Нагрузки и свойства подшипников: основные моменты

Эффективность любого механизма зависит от его деталей, и особое место здесь занимают такие важные компоненты, как подшипники, обеспечивающие точное вращение вала. Их работа неразрывно связана с воздействием внешних сил. Механические характеристики подшипника определяют его способность выдерживать нагрузки. Если знать и правильно определять их, можно будет провести точный расчет, а это фундамент для грамотного выбора подшипника. Рассмотрим ключевые моменты, связанные с подшипниками, изучим, как различные виды нагрузок влияют на данные узлы.

Классификация нагрузок

Подшипник в процессе работы подвергается разнообразным воздействиям. Самыми распространенными типами нагрузок считаются следующие категории:

• радиальная нагрузка — действует перпендикулярно оси вращения, сжимает тела качения и дорожки, основные элементы подшипника работают на сжатие, этот тип нагрузки типичен;
• осевая нагрузка — направлена вдоль оси вращения, вызывает смещение колец подшипника;
• комбинированная нагрузка — сочетает радиальную и осевую составляющие, узел испытывает комплексное воздействие;
• динамическая нагрузка — переменна во времени, часто приводит к усталостному разрушению;
• статическая нагрузка — постоянна или меняется редко, вызывает пластические деформации;
• ударная нагрузка — кратковременна, но интенсивна, способна заметно повредить дорожки.

Радиальные воздействия

Радиальная нагрузка — это сила, действующая перпендикулярно оси вращения вала. Она передается через тела качения, то есть от одного кольца подшипника к другому. Вызвана она весом самого вала, центробежными силами, что возникают при его вращении, из-за давления со стороны иных деталей механизма, а также вибрациями.

Распределение этой нагрузки неравномерно. Максимальное воздействие приходится на элементы, находящиеся в зоне нагружения. Обычно это 120 градусов дуги подшипника.

Для расчета эквивалентной радиальной нагрузки применяется формула:

Здесь:

• P_r — эквивалентная радиальная нагрузка;
• F_r — фактическая радиальная нагрузка;
• F_a — фактическая осевая нагрузка;
• X_r и Y_r — соответствующие коэффициенты.

Пример расчета для радиального шарикового подшипника 6205 с динамической грузоподъёмностью C = 14800 Н. При F_r = 2500 Н и F_a = 0 нагрузка будет Pr = 1 × 2500 + 0 × 0 = 2500 Н. При коэффициенте надежности 1,5 долговечность составит около 207 млн оборотов.

Осевые взаимодействия

Осевая нагрузка подшипника — это сила, что действует параллельно оси вращения. Она стремится сместить кольца подшипника относительно друг друга. Примером может служить упорный шариковый подшипник с углом контакта 90°. При осевой нагрузке F_а = 5000 Н она будет распределена между всеми телами качения, то есть если шариков 15, то на каждый шарик приходится 333.3 Н.

Некоторые типы подшипников специально разработаны для осевых нагрузок. К ним относятся упорные шариковые подшипники, а также упорные роликовые подшипники. Также хорошо справляются радиально упорные подшипники. Их используют там, где требуется выдерживать осевые силы. Конические роликовые подшипники также можно отнести к этой группе.

Эквивалентная осевая нагрузка рассчитывается так:

В формуле:

• P_а — эквивалентная осевая нагрузка;
• F_а — фактическая осевая нагрузка;
• Y_а — это коэффициент осевой нагрузки, зависящий от типа подшипникового узла.

Во время разработки подшипниковых узлов надо помнить, что задняя часть подшипника обычно берет на себя наибольшую долю осевого давления, особенно там, где подшипники расположены друг за другом последовательно.

Комбинированные нагрузки

В реальных условиях подшипник редко работает только с одним типом воздействия. Чаще всего он подвергается комбинированным нагрузкам. Это одновременное воздействие радиальных и осевых сил. Такие условия требуют особого подхода. Потому очень важно подобрать правильный узел, который справится с такого рода воздействием.

Расчет эквивалентной динамической нагрузки производится по формуле:

Здесь:

• P — эквивалентная динамическая нагрузка;
• F_r — радиальная составляющая;
• F_r — осевая составляющая;
• X — коэффициент радиальной нагрузки;
• Y — коэффициент осевой нагрузки.

Различные типы подшипников по-разному справляются с комбинированными нагрузками.

Значение «e» — это важный параметр. Он зависит от конструкции подшипника. Для шариковых подшипников «e» обычно находится в диапазоне 0,2-0,4. Для роликовых подшипников — 0,3-0,5.

Механические свойства узлов

Механические характеристики подшипника определяют его способность функционировать. Они показывают, насколько эффективно он способен выдерживать воздействия, и играют очень важную роль при расчетах, помогая обеспечить надежность узла.

Статическая грузоподъемность (C0)

Статическая грузоподъёмность — это максимальная постоянная нагрузка, которую подшипниковый элемент может выдержать в покое без остаточных деформаций, делающих его непригодным для работы. Её значение указывают в ньютонах и рассчитывают исходя из минимальных повреждений (деформаций) компонентов подшипника, равных примерно 0,0001 его диаметра.

Динамическая грузоподъемность

Описывает, сколько времени подшипник сможет стабильно функционировать под постоянной нагрузкой. Воздействие (радиальное или осевое) задаёт предел, при котором подшипник гарантированно прослужит минимум миллион оборотов.

Предельное вращение

Предельная частота вращения — это максимальная скорость. Подшипник может работать при ней без перегрева, а все, что выше этого показателя, вызовет излишнее трение, увеличит количество выделяемого тепла и, соответственно, станет причиной преждевременного выхода из строя. Параметр зависит от многих факторов, включая тип подшипника, его размеры, вид смазки. Учитывается и система охлаждения.

Формула:

Эта формула позволяет определить предельную частоту или количество оборотов в минуту. Здесь:

• n_lim — предельная частота вращения;
• f_n — коэффициент, зависящий от смазки и охлаждения;
• n_ref — референсная частота вращения для данного подшипника.

Посадки и допуски

Посадки — это сочетание размеров валов и отверстий, которое определяет, как будет располагаться деталь в соединении. А допуски представляют собой диапазон допустимых отклонений размеров деталей от номинала, который регламентируется ГОСТ.

Правильный выбор посадок обеспечивает оптимальное распределение нагрузки, что предотвращает проворачивание колец (касается как внутреннего, так и внешнего кольца). Например, для вращающегося внутреннего кольца обычно применяют посадку с натягом. Это может быть H7/p6 или H7/r6. Для неподвижного наружного кольца используют посадку с зазором, например M7/h6, или переходную посадку, такую как K7/h6.

Зазор и люфт

Зазор в подшипнике — это суммарное смещение колец. Оно может быть радиальным или осевым. Радиальный зазор — это смещение перпендикулярно оси. Осевой зазор — вдоль оси. Параметр очень важен, так как влияет на распределение нагрузки между телами качения, на шум и вибрацию, плюс определяет точность вращения и, конечно, тепловой режим.

Основные типы зазоров:

1. Особо малый (C1). В пределах 0-13 мкм (для d=50 мм). Применяется для высокоточных приборов и малых нагрузок.
2. Малый (C2). В пределах 8-23 мкм. Используется в высокоточных узлах.
3. Нормальный (CN (0)). В пределах 13-28 мкм. Подходит для общего машиностроения.
4. Увеличенный (C3). В пределах 23-41 мкм. Рекомендуется для узлов, испытывающих высокотемпературное воздействие или работающих на высоких скоростях.
5. Большой (C4). В пределах 36-64 мкм. Необходим при значительных температурных деформациях.
6. Особо большой (C5). В пределах 51-89 мкм. Для экстремальных температурных условий.

Люфт — это свободное перемещение вала. Оно может быть угловым или линейным. Люфт напрямую связан с наличием зазоров. Он влияет на точность позиционирования, а также на плавность хода механизма. Для некоторых условий работы требуется большой зазор.

Заключение

При выборе подшипниковых узлов важно понимать классификацию нагрузок и механические характеристики деталей, чтобы оборудование работало в допустимых условиях. Превышение же допустимых нагрузок сокращает срок службы, и в таком случае подшипник будет работать упорно, но недолго.