4.1 Оси и валы .

В современных механизмах наиболее широко используется вращательное движение, которое поддерживается в установившемся режиме неограниченное время. Все движители, находящиеся во вращении, осуществляют это движение вокруг некоторых геометрических осей. Теоретические оси воплощаются на практике в валы и оси. По условиям изготовления и монтажа длину осей и валов во многих случаях ограничивают, составляя их из отдельных отрезков, соединенных между собой с помощью соединительных муфт.

Оси и валы, несущие вращающие детали, должны опираться своими специально приспособленными для этого участками – цапфами (шипами) и пятами – на опорные устройства – подшипники и подпятники. Цапфы предназначены для восприятия радиальной, а пяты осевой нагрузок.

Оси предназначаются только для направления движения и поддержания неподвижно, или свободно посаженных на них деталей и не передают крутящего момента от одной детали к другой. В связи с этим оси могут выполняться как вращающимися, так и неподвижными

и воспринимать лишь поперечные (изгибающие), продольные (растягивающие и сжимающие) нагрузки.

Оси и валы для обеспечения для обеспечения достаточной прочности при минимальной массе выполняются ступенчатой формы.

Такая форма приближается к форме тела с разными сопротивлениями изгибу. Гладкие оси и валы нашли свое применение, вследствие простоты изготовления, их используют там, где на сопрягаемые с ними детали не действуют большие осевые нагрузки. Бывают такие валы коленчатые.

Для уменьшения массы и габаритных размеров длину валов и осей ограничивают. Для уменьшения массы валы изготавливают полыми. Это не приводит к резкому снижению прочности осей и валов, если соотношение между внутренним и наружным диаметром. . Так при масса металла уменьшается примерно на 40%, с момента сопротивления, лишь на 15%. Применение полых осей и валов в ряде случаев позволяет использовать полость для монтажа электропроводов, пропуска жидкости, газов и т. п. Конструкции ступенчатых валов и осей весьма разнообразны. Выбор рациональной формы вала зависит от типа опор вращения, типа деталей насаживаемых на вал последовательности сборки и характера действующих сил. Основными критериями надежной работы валов и осей является жесткость и прочность. Для нахождения минимальных размеров вала, обеспечивающих достаточную прочность и жесткость, составляет расчетную схему. При этом вал рассматривают как балку, лежащую на шарнирных опорах и, нагруженную силами, действующими на закрепленную на ней детали. Условно считают, что сила, от детали, посаженной на вал, передается как сосредоточенная сила, приложенная посередине приложенных элементов (шпонки, штифты и т. п.). Силы реакции в опорах приложенные посередине шарикоподшипника и на расстоянии (0.2 + 0.35)l, в подшипнике скольжения (l – длина уапфы). Рассмотрим схему нагрузок и опорных реакций, а также эпюры изгибающих и вращательных моментов, действующих на вал, на котором закреплены цилиндрическое косозубое и коническое зубчатые колеса.

Эпюры изгибающих моментов от составляющих нагрузок строятся в каждой плоскости осидально, и по ним находят эпюру результирующих моментов. Предварительный расчет валов выполняют с учетом условий прочности на кручение по пониженным допустимым напряжениям

Отпуск диаметра вала

Где = 10…30 МПа условное (пониженное) допустимое напряжение на кручение

Основной расчет валов на кручение и изгиб выполняют по эквивалентному моменту. Эквивалентное нормальное напряжение для валов

Опоры.

Устройства, которые обеспечивают движение одной детали относительно другой в определенном направлении - называются направляющими.

В соответствие с двумя простейшими видами движения (вращательным и поступательным) все направляющие можно разделить на направляющие для вращательного движения и направляющие для поступательного движения. Направляющие для вращательного движения называются опорами. В зависимости от вида трения направляющие могут работать с трением скольжения, качения и упругости. Для опор вращательного движения иногда используют трение о воздух или жидкость. Направляющие в точной механике должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Иметь минимальные силы трения и износа

Обладать минимальными зазорами обеспечивающим наибольшую точность перемещения

Быть надежными в работе в широком интервале температур

Иметь плавный ход при передаче рабочего усилия

Расчет направляющих в приборостроении подводиться, прежде всего, на трение ввиду незначительных передаваемых усилий, при необходимости на прочность, износ нагревание.

Опоры для вращательного движения выполняются из двух деталей, образующих вращательную кинематическую пару – уапфы и подшипника, который часто делают виде втулки. Опоры должны предусматривать фиксацию осей либо уапфы от осевых и радиальных перемещения. Опоры вращательного движения в зависимости от вида трения можно разделить на опоры трения скольжения, качения и упругости. К специальным опорам можно отнести воздушные, жидкостные и магнитные. В зависимости от направления сил реакции возникающих в опорных узлах, опоры разделяются на подшипники (нагруженными поперечными силами) и по форме контактных деталей – на цилиндрические, конические, сферические. В зависимости от положения в пространстве и характера воспринимаемой нагрузки цилиндрические опоры делятся на горизонтальные, вертикальные, радиально – упорные и упорные.

Пусть на цапфу действует нагрузка в виде вертикальной силы Q. Момент трения для новой непроработанной цапфы для прираб.

Для твердого материала без смазки

Уапфы, диаметр которых больше 1мм рассчитывают по общим формулам сопротивления материалов

При проектном расчете определяют необходимый диаметр уапфы, задавая Q. Положив коэффициент длины уапфы

Коэффициент длины уапфы характеризует условия эксплуатации опоры. может колебаться в пределах

Также необходима проверка на критическую температуру работы опор

Где - угловая скорость вращения уапфы – рад/с

V - ее окружная скорость м/c

Для повышения прочности цапф, особенно в условиях вибраций применяют уапфы с параболическим пропилом. Прочность параболической уапфы почти в 10 раз превосходит обычную, показанную штрих пунктиром. Для подвижной уапфы ее подшипник делают неподвижным, либо в виде цилиндрического отверстия непосредственно в самой стойке, либо в виде отдельной втулки.

Цилиндрические опоры скольжения, воспринимающие осевые нагрузки, называются подпятниками или упорными подшипниками, форма и размер подпятников зависит от действующей нагрузки, скорости относительного скольжения и допустимого момента трения. Сплошная пята воспринимает значительные осевые нагрузки Q и работает при малых скоростях скольжения. Основным недостатком сплошной пяты является неравномерный износ в виду больших перепадов скоростей на ее поверхности, это приводит к увеличению в средней зоне давления, поэтому при значительных скоростях используют кольцевую пяту, износ которой наиболее равномерен. Во многих приборах с целью уменьшения трения применяют пяту со сферической поверхностью

Размеры опорных поверхностей из условий выдавливания смазочного материала.

Для сплошной пяты

Для кольцевой

Момент трения в сплошной пяте

Для кольцевой

Для сферической пяты момент трения

Недостатком сферических опор является невозможность точного центрирования оси, вследствие гарантированного радиального зазора. Конические опоры могут воспринимать одновременно как радиальные, так и осевые нагрузки. По сравнению с цилиндрическими опорами, они более износостойкие, так как имеют большую рабочую поверхность. Они сложны в изготовлении и требуют индивидуальной притирки. Их делают обычно с двумя полосками, и они являются самоустанавливающимися. Моменты трения в конических опорах значительно больше, чем в цилиндрических и определяются углом .

Опоры на центрах . Являются разновидностью конических опор. Их выполняют в виде двухсторонних сопряжений, конических уапф (центров) с подшипниками, имеющими раззенкованные цилиндрические отверстия.

Контакт между трущимися деталями происходит по коническим поверхностям с малой длиной образующей, поэтому такие опоры могут воспринимать малые нагрузки (обычно 5…10 Н) и работать при малых частотах вращения.

Опоры на центрах являются направляющими, в которых можно регулировать как осевые, так и радиальные зазоры.

Момент трения зависит от угла при вершине конуса уапфы втулки принимают - угол при вершине конуса и 90 втулке.

Шаровыми опорами называются опоры, рабочая поверхность которых представляет пояс шаровой формы. Эти опоры применяют, когда в процессе работы или регулировки механизма подвижная система кроме вращения вокруг оси, может поворачиваться вокруг опорного узла на некоторый угол.

Шаровые опоры позволяют точно фиксировать положение оси. Однако они быстро изнашиваются. Применяют при низкой частоте вращения, при действии на опору только радиальной силы Р, момент трения

В качестве подушечек используются каменные подшипники, изготовленные из рубина, корунда или агата. Кери изготавливают из стали марок У8А – У10А или кабальто-вольфрамового сплава. Твердость HRC – 55…60, полировка.

Ножевые опоры относятся к опорам трения качения. Их применяют в приборах, подвижная система которых находиться в колебательном движении с углом поворота не более +-(8-10). Деталями являются нож с рабочей кромкой, представляющую цилиндрическую поверхность, весьма малого радиуса, и подушечка, опорная поверхность которой может иметь призматическую, цилиндрическую и плоскую поверхность. Наибольшее распространение получил ножевой треугольный профиль с углом при вершине 60 или 45(для стальных ножей) и 60-120 (для ножей из агата).

При колебаниях поиска его рабочая кромка переламывается по поверхность подушки. Чем меньше радиус закругления, тем с большей точностью можно считать, что трение возникающее в опоре, является трением качения. Наибольшие распространение получили подушки призматической формы. Они просты в изготовлении по сравнению с цилиндрическими и сами обеспечивают центрирование.

ТЕМА 3. ВАЛЫ И ПОДШИПНИКИ. ЛЕКЦИЯ 13. ОПОРЫ ОСЕЙ И ВАЛОВ. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ. Вопросы, изложенные в лекции: 1 Опоры осей и валов. Общие сведения. Классификация. 2 Подшипники скольжения. Общие сведения. 3 Режимы работы подшипников скольжения. 4 Смазка подшипников скольжения. 5 Расчет подшипников скольжения

Опоры осей и валов. Классификация Опорами валов и вращающихся осей служат подшипники и подпятники. Подшипник часть опоры вала или оси, непосредственно взаимодействующая с цапфой. Воспринимает радиальные и осевые нагрузки и передает их на корпус или раму машины. Подпятник – воспринимает осевые нагрузки, преимущественно вертикальные. Классификация: 1 По направлению силовой нагрузки, воспринимаемой опорой: 1.1 радиальные подшипники воспринимают нагрузку, направленную перпендикулярно (по радиусу) к оси вращения; 1.2 упорные подшипники воспринимают нагрузку, направленную вдоль оси вращения (упорные подшипники называют подпятниками); 1.3 радиально-упорные подшипники воспринимают одновременно и радиальную, и осевую нагрузки, при этом радиальная нагрузка обычно больше осевой; 1.4 упорно-радиальные подшипники воспринимают и радиальную, и осевую нагрузки, но в этом случае радиальная нагрузка меньше осевой. 2 В зависимости от вида трения: 2.1 подшипники качения; 2.2 подшипники скольжения

Подшипники скольжения по конструктивным признакам делятся на неразъёмные (глухие) и разъёмные. Неразъёмные подшипники скольжения (рисунок 1) находят широкое применение там, где нагрузки и скорости скольжения невелики (v ск 3 м/с) – в приборах и механизмах управления. Подшипники скольжения. Общие сведения Рисунок 1 – Неразъёмные (глухие) подшипники скольжения: а) встроенный в корпус; б) фланцевый Рисунок 2 – Разъёмный подшипник скольжения Разъёмные подшипники (рисунок 2) основное применение находят там, где невозможна или нежелательна осевая сборка (шейки коленчатых валов ДВС), а также в тяжёлом машиностроении для крепления тяжело нагруженных валов. Подшипник скольжения - это опора или направляющая, в которой цапфа скользит по поверхности вкладыша.

Подшипники скольжения по виду воспринимаемой нагрузки бывают радиальными (рисунок 3 a) и осевыми (рисунок 3 b). Подшипники скольжения. Общие сведения Рисунок 3 – Подшипники скольжения: а) радиальный; б) осевой Рисунок 4 – Самоустанавливающийся подшипник Самоустанавливающийся подшипник подшипник, способный менять угловое положение продольной оси по отношению к поверхности основания, то есть отслеживать угловое положение цапфы вала (рисунок 4). Самоустанавливающиеся подшипники используют при большой длине цапф и возможной несоосности опорных узлов.

Достоинства: 1 малые габариты в радиальном направлении; 2 хорошая восприимчивость к динамическим нагрузкам (ударным и вибрационным); 3 высокая точность сопряжения; 4 хорошая прирабатываемость; 5 высокая долговечность в условиях обильной жидкостной смазки; 6 возможность работы в водной, абразивной и коррозионно-активной среде (при соответствующем подборе материалов); 7 возможность сборки как в осевом, так и в радиальном направлениях Недостатки: 1 большие габариты в осевом направлении; 2 значительный расход смазочного материала; 3 необходимость следить за постоянным поступлением смазочного материала к рабочим поверхностям; 4 высокий пусковой момент и большой износ в период пуска; 5 необходимость использования в подшипнике дорогостоящих антифрикционных материалов. Подшипники скольжения. Общие сведения

В зависимости от количества смазочного материала в подшипнике скольжения различают следующие режимы трения: 1) жидкостное трение – поверхности цапфы вала и подшипника разделены сплошным слоем смазки, непосредственное трение между ними отсутствует; 2) полужидкостное трение – сплошность масляного слоя нарушена; поверхности подшипника и цапфы вала контактируют вершинами микронеровностей на участках большей или меньшей протяженности; 3) полусухое (граничное) трение – поверхности цапфы вала и подшипника почти постоянно контактируют между собой, разделительный слой смазочного материала отсутствует, масло находится на поверхностях в виде адсорбированной пленки; 4) сухое трение – в зазоре между поверхностями цапфы вала и подшипника смазочный материал отсутствует полностью, вследствие чего эти поверхности находятся в состоянии непрерывного контакта. Режимы работы подшипников скольжения Характеристика режима работы подшипника: - динамическая вязкость смазки; - угловая скорость вала;- среднее давление на опорную поверхность.

Режимы работы подшипников скольжения Примеры саморегуляции подшипников скольжения. Жидкостной режим трения: 1 Увеличивается снижается уменьшается уменьшается тепловыделение повышается устойчивое равновесие. 2 Повышается снижается уменьшается уменьшается уменьшается тепловыделение устойчивое равновесие. Полужидкостной режим трения: Любой фактор, способствующий снижению (уменьшение вязкости масла, увеличение нагрузки), вызывает повышение коэффициента трения., как следствие, повышение, увеличение коэффициента трения. Выход из ситуации – контроль за частотой вращения.

Смазка, применяемая для смазывания подшипников скольжения, по степени консистентности (по густоте, твёрдости) классифицируется: – твёрдая - графит, дисульфид молибдена, некоторые обволакивающие металлы, например, индий; – пластичная (консистентную, не обладающую свойством каплепадения) – солидол, литол, некоторые смазки ЦИАТИМ; – жидкая – органические и минеральные масла, иногда вода и другие жидкости; – газообразная – воздух, азот, инертные газы (аргон). Чем выше вязкость смазочного материала, тем труднее он выдавливается из рабочего зазора подшипника и, следовательно, тем более толстым может быть его слой между цапфой и поверхностью подшипника в процессе их совместной работы. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили жидкая и консистентная смазки. При использовании жидкостной смазки в зависимости от способа подачи смазки в рабочий зазор подшипника и разделения твёрдых поверхностей слоем жидкой смазки различают гидростатический и гидродинамический способы смазывания. Смазка подшипников скольжения

Гидростатический способ основан на разделении трущихся поверхностей за счёт статического напора (давления) подводимой к подшипнику смазочной жидкости, создаваемого внешним источником (насосом). Поэтому при гидростатическом способе смазывания смазочная жидкость подаётся навстречу основным нагрузкам (рисунок 6), действующим на цапфу вала, а давление насоса выбирается таким, чтобы цапфа вала всплывала на слое смазки. Применяется этот способ подачи смазки для смазывания подшипников тяжело нагруженных тихоходных валов (например, для смазки подшипников валов прокатных станов), для гидростатической центровки валов в прецизионных машинах. Рисунок 6 – Гидростатическая смазка подшипника скольжения Смазка подшипников скольжения

Гидродинамический способ реализуется только в процессе вращения цапфы в подшипнике после достижения критической скорости вращения (рисунок 7). В состоянии покоя цапфа вала лежит на поверхности подшипника (рисунок 7 а). По мере увеличения угловой скорости цапфы (рисунок 7 б) частицы смазочного масла за счёт налипания на её поверхность втягиваются в клиновой зазор между цапфой и подшипником. Рисунок 7 – Гидродинамическая смазка подшипника скольжения В результате, цапфа вала всплывая, оторвётся от поверхности подшипника, происходит полное разделение трущихся поверхностей. Давление, развивающееся в клиновом зазоре, повышается прямо пропорционально динамической вязкости масла, частоте вращения вала и обратно пропорционально толщине масляного слоя. Давление в клиновом слое может быть большим, и поэтому подача масла производится в зону разрежения, что не требует больших затрат мощности на смазывание и системы смазки высокого давления (насосы, фильтры, радиаторы, трубопроводы и т.п.). Смазка подшипников скольжения

В практике эксплуатации подшипников скольжения можно наблюдать следующие виды их изнашивания: 1) абразивный (происходит при попадании твёрдых частиц в рабочий зазор подшипника); 2) усталостное выкрашивание при действии пульсирующих нагрузок; 3) перегрев, являющийся следствием сухого трения и приводящий в конечном итоге к заеданию цапфы в подшипнике, появлению задиров или к выплавлению антифрикционного слоя материала. Таким образом, основной критерий работоспособности подшипника скольжения – износоустойчивость трущейся пары. Виды разрушения подшипников скольжения Требования к материалам фрикционной пары: 1) малый коэффициент трения; 2) высокая износостойкость и сопротивление усталости; 3) хорошая теплопроводность; 4) прирабатываемость и смачиваемость маслом.

1) антифрикционные чугуны (АЧС, АЧВ и др.) – при спокойной нагрузке, удельном давлении до 20 МПа и скоростях скольжения до 5 м/с; 2) бронзы оловянистые (БрОЦС5-5-5; БрОФ10-1 и др.), свинцовистые и оловянисто-свинцовистые (БрС-30; БрО5С25 и др.), безоловянистые (БрА9Ж3Л; БрА10Ж4Н4Л и др.) при скоростях скольжения до 12 м/с и удельных давлениях до 25 МПа; 3) латуни (ЛАЖМц, ЛКС и др.) – при скоростях скольжения до 2 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; 4) баббиты, например Б89 (89% олово, 9% сурьма, ост. медь) - для условий обильной смазки и хорошего теплоотвода при скоростях скольжения до 15 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; 5) лёгкие сплавы на алюминиевой основе для неответственных подшипников (литейные АЛ3, АЛ4, АЛ5, деформируемые АК4, АК4-1); 6) неметаллические материалы (ДСП, текстолит, поликарбонаты, капрон, нейлон, фторопласты, резины) - при скоростях скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 10 МПа, некоторые из этих материалов (ДСП, резины) допускают использование воды в качестве смазки; Материалы фрикционной пары ПС

7) металлокерамика (бронзографит, железографит) - при скоростях скольжения до 3 м / с, удельных давлениях до 6 МПа и недостатке смазки. Металлокерамика отличается высокой пористостью (поры занимают до 40 % объёма), вследствие чего способна впитывать большие количества масла, этого запаса масла хватает обычно на несколько месяцев работы подшипника без смазки. Для работы с подшипником, цапфы вала необходимо подвергать термической или химико - термической обработке с целью получения высокой твёрдости рабочей поверхности (HRC>50…55). Точность изготовления диаметральных размеров цапфы по 6…7 квалитету ЕСДП, а шероховатость поверхности R a – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна (хуже удерживает смазку). Материалы фрикционной пары ПС Высота микронеровностей цапфы R z 1 и вкладыша R z 2 должна обеспечивать режим жидкостной смазки. Т.к. в реальных условиях при установке подшипников имеют место перекосы вала, погрешности формы и температурные деформации, принимают: минимальная толщина масляного слоя. 50…55). Точность изготовления диаметральных размеров цапфы по 6…7 квалитету ЕСДП, а шероховатость поверхности R a – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна (хуже удерживает смазку). Материалы фрикционной пары ПС Высота микронеровностей цапфы R z 1 и вкладыша R z 2 должна обеспечивать режим жидкостной смазки. Т.к. в реальных условиях при установке подшипников имеют место перекосы вала, погрешности формы и температурные деформации, принимают: минимальная толщина масляного слоя.">

Для проверки основных размеров цапфы подшипника – длины l и диаметра d сравнивают расчетное и допускаемое давление в подшипнике. В этом случае условие прочности по среднему давлению p между контактирующими поверхностями цапфы вала и подшипника можно записать как: где R – радиальная нагрузка, действующая на цапфу вала, [ p ] – допустимая величина этого давления. При проектном расчёте принимается следующее допущение: удельное давление считается равномерно распределённым как по диаметру цапфы, так и по её длине. При проектном расчёте задаются величиной коэффициента длины подшипника. Для несамоустанавливающихся опор рекомендуют принимать = 0,4…1,2 (в отечественной технике чаще всего = 0,6…0,9). Применение самоустанавливающегося подшипника позволяет увеличить коэффициент длины до = 1,5…2,5. Расчет подшипников скольжения

При заданном коэффициенте длины подшипника его диаметр может быть найден по соотношению: Величину энерговыделения в работающем подшипнике характеризует произведение среднего давления p на скорость скольжения v. С целью предотвращения перегрева подшипника производится его проверка и по этому критерию: где n – частота вращения цапфы вала. Исходя из последнего выражения, при известных материалах трущейся пары цапфа - вкладыш подшипника, удобно найти длину подшипника следующим образом: Расчет подшипников скольжения а далее можно вычислить необходимый диаметр цапфы:

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).

Опоры валов и осей. Классификация подшипников

Подшипники бывают: 1) подшипники скольжения; 2) подшипники качения.

Подшипники скольжения

Подшипник скольжения является парой вра­щения, он состоит из опорного участка вала (цапфы) 1 и соответственно подшипника 2, в котором скользит цапфа (рис. 5.1).

Подшипники качения.

Общая характеристика.

Основные конструкции

Подшипники качения являются основным видом опор вращающихся (качающихся) деталей. Подшипник состоит из наружного 1 и внутрен­него 2 колен, между которыми расположены тела качения 3. Для пре­дохранения тел качения от соприкосновения между собой их отделяют друг от друга сепаратором 4, который существенно уменьшает потери на трение (рис. 5.2).

Подшипники качения стандартизованы, их изготовляют в услови­ях высокоспециализированного массового производства подшипниковые заводы. Поэтому инженеру крайне редко приходится проектировать подшипники качения. Несравненно чаще требуется подобрать подшип­ник для узла опоры, спроектировать корпус опоры, обеспечивая тех­нологичность, контроле- и ремонтопригодность узла, а также оце­нить остаточную долговечность подшипника при модернизации или

форсировании режима работы оборудования.

Классификация. Подшипники качения классифицируют по ниже перечисленным признакам.

I. По форме тел качения подразделяют на:

шариковые;

роликовые: с короткими цилиндрическими, коническими, бочкообразными, игольчатыми и витыми роликами.

Рис . 5.2. Шарикоподшипники

Рис . 5.3. Роликоподшипники

II. По направлению воспринимаемых относительно оси вала сил разделяют на типы:

радиальные (рис.5.2 а, 5.3 а), воспринимающие преимущественно радиальные нагрузки, действующие перпендикулярно оси вращения подшипника;

радиально-упорные (рис.5.2 б, 5.3 б), воспринимающие одновре­менно действующие радиальные и осевые нагрузки;

упорно-радиальные , воспринимающие осевые нагрузки при одновременном действии незначительной радиальной нагрузки;

упорные, воспринимающие только осевые силы.

Ш. По способности самоустановки подразделяют на несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся, допускающие поворот оси внутрен­него кольца по отношению к оси наружного кольца.

IV. По числу рядов тел качения, расположенных по ширине, делят

не однородные (рие.5.2; 5.3). двухрядные, четырехрядные и многорядные.

Основными потребительскими (внешними) характеристиками подшипников являются грузоподъемность, быстроходность, масса, габа­риты, потери энергии.

Подшипники одного и того же диаметра отверстия подразделяют по наружному диаметру и ширине на серии: сверхлегкую, особо легкую , легкую, легкую широкую, среднюю, среднюю широкую и тяжелую.

Для особо высокой частоты вращения и легких нагрузок це­лесообразно использовать под­шипники сверхлегкой и особо легкой серий. Для восприятия повышенных и тяжелых нагрузок при высокой частоте вращения используют подшипники легкой серии, а при недостаточной их грузоподъемности размещают в одной опоре по два подшипника.

Кроме стандартных под­шипников, по специальному обо­снованию изготовляют особые подшипники.

Достоинства и недостатки подшипников. Подшипники качения имеют ряд достоинств по сравнению с подшипниками скольже­ния: меньшие (в 2-3 раза) осевые размеры; меньшее трение и сопро­тивление пуску под нагрузкой и вращению при небольших и средних частотах вращения, постоянство сопротивления вращению; простоту технического обслуживания и подачи смазочного материала; низкую стоимость и взаимозаменяемость.

Недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения следующие: большие радиальные размеры; малая радиальная жесткость и, как следствие, склонность к возникновению колебаний вала из-за ритмичного прокатывания через нагруженную зону опоры; более сложный монтаж; большее сопротивление вращении (из-за трения между телами качения, кольцами, сепаратором и гид­равлических потерь) при высоких частотах вращения и, как следствие, низкая долговечность (из-за перегрева).

Промышленность изготовляет подшипники качения пяти классов точности: 0, 6; 5; 4 и 2. Обозначения даны в порядке повышения точности, определяемой допусками на изготовление элементов, а также нормами плавности вращения (хода).

Основные размеры подшипников установлены ГОСТ 3478-79 (СТ СЭВ 402-76). В них входят: внутренний d и наружный D диа­метры, ширина B (высота Н ) и радиус r фасок колец.

Материалы деталей подшипников. Кольца и тела качения подшип­ников изготовляют в основном из шарикоподшипниковых высокоуглеро­дистых хромистых сталей ШХ15 и ШХ15СГ, ШХ20СГ, а также цементу­емых легированных сталей 18ХГТ, 20Х2Н4А и др. При рабочей темпе­ратуре до 100 °С тела качения и кольца имеют обычно твердость 60-64 HRC, шарики – 62-65 HRC.

Кольца и тела качения подшипников, работающих при повышенных температурах (до 500 °С), в агрессивных средах, изготовляют из жаропрочных и коррозионно-стойких сталей.

Сепараторы подшипников подвержены интенсивному изнашиванию из-за трения скольжения с телами качения и кольцами, поэтому се­параторы изготовляют из антифрикционных материалов. Сепараторы массовых подшипников изготовляют штамповкой из мягкой углеродис­той стали, обладающей неплохими антифрикционными свойствами. Се­параторы высокоскоростных подшипников выполняют массивными из текстолита, фторопласта, дуралюмина, латуни и бронзы (материалы перечислены в порядке увеличения быстроходности подшипника) .

Основные типы подшипников и их характеристики приведены в справочниках.

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.