угол контакта (половина угла при вершине конуса дорожки качения наружного кольца) = (9 - 17°) (тип 7000), = (25 - 29°) (тип 27000). Конические роликовые подшипники применяют в узлах машин с жесткими, двух опорными, короткими валами.
4.4 Условные обозначения подшипников качения
Условными обозначениями характеризуются внутренний диаметр подшипника (или втулки), его серия, тип, конструктивные особенности. Все перечисленные параметры обозначаются по ГОСТ 3189-75 цифрами, значения которых определяются занимаемыми ими местами в условном обозначении подшипников, согласно данных, приведенных в таблице 1.
4.4.1 Обозначение внутреннего диаметра подшипников
Внутренний диаметр подшипника (или диаметр вала, если он
20 ≤ d ≤ 200 мм) в условном обозначении подшипника указывается двумя первыми цифрами справа, являющимися частным от деления диаметра отверстия на пять. Для подшипников, у которых 10 ≤ d ≤ 17 мм диаметр обозначается в соответствии с таблицей 2.
Таблица 1 – Значение цифр в условном обозначении подшипников
Места цифр в условном обозначении (считая, справа) | Значение цифр |
1-я и 2-я | Диаметр вала (внутренний диаметр подшипника d или втулки) |
3-я и 7-я | Серия по наружному диаметру и ширине соответственно |
4-я | Тип подшипника |
5-я и 6-я | Конструктивные особенности |
Таблица 2 – Обозначение диаметра отверстия подшипника
Внутренний диаметр, мм | Условные обозначения внутреннего диаметра |
от 20 до 200 | Частное от деления d на 5 |
4.4.2 Обозначение серий подшипников
Третья и седьмая цифры справа указывают серию подшипника всех диаметров (кроме малых подшипников, у которых d = 9 мм) согласно данным таблицы 3.
Таблица 3 – Обозначение серий подшипников
Серия | Характеристика по ширине | Обозначение серии | Примеры обозначения серии | |
3-я цифра справа | 7-я цифра справа | |||
мелкогабаритные | разные | |||
ненормальные диаметры | неопределенные | |||
неопределенные | неопределенные | |||
тяжелые | широкая узкая | |||
средние | особоширокая широкая нормальная узкая | |||
легкие | особоширокая широкая нормальная узкая | |||
особолегкие | особоширокая широкая нормальная узкая | |||
сверхлегкие | особоширокая широкая нормальная узкая |
4.4.3 Обозначение типа подшипников
Тип подшипника указывается в условном обозначении четвертой цифрой справа, в соответствии с таблицей 4.
Таблица 4 – Обозначение типа подшипника в условном обозначении
Четвертая цифра справа | Тип подшипника |
Радиальный шариковый | |
Радиальный шариковый сферический | |
Радиальный с короткими цилиндрическими роликами | |
Радиальный роликовый сферический | |
Радиальный роликовый с длинными цилиндрическими роликами или игольчатый | |
Радиальный роликовый с витыми роликами | |
Радиально-упорный шариковый | |
Роликовый конический | |
Упорный шариковый | |
Упорный роликовый |
Примеры условного обозначения подшипников:
6 6 2 09
Диаметр вала (внутренний диаметр
подшипника) – d = 09∙5 = 45 мм.
Серия по наружному диаметру и ширине – легкая,
узкая.
Тип – радиально-упорный шариковый однорядный.
Конструктивные особенности – угол контакта = 36°.
11 1 6 12
Диаметр вала (внутренний диаметр
подшипника) – d = 12∙5 = 60 мм.
Серия по наружному диаметру и ширине – средняя, широкая.
Тип – радиальный сферический двухрядный шариковый.
Конструктивные особенности – посадочное отверстие
внутреннего кольца конус 1:12.
Подбор и расчет подшипников качения
5.1 Общие положения методики подбора и расчета подшипников качения
Для выбора подшипников качения и определения их рабочего ресурса при проектировании и расчете опорных узлов редукторных валов необходимо учитывать эксплуатационные условия, характер и величину нагрузок, воспринимаемых опорами.
На основе анализа нагрузок конструктор намечает тип подшипника: радиальный, радиально-упорный, упорный (см. таблицу 1) и его номер в соответствии с диаметром цапфы. Выбранный подшипник должен обладать необходимой нормативной долговечностью, согласованной с ресурсом работы данной машины или механизма. Например, для зубчатых редукторов установлен срок службы 36000 час., для черевячных 20000 час. Для подшипников таких редукторов минимальный ресурс рекомендуется соответственно 10000 и 5000 час., желательно предусматривать его таким же, как и у редукторов.
Таблица 5 – Рекомендации по выбору подшипника
Отношение | Условное обозначение и угол контакта | Осевая составляющая радиальной нагрузки в долях от | Примечание |
0 - 0,35 | Радиальные однорядные шариковые подшипники | --- | В случае возможности использования легкой серии получаются оптимальные результаты по предельной быстроходности |
0,36 - 0,70 | 36000, =12° | 0,3 | Допустимо использование особо легкой и сверхлегкой серии |
0,71 - 1,00 | 46000, =26° | 0,6 | При весьма высоких скоростях легкая серия предпочтительней |
1,01 - 1,50 | 66000, =36° | 0,9 | Для высоких скоростей подшипник с данным углом контакта не пригоден |
1,51… | Рекомендуется применять конические радиально-упорные подшипники или спаренные радиально-упорные шариковые |
По ГОСТ 18855-82 расчетный ресурс подшипников качения определяется в миллионах оборотов работы по формулам:
для шариковых подшипников
,
для роликовых подшипников
Расчетная долговечность в часах
,
где – динамическая грузоподъемность, указанная в каталогах на подшипники, Н;
– эквивалентная динамическая нагрузка, Н, рассчитываемая по формуле:
,
где – радиальная нагрузка, Н;
– осевая нагрузка, Н;
– коэффициент вращения (если вращается внутреннее кольцо,
то =1, если же вращается наружное кольцо, то V=1,2);
– коэффициент безопасности (см. таблицу 6);
– температурный коэффициент (см. таблицу 7);
– коэффициент радиальной и осевой нагрузок (см. таблицы 8, 9).
Однако для определения их конкретных значений необходимо предварительно найти параметр осевого нагружения , указанный в тех же таблицах. Этот параметр зависит от отношения , где – статическая грузоподъемность, Н, указываемая в каталоге на подшипники. Далее определяют величину отношения , сопоставляют ее с найденным ранее параметром и в зависимости от этого находят конкретные значения и .
Таблица 6 – Значения коэффициента безопасности
Характер нагрузки | Примеры | |
Спокойная без толчков | 1,0 | Ролики ленточных транспортеров |
Легкие толчки. Кратковременные перегрузки до 125 %, от расчетной нагрузки | 1,1 - 1,2 | Прецизионные зубчатые передачи, блоки, легкие вентиляторы, воздуходувки |
Умеренные толчки и вибрации. Кратковременные перегрузки до 150% от расчетной нагрузки | 1,3 - 1,5 | Редукторы всех конструкций |
То же в условиях повышенной надежности | 1,6 - 1,8 | Центрифуги и сепараторы, энергетическое оборудование |
Значительные толчки и вибрации. Кратковременные перегрузки до 200% от расчетной нагрузки | 1,9 - 2,4 | Валики среднесортных прокатных станов; дробилки, ковочные машины |
С сильными ударами и кратковременными перегрузками, достигающими 300 % от расчетной нагрузки | 2,5 - 3,0 | Тяжелые ковочные машины; валки крупносортных прокатных станов; лесопильные рамы |
Таблица 7 – Значения температурного коэффициента
Рабочая температура подшипника, °С | до 100 | ||||||||
1,00 | 1,05 | 1,10 | 1,15 | 1,25 | 1,35 | 1,40 | 1,60 | 2,00 |
Таблица 8 – Коэффициенты и для радиальных и радиально-упорных
шариковых подшипников (по ГОСТ 18855-82)
Угол контакта ° | Одноряд- ные | Двухрядные | |||||||
> | ≤ | > | |||||||
0,014 0,028 0,056 0,110 0,170 0,280 0,120 0,560 | - | 0,56 | 2,30 1,99 1,71 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00 | 0,56 | 2,30 1,99 1,71 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00 | 0,19 0,22 0,26 0,30 0,34 0,38 0,42 0,44 | |||
- | 0,014 0,028 0,056 0,085 0,110 0,170 0,280 0,420 0,560 | 0,56 | 2,30 1,99 1,71 0,55 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00 | 2,78 2,40 2,07 1,87 1,75 1,56 1,39 1,26 1,21 | 0,78 | 3,74 3,23 2,78 2,52 2,36 2,13 1,78 1,69 1,630 | 0,23 0,26 0,30 0,34 0,36 0,40 0,45 0,50 0,52 | ||
- | 0,014 0,029 0,057 0,086 0,110 0,170 0,290 0,430 0,570 | 0,46 | 1,88 1,71 1,52 1,41 1,34 1,23 1,10 1,01 1,00 | 2,18 1,98 1,76 1,63 1,55 1,42 1,27 1,17 1,10 | 0,75 | 3,06 2,78 2,47 2,29 2,18 2,00 1,79 1,64 1,63 | 0,29 0,32 0,36 0,38 0,40 0,44 0,49 0,54 0,54 |
Продолжение таблицы 8
- | 0,014 0,029 0,057 0,086 0,110 0,170 0,290 0,430 0,570 | 0,45 | 1,81 1,62 1,46 1,34 1,22 1,13 1,04 1,01 1,00 | 2,08 1,84 1,69 1,52 1,39 1,30 1,20 1,16 1,16 | 0,74 | 2,94 2,63 2,37 2,18 1,98 1,84 1,69 1,64 1,62 | 0,30 0,34 0,37 0,41 0,45 0,48 0,52 0,54 0,54 | ||
- | 0,015 0,029 0,058 0,087 0,120 0,170 0,290 0,440 0,580 | 0,44 | 1,47 1,40 1,30 1,23 1,19 1,12 1,02 1,00 1,00 | 1,65 1,57 1,46 1,38 1,34 1,26 1,14 1,12 1,12 | 0,72 | 2,39 2,28 2,11 2,00 1,93 1,82 1,66 1,63 1,63 | 0,38 0,40 0,43 0,46 0,47 0,50 0,55 0,56 0,56 | ||
18,19,20 24,25,26 35,36 | - | - | 0,43 0,41 0,39 0,37 0,35 | 1,00 0,87 0,76 0,66 0,57 | 1,09 0,92 0,78 0,66 0,55 | 0,70 0,67 0,63 0,60 0,57 | 1,63 1,41 1,24 1,07 0,93 | 0,57 0,68 0,80 0,95 1,14 | |
Подшипники сферические | 4,40 | 0,44х ctg | 0,42х ctg | 0.65 | 0,65х ctg | 1,50х tg |
Примечание:
1) Для однорядных подшипников при < применяется =1 и = 0;
2) Коэффициенты , для промежуточных величин отношений и
определяются интерполяцией,
где i - количество рядов тел качения.
3) – параметр осевого нагружения.
Таблица 9 – Коэффициенты Х и Y для радиально-упорных
роликовых подшипников (по ГОСТ 18855-82)
≤ | > | |||||||||
Подшипники однорядные | ||||||||||
0,40 | 0,40∙ ctgβ | 1,5∙ tgβ | ||||||||
Подшипники двухрядные | ||||||||||
0,45∙ ctgβ | 0,67 | 0,67∙ ctgβ | 1,5∙ tgβ | |||||||
5.2 Примеры расчета подшипников качения
5.2.1 Радиальных подшипников
ПРИМЕР 1 Подобрать подшипник качения для вала редуктора с цапфой = 40 мм. Проверить долговечность при частоте вращения n = 1000 об/мин; радиальная нагрузка = 2500 Н, осевая нагрузка = 0.
РЕШЕНИЕ: в данных условиях подходит подшипник радиальный однорядный шариковый (см. таблицу 5). Проверим подшипник для посадочного диаметра d = 40 мм., начиная с легкой серии - № 208, у которого статическая грузоподъемность (см. каталог):
= 18100 Н;
динамическая грузоподъемность
= 25600 Н.
Примем по таблицам 6 и 7 – =1,4; = 1,0.
Так как = 0 и = 0, то из таблицы 8, примечание 1) следует:
Х =1, Y =0.
Эквивалентная динамическая нагрузка:
= = 1∙1∙2500∙1,0∙1,4∙1,0 = 3500 (Н).
Расчетный ресурс в миллионах оборотов:
(млн.об.)
Расчетная долговечность в часах:
(час.)
Так как долговечность оказалась меньше минимальной нормы (10000 час.), то проверим подшипник средней серии № 308, у которого
= 22700 Н; = 31900 Н.
(млн.об.)
(час.)
что допустимо.
ПРИМЕР 2 Подобрать подшипник качения при Fa =1000 Н, если остальные данные как в примере 1.
РЕШЕНИЕ: Наметим как и выше, подшипник №308. Отношение
Из таблицы 8 находим интерполированием е = 0,24.
Так как
> e
то имеем Х =0,56; Y = 1,85.
Эквивалентная динамическая нагрузка:
Р=(ХVFr+YFа)kбkT = (0,56∙1∙2500+1,85∙1000)∙1,4∙1 = 4550 (Н).
Расчетный ресурс в миллионах оборотов:
(млн.об.)
Расчетная долговечность в часах:
(час.)
Долговечность недостаточна.
Проверим подшипник тяжелой серии № 408, у которого
Сo = 37000, Н, С = 5030, Н.
е = 0,22
следовательно: Х =0,56; Y =1,99;
Р = (ХVFr+YFа)kбkT = (0,56∙1∙2500+1,99∙1000)∙1,4∙1 = 4750 (Н).
(млн.об.)
Расчетная долговечность в часах:
(час.)
Такая долговечность приемлема.
5.2.2 Радиально-упорных подшипников
При расчете радиально-упорных подшипников необходимо определять осевые нагрузки, воспринимаемые опорами и учитывать собственные осевые составляющие S реакций в подшипнике, возникающие от радиальной нагрузки. В случае установки шариковых радиально-упорных подшипников S = е∙Fr, а в случае роликовых – S =0,83∙ е∙Fr.
Общие осевые нагрузки находят в зависимости от расположения, как это указано в таблице 10.
Точка приложения реакции опоры находится на пересечении оси вала с нормалью к середине линии контакта. Эта точка может быть определена графически или по расстоянию а от торца наружного кольца:
Для однорядных шариковых подшипников
a = 0.5{B + [(d + D)/2] tgβ}
Для роликовых конических
a = T/2 +(d + D)e/6,
где d и D – внутреннийинаружныйдиаметрыподшипника, мм
(см. рисунок 1);
В – ширина подшипника, мм;
Т – расстояние между противоположными торцами колец роликоподшипника, мм (см. рисунок 3 г).
Таблица 10 – Общие осевые нагрузки, воспринимаемые подшипниками
Схема нагружения | Соотношение сил | Общие осевые нагрузки |
S1≥S2 Fа≥0 S1<S2 Fа≥S2-S1 | Fа1=S1 Fа2=S1+Fа Fа1=S1 Fа2=S1+Fа | |
S1≤S2 Fа<S2-S1 | Fа1=S2-Fа Fа2=S2 |
ПРИМЕР 3 При расчете первого вала редуктора были определены реакции опор Fr1 = 3600, Н; Fr2 = 1800, Н; осевая нагрузка Fа = 1400, Н; подшипники установлены по схеме б (см. таблицу 10).
Диаметр цапфы вала d = 50; мм; частота вращения вала n = 1400 об/мин.
РЕШЕНИЕ: Осевая нагрузка действует на вторую опору, поэтому определяем отношение Fа/Fr для этой опоры:
Fа/Fr = 1400/1800 = 0,78.
На основе рекомендаций, приведенных в таблице 5, намечаем тип подшипника – шариковый радиально-упорных с углом контакта β =26°. Первоначально принимаем подшипник легкой серии № 46210.
С = 31800 Н; Со = 25400 Н (см. каталог)
Из таблицы 8 имеем: е = 0,68
Так как Fа/Fr = 0,78 > е, то
Х = 0,41, Y = 0,87 (см. таблицу 8)
Осевая составляющая S1 = е∙Fr1 = 0,68∙3600 = 2450 (Н).