НОРМИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ПОСАДКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

А08. НОРМИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ПОСАДКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Подшипники качения широко используются в изделиях машино- и приборостроения в качестве опор валов и осей. По сравнению с подшипниками скольжения (посадка с зазором в сопряжении вала и втулки) эти опоры обеспечивают меньшие энергетические затраты на вращение и более стабильный момент сопротивления. Достоинством опор с трением качения является также низкий момент, необходимый для начала движения. В этом также их существенное отличие от подшипников скольжения, для которых момент трогания значительно больше момента установившегося движения, из-за большего трения покоя. К недостаткам подшипников качения можно отнести более сложную конструкцию и большие габариты, чем у подшипников скольжения.

Подшипники качения — это наиболее распространенные стандартные изделия (сборочные единицы) множества конструкций и модификаций, которые изготавливаются на специализированных заводах и встраиваются в более сложные изделия (редукторы, коробки подач и скоростей, шпиндели металлорежущих станков и др.). Различают подшипники, предназначенные для восприятия различающихся сил и моментов, разных уровней (классов) точности, с разнотипными телами качения, сепараторами, кольцами.

Основные функциональные элементы подшипника качения – тела качения (шарики или ролики), которые катятся по дорожкам качения. Дорожки качения, как правило, располагаются на специально изготовляемых наружном и внутреннем кольцах подшипника. Тела качения могут быть разделены сепаратором, который кроме равномерного распределения тел качения по окружности может защищать подшипник от попадания грязи внутрь. И тела качения подшипников, и наружные и внутренние кольца изготавливают из легированных сталей, чтобы обеспечить их высокую твердость. Сепараторы делают из обычных конструкционных сталей, цветных металлов или пластмасс.

Для того чтобы сократить радиальные размеры опор на подшипниках качения, можно использовать нестандартные подшипники, в которых дорожки качения выполняются непосредственно на валу и в корпусе проектируемого изделия. Однако нестандартные подшипники изготовитель должен разрабатывать и изготавливать самостоятельно, что не только существенно увеличит трудоемкость всей конструкции, но дополнительно потребует применения специальных материалов, особо точного оборудования и работы операторов высокой квалификации. Поэтому в большинстве случаев выгоднее пользоваться готовыми стандартными подшипниками.

Конструктивные разновидности подшипников классифицируют по следующим признакам:

По направлению действия воспринимаемой нагрузки:

а) радиальные — воспринимают нагрузку, действующую перпендикулярно оси вращения подшипника;

б) упорные — воспринимают осевую нагрузку;

в) радиально-упорные — воспринимают комбинированную нагрузку.

По форме тел качения: шариковые и роликовые, причем ролики могут быть цилиндрические, конические и бочкообразные.

Стандарты устанавливают следующие серии подшипников: сверхлегкая, особо легкая, легкая, легкая широкая, средняя, средняя широкая, тяжелая. Подшипники различных серий отличаются друг от друга предельным числом оборотов в минуту, допускаемой радиальной или осевой нагрузкой и коэффициентом работоспособности.

В условное обозначение подшипника входят кодовые обозначения серии, типа, конструктивных особенностей и диаметра присоединительного отверстия подшипника (диаметр вала, сопрягаемого с данным подшипником). Полное обозначение стандартного подшипника без указания точности включает семь позиций цифр, в которых, считая справа налево, закодированы:

• диаметр присоединительного отверстия подшипника (позиции первая и вторая);
• серия подшипника (третья и при необходимости седьмая позиции);
• тип подшипника (четвертая позиция);
• конструктивные особенности (пятая и шестая позиции).

Диаметр отверстия подшипника для подшипников с диаметром присоединительного отверстия от 20 мм и более (до 495 мм) обозначается числом, которое представляет собой частное от деления диаметра на 5;

Для подшипников с диаметрами отверстия от 10 мм до 17 мм обозначения соответствуют приведенным в следующей кодовой таблице

Для подшипников с диаметром до 9 мм последняя цифра указывает фактический внутренний диаметр в миллиметрах. В этом случае на третьем месте справа в обозначении стоит "0".

Для наиболее часто используемых серий, типов и конструктивных особенностей подшипника в качестве кодовых цифр использованы нули, которые не указывают в условных обозначениях при отсутствии слева других цифр. Например "Подшипник 205 ТУ 2-034-203-83"— радиальный однорядный, легкой серии, с диаметром отверстия 25 мм. В обозначении использованы только три позиции справа, поскольку остальные четыре позиции формально заняты нулями.

Класс точности подшипника качения указывают перед условным обозначением подшипника, отделяя его знаком тире, например "Подшипник 6-205 ТУ 2-034-203-83" (тот же подшипник, но не нулевого, а шестого класса точности). Самые распространенные классы точности подшипников (классы «нормальный» и 0) в обозначении не указывают. Ниже более подробно рассмотрены вопросы точности подшипников качения.

Точность подшипников качения

Качество подшипника в значительной мере определяется точностью изготовления его деталей и точностью сборки.

Подшипники одного типоразмера обладают функциональной взаимозаменяемостью, включая геометрическую взаимозаменяемость по присоединительным поверхностям. Присоединительные размеры подшипника качения включают наружный диаметр D наружного кольца подшипника, внутренний диаметр d внутреннего кольца подшипника и ширину В. Тела качения внутри одного подшипника взаимозаменяемы (внутренняя взаимозаменяемость). У разных экземпляров подшипников одного типоразмера взаимозаменяемость тел качения, а также взаимозаменяемость одноименных колец по диаметрам дорожек качения не обязательна, хотя в подшипниках определенного типоразмера должны быть жестко выдержаны радиальные зазоры.

Особенности изготовления подшипников связаны с необходимостью обеспечения высокой точности тел качения, внутренних и наружных колец, причем повышенные требования при обработке предъявляют не только к размерам, но и к форме обрабатываемых поверхностей.

В связи с тем, что подшипники выпускаются массово, вместо жесткого ограничения допусков геометрических параметров значительно более дешевым решением оказывается использование в производстве селективной сборки. Селективную сборку применяют, прежде всего, для обеспечения в подшипниках жестких (малых) допусков радиальных зазоров. Основные детали подшипников сортируют по размерным группам: тела качения по диаметрам, а кольца– по диаметрам дорожек качения. Каждый из подшипников формируется "индивидуально", подбором тел качения одного действительного диаметра (различия в пределах группового допуска) и пары колец в таком сочетании, которое с телами качения выбранного размера обеспечивает необходимое значение радиального зазора при сборке. Сортировка для последующей селективной сборки (с учетом затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования) в данном случае оказывается рентабельнее, чем обработка поверхностей деталей с очень жесткими допусками.

Для шариковых радиальных и радиально упорных подшипников и для роликовых радиальных подшипников ГОСТ 520-2002 «Подшипники качения. Общие технические условия" устанавливает следующие классы точности подшипников: 8, 7, N, 6, 5, 4, Т, 2 (обозначения указаны в порядке возрастания точности).

Для роликовых конических подшипников установлены классы точности 8, 7, 0, N, 6Х, 6, 5, 4, 2.

Для всех подшипников, кроме конических нормальный класс точности обозначают знаком 0. Для конических подшипников нулевой класс точности обозначают знаком 0, а нормальный– буквой N. Для обозначения класса точности 6Х используют знак Х.

Примеры обозначений (без указания слова «подшипник» и номера стандарта) с указаниями классов точности:

А5-307; 205; Х-307; N-312.

Знак 0 включают в обозначение только если слева от него тоже есть знак маркировки, например:

В0-205.

Подшипники классов точности 7 и 8 изготавливают по заказу при пониженных требованиях к точности вращения деталей. Нормы точности для таких подшипников устанавливаются в отдельных нормативных документах.

Основными показателями точности подшипников и их деталей являются:

• точность размеров присоединительных поверхностей (d, dm, D, Dm). Средние диаметры (dm, Dm) наружной или внутренней цилиндрической поверхности следует определять потому, что при наличии таких отклонений формы, как овальность и конусообразность, можно получить различные значения диаметра в разных сечениях. Средний диаметр определяют расчетом как среднее арифметическое наибольшего и наименьшего значений диаметра, измеренных в двух радиальных сечениях кольца;
• точность формы и расположения поверхностей колец (радиальное и торцовое биение, непостоянство ширины колец) и шероховатость их поверхностей;
• точность формы и размеров тел качения;
• боковое биение по дорожкам качения внутреннего и наружного колец.

Эти показатели определяют равномерность распределения нагрузки на тела качения, точность вращения и в значительной степени срок службы подшипника.

Стандартное сопряжение подшипника с ответными деталями образуется как сочетание полей допусков присоединительных размеров подшипниковых колец со стандартными полями допусков валов и отверстий. В связи с этим есть возможность достижения повышенной точности посадки за счет перераспределения точности сопрягаемых деталей, в частности, ужесточения допусков на присоединительные размеры колец подшипников. Таким образом, появляется необходимость создания специальных стандартов на посадки подшипников качения, которые фактически регламентируют поля допусков размеров деталей, сопрягаемых с подшипниками, а также другие требования к точности их геометрических параметров.

Расположение полей допусков присоединительных размеров подшипниковых колец (рис. 1) стандартизовано таким образом, чтобы получить необходимые их сочетания со стандартными полями допусков, которые наиболее часто используются в общем машиностроении.

Посадки подшипника на вал должны, как правило, обеспечивать натяг, но стандартные посадки с натягом в данном случае не годятся, поскольку они могут привести к исчезновению радиального зазора из-за значительной деформации колец. Для образования посадок со сравнительно малыми гарантированными натягами было принято оригинальное решение.

Поле допуска отверстия внутреннего кольца подшипника расположили односторонне от номинала в «воздух» (рис. 4а), а не в «тело детали» (что принято для основного отверстия). В результате сочетание такого поля допуска отверстия подшипника с полями допусков типа m6 или n6 сопрягаемых валов дает посадки с натягом, в то время как с основным отверстием такие поля допусков дают переходные посадки (рис. 4б).

                       а                                                        б

Рис. 1. Расположение полей допусков присоединительных размеров колец подшипников

Для присоединительных размеров наружных колец подшипников качения оказалось вполне достаточным использование стандартных полей допусков отверстий корпусов в сочетании с традиционно расположенным, но более узким полем допуска вала (наружного кольца подшипника). Повышенные требования к точности присоединительных размеров подшипников и в этом случае привели к стандартизации допусков наружных колец подшипников, отличных от обычных допусков (по квалитетам) на гладкие валы.

Посадки подшипников качения

Выбор полей допусков поверхностей валов и корпусов, сопряженных с кольцами подшипников, регламентируется ГОСТ 3325-85. Этот стандарт распространяется на посадочные поверхности валов и отверстий корпусов под подшипники качения, отвечающие следующим требованиям:

1- Валы стальные, сплошные или полые толстостенные, т.е. с отношением d/dо < 1,25, где d — диаметр вала, dо — диаметр отверстия в нем.

2. Материал корпусов — сталь или чугун.

3. Температура нагрева подшипников при работе – не выше 100 °С.

Выбор посадки кольца подшипника (выбор полей допусков валов и отверстий корпусов, сопрягаемых с кольцами подшипников) зависит от:

• вида нагружения кольца подшипника;
• режима работы подшипника;
• соотношения эквивалентной нагрузки Р и каталожной динамической грузоподъемности С;
• типа, размера и класса точности подшипника.

Различают три основных вида нагружения колец подшипника местное (М), циркуляционное (Ц) и колебательное (К).

При местном нагружении кольцо воспринимает постоянную по направлению радиальную силу ограниченным участком окружности дорожки качения и передает ее соответствующему участку посадочной поверхности вала или корпуса. Такой вид нагружения имеет место, например тогда, когда неподвижное кольцо нагружено постоянной по направлению радиальной силой (наружные кольца подшипниковых опор валов в редукторе и т.п.).

При циркуляционном нагружении кольцо воспринимает радиальную силу последовательно всеми элементарными участками окружности дорожки качения и соответственно передает ее всей посадочной поверхности вала или корпуса. Такое нагружение возникает, когда кольцо вращается относительно неподвижной нагружающей (например, внутреннее кольцо подшипника на вращающемся валу редуктора) или вращается сила, а кольцо неподвижно (например, внутреннее кольцо подшипника неподвижного солнечного колеса дифференциальной зубчатой передачи).

При колебательном нагружении на неподвижное кольцо интегрально действуют две радиальные силы (одна постоянна по направлению, а другая, меньшая по значению, вращается). Равнодействующая нагрузка не совершает полного оборота, а колеблется между точками дуги окружности.

Для кольца, которое испытывает циркуляционное нагружение, назначают посадку с натягом. Наличие зазора между циркуляционно нагруженным кольцом и посадочной поверхностью детали может привести к его проворачиванию с проскальзыванием поверхностей, а следовательно к развальцовыванию и истиранию металла детали, что недопустимо.

Если для кольца, которое испытывает местное нагружение, назначают посадку с зазором, то основная опасность для этого кольца – ускоренный износ дорожки качения в месте действия нагрузки. Однако если это кольцо не зажато в осевом направлении, то под действием вибрации и толчков оно постепенно проворачивается по посадочной поверхности, благодаря чему износ дорожки качения происходит более равномерно по всей окружности кольца.

Посадки следует выбирать так, чтобы циркуляционно или колебательно нагруженное (как правило, вращающееся) кольцо подшипника было смонтировано с натягом, исключающим возможность проскальзывания этого кольца по сопрягаемой поверхности вала или отверстия в корпусе. Другое кольцо того же подшипника, если оно нагружено местно, может быть посажено с зазором. При таком сочетании посадок колец одного подшипника устраняется опасность заклинивания шариков из-за чрезмерного уменьшения радиального зазора.

На рис. 2 показан фрагмент редуктора, на котором обозначены подшипниковые посадки и сопутствующие посадки, которые в значительной мере определяются  сопряжением этих же поверхностей с подшипниками.

Обозначенные подшипниковые посадки – с натягом по внутреннему диаметру ∅25L0/n6 и с зазором по наружному диаметру ∅52H7/l0 по назначению соответствуют работе изделия (внутреннее кольцо нагружено циркуляционно, наружное – местно). Поскольку на ступенях, сопрягаемых с внутренними кольцами подшипника, уже выбрано поле допуска вала n6, то посадки на ту же ступень вала зубчатого колеса и распорной втулки реализуются в системе неосновного вала. Центрирующая посадка зубчатого колеса на вал∅25H7/n6 – переходная с преимущественными натягами (формально ее можно рассматривать как переходную посадку в системе основного отверстия). Посадка распорной втулки на вал∅25D9/n6 – посадка с весьма значительным зазором в системе неосновного вала – назначена для того, чтобы при низкой точности обработки отверстия обеспечить требуемую точность контакта привалочного торца с боковой поверхностью внутреннего кольца подшипника.

Посадка крышек в отверстия корпусных деталей ∅52H7/m6 – переходная с большей вероятностью натягов должна обеспечить требуемую точность контакта привалочных торцов крышек с боковыми поверхностью наружных колец подшипников.

При деталировке узла необходимо назначить допуск торцового биения на левый торец буртика вала в соответствии с требованиями стандарта. На правый торец того же буртика можно назначить произвольный допуск, поскольку точность расположения привалочного торца распорной втулки определяется перпендикулярностью правого торца ступицы зубчатого колеса оси посадочного отверстия и параллельностью торцев распорной втулки

При выборе посадок колец подшипников учитывают не только вид нагружения, но и ряд дополнительных условий, включая режим работы.

Режим работы подшипника качения по ГОСТ 3325-85 характеризуется расчетной долговечностью и отношением Р/С, где Р—эквивалентная нагрузка (условная постоянная нагрузка, обеспечивающая тот же срок службы подшипника, какой должен быть в действительных условиях);С— динамическая грузоподъемность (постоянная радиальная нагрузка, соответствующая расчетному сроку службы):

легкий режим работы —       Р/С < 0,07;

нормальный режим работы — 0,07 < Р/С < 0,15;

тяжелый режим работы —     Р/С> 0,15.

Расчетная долговечность, соответствующая режимам работы:

тяжелый —   от 2500 до 5000 ч.

нормальный — от 5000 до — 10000 ч;

легкий —     более 10000 ч;

Как уже отмечалось выше, опоры на подшипниках качения имеют большие габариты, чем опоры на подшипниках скольжения, Для уменьшения габаритов опор оба кольца подшипников делают как можно тоньше, поэтому они становятся легко деформируемыми и при сборке в значительной мере повторяют форму сопрягаемых с ними поверхностей. В связи с этим к точности формы поверхностей деталей, сопрягаемых с подшипниками качения, приходится предъявлять повышенные требования. Отклонения формы, расположения и шероховатость таких поверхностей нормированы ГОСТ 3325-85.

Наибольшую опасность представляют такие погрешности формы, как конусообразность и овальность, поскольку именно эти погрешности приводят к значительному перераспределению радиального зазора (уменьшению его вплоть до полного исчезновения в «неблагоприятных» сечениях).

Чем выше требования к точности опор на подшипниках качения и выше класс точности подшипников, тем жестче требования к точности формы сопрягаемых с подшипником поверхностей. Так для поверхностей, сопрягаемых с подшипниками классов точности N, 0 и 6, допуск формы (допуск цилиндрнчности или заменяющие его допуски круглости и профиля продольного сечения) должен составлять не более 1/4 части допуска размера, для поверхностей, сопрягаемых с подшипниками классов точности 5 и 4.— не более 1/8 части допуска размера, а для поверхностей, сопрягаемых с подшипниками класса точности 2, — не более 1/16 допуска размера соответствующей поверхности.

Следует отметить, что ограничения, наложенные стандартом на форму поверхностей, сопрягаемых с подшипниками, могут не совпадать со стандартными допусками формы по ГОСТ 24642-81. Однако можно согласовать эти требования за счет ужесточения «расчетных» допусков до ближайших стандартных значений, установленных в общетехнических стандартах.

Еще одна особенность подшипниковых посадок заключается в том, что стандарт предъявляет определенные требования не только к цилиндрическим поверхностям, сопрягаемым с подшипниками, но и к привалочным плоскостям (буртики валов и заплечики корпусов), в которые упираются торцы наружного и внутреннего колец подшипников. На эти поверхности в соответствии со стандартом назначаются допуски торцового биения и высотные параметры шероховатости поверхностей.

Шероховатость посадочных поверхностей, сопрягаемых с кольцами подшипника деталей, зависит от диаметра и класса точности подшипника. Соответствующие значения параметровRа для посадочных поверхностей валов, отверстий и торцов заплечиков валов и корпусов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Стандарт нормирует также торцовое биение заплечиков валов и отверстий корпусов и отклонения от соосности посадочных поверхностей подшипников относительно их общей оси. Допуски соосности можно заменить допусками радиального биения тех же поверхностей относительно их общей оси, с учетом того, что на те же поверхности обязательно задаются допуски цилиндричности, которые вместе с допусками радиального биения ограничивают такие же отклонения, какие ограничивают допуски соосности.