Посадки подшипников на вал и в корпус

При проектировании подшипниковых узлов принципиальное значение имеет сопряжение (посадка) внутренних колец с валом и наружных с корпусом [14]. Поскольку подшипники являются стандартными узлами, то валы и корпуса должны приспосабливаться к ним. Внутренние кольца сажают на вал по системе отверстия, а наружные в корпус по системе вала. При том, что поле допусков внутреннего кольца направлено не в тело, а к центру, посадки на вал получаются более плотными, чем обычно в системе отверстия.

Посадки роликоподшипников должны быть более плотными в связи с большими нагрузками. Посадки радиально-упорных подшипников плотнее, чем у радиальных, у которых посадочные натяги искажают зазоры. Посадки крупных подшипников из-за больших сил назначают плотнее, чем у средних и мелких. Рекомендации по выбору посадок по мере роста нагрузок в опорах можно сформулировать следующим образом:

è Допуски валов при вращающемся вале – j_s6; k6;m6;n6.

è Допуски валов при вращающемся корпусе – g6; h6.

è Допуски корпуса при вращающемся вале – H7; H6; J_s7; J_s6; K7.

è Допуски корпуса при вращающемся корпусе – K7; M7; N7; P7.

Монтаж и демонтаж подшипников

Нередко наблюдаются случаи, когда повреждения подшипников вызваны небрежным, безграмотным монтажём и демонтажём.

Подшипники со значительным натягом на валу следует монтировать нагретыми в масле или охлаждать вал сухим льдом. В остальных случаях подшипники можно напрессовывать на вал с помощью пресса.

Посадка подшипника ударами молотка через оправку из мягкого металла допустима только при малых натягах для мелких и средних подшипников. Демонтаж допускается только с помощью специальных съёмников. 

Общий принцип: усилие прикладывается только к тому кольцу, которое установлено с натягом и не должно передаваться на тела качения.

Смазка подшипников качения

Применяется как для снижения трения, так и для повышения теплоотвода.

Пластичные (густые) смазки более легки в обслуживании, меньше расходуются, удобны в применении в труднодоступных местах, куда закладываются при сборке, заполняют и герметизируют зазоры [20]. Их недостаток в том, что в конструкции требуется предусматривать специальные полости. Эту полость первоначально заполняют на 2/3 объёма при n £ 1500 об/мин или на 1/2 объёма при n > 1500 об/мин. В дальнейшем обычно через каждые три месяца через специальные устройства (пресс-маслёнки) добавляют свежую смазку, а через год её меняют с предварительной разборкой и промывкой узла. При консистентной смазке необходимо применение щелевых, лабиринтных и центробежных уплотнений.

Разбрызгивание масла внутри корпуса механизмов происходит с помощью специальных лопастей-крыльчаток либо зубчатых колёс и применяется для создания масляного тумана, который способствует выравниванию температуры и теплоотводу от механизма. Однако проектировщику не следует надеяться на то, что разбрызгиванием будут достаточно смазаны подшипники, находящиеся выше уровня масляной ванны.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

s Что является обязательным элементом в конструкции подшипников скольжения ?

s Какие поломки наблюдаются у подшипников скольжения ?

s Для чего в подшипниках качения применяется смазка ?

s Какие режимы трения возможны в подшипниках скольжения со смазкой ?

s Что считается критерием работоспособности подшипников качения ?

s В чём заключается принцип конструкции подшипников качения ?

s Какие тела качения применяются в подшипниках ?

s Для чего в подшипниках качения устанавливают сепаратор ?

s Каковы достоинства и недостатки подшипников качения ?

s По каким признакам классифицируются подшипники качения ?

s Какие типы подшипников назначаются в зависимости от действующих в опорах нагрузок ?

s Каковы причины поломок и критерии расчёта подшипников качения ?

s Что такое долговечность подшипника ?

s Что такое грузоподъёмность подшипника ?

s Что такое эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник и как она определяется ?

s Как фиксируются внутреннее и наружное кольца подшипника качения ?

s Как и зачем регулируется жёсткость подшипника качения ?

s С какой целью применяются уплотнения в подшипниковых узлах ?

s Какие типы уплотнений применяют для подшипниковых узлов ?

s Какие посадки на вал и в корпус назначаются для подшипников качения ?

s Как выполняется монтаж и демонтаж подшипников качения ?

s Какие виды смазок применяются для подшипников качения ?

МУФТЫ

Это устройства для соединения валов и передачи между ними вращающего момента [34].

Муфты могут передавать вращающий момент и валам, и другим деталям (колёсам, шкивам и т.д.). Соединяют соосные и несоосные валы. Муфты существуют потому, что всегда есть некоторая несоосность, перекосы, взаимная подвижность валов. Конструкции муфт весьма разнообразны. Простейшая муфта сделана из куска ниппельной трубочки и соединяет вал электромоторчика с крыльчаткой автомобильного омывателя стекла. Муфты турбокомпрессоров реактивных двигателей состоят из сотен деталей и являются сложнейшими саморегулирующимися системами.

Группы муфт различают по их физической природе.

è Муфты механического действия.

è Муфты электрического (электромагнитного) действия.

è Муфты гидравлического или пневматического действия.

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

è Нерасцепляемые (постоянные, соединительные) – соединяют валы постоянно, образуют длинные валы.

è Управляемые – соединяют и разъединяют валы в процессе работы, например, широко известная автомобильная муфта сцепления.

è Самодействующие – срабатывают автоматически при заданном режиме работы.

è Прочие.

Основная характеристика муфты – передаваемый вращающий момент.

Существенные показатели – габариты, масса, момент инерции.

Муфта, рассчитанная на передачу определённого вращающего момента, выполняется в нескольких модификациях для разных диаметров валов. Муфты – автономные узлы, поэтому они легко стандартизируются.

Муфты рассчитывают по их критериям работоспособности:

è прочности при циклических и ударных нагрузках,

è износостойкости,

è жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого момента M = M_ВалаK, где М_Вала– номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма, К – коэффициент режима работы: К = 1 ¸ 1,5 спокойная работа, лёгкие машины; К = 1,5 ¸ 2 переменные нагрузки, машины среднего веса (поршневые компрессоры); К = 2 ¸ 6 ударные нагрузки, большие массы (прессы, молоты). Для двигателей транспортных машин К завышают на 20 ¸ 40 % в зависимости от числа цилиндров.

ЖЁСТКИЕ МУФТЫ

Могут быть втулочными или фланцевыми.

Втулочные иногда называются глухими. Это самые простые конструкции и обычно применяются в лёгких машинах на валах диаметром до 70 мм. Требуют точной соосности, затрудняют сборку-разборку, имеют малую жёсткость на изгиб. Их работоспособность определяется прочностью в местах крепления к валам.

Чаще применяются фланцевые жёсткие муфты, т.к. они допускают лёгкую сборку-разборку. Такие конструкции имеют две полумуфты в виде фланцев, устанавливаемых на концах валов с натягом и стянутых болтами. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12 ¸ 250 мм и передают моменты 0,8 ¸ 4500 кГм. В тяжёлых машинах фланцы приваривают к валам.

КОМПЕНСИРУЮЩИЕ МУФТЫ

Иногда называют самоустанавливающимися. Они соединяют валы с небольшими смещениями осей.

Наиболее популярна конструкция зубчатой муфты. Она компенсирует осевые, радиальные и угловые смещения валов. Состоит из двух втулок (полумуфт с зубьями) и надетой на них обоймы с внутренними зубьями. Зубчатые зацепления выполняют с боковым зазором; зубьям придают бочкообразную форму; венцы полумуфт располагают на некотором расстоянии друг от друга. Зубчатые муфты малы и легки, весьма грузоподъёмны (до 100000 кГм), высокооборотны.

Однако эти муфты чувствительны к перекосам. Кроме того, при перекосах валов вследствие трения в зубьях муфта нагружает валы изгибающим моментом примерно 10% от вращающего.

Несущая способность муфт резко падает с ростом перекоса валов.

Размеры муфт подбирают по таблицам в зависимости от вращающего момента, который находят по наибольшему длительно действующему моменту на ведущем валу.

ПОДВИЖНЫЕ МУФТЫ

Допускают соединение валов с повышенным взаимным смещением осей как вызванными неточностями, так и специально заданными конструктором.

Ярким представителем этого семейства являются шарнирные муфты. Идея муфты впервые предложена Джероламо Кардано в 1570 г. и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 г. Поэтому иногда в литературе они называются карданными муфтами, а иногда – шарнирами Гука.

Шарнирные муфты соединяют валы под углом до 45^о, позволяют создавать цепные валы с передачей вращения в самые недоступные места. Всё это возможно потому, что крестовина является не одним шарниром, а сразу двумя с перпендикулярными осями.

Прочность карданной муфты ограничена прочностью крестовины, в особенности мест крепления пальцев крестовины в отверстиях вилок. Поломка крестовины – весьма частый дефект, известный, практически, каждому автовладельцу.

Муфты выбираются по каталогу. Проверочный расчёт ведётся для рабочих поверхностей шарниров на смятие, проверяется прочность вилок и крестовины.

Малогабаритные шарнирные муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 8 ¸ 40 мм и моментов 1,25 ¸ 128 кГм. Крестовина выполнена в виде параллелепипеда. Шарнир образуется с помощью вставных осей, одна из которых длинная, а другая состоит их двух коротких втулок, стянутых заклёпкой. Конструкция весьма технологична.

Карданные передачи с шарнирной муфтой применяются на российских железных дорогах в рамном подвешивании редуктора электропоездов и электровозов серий ВЛ, ЧС, ЭР. Передача вращающего момента от двигателя к колёсной паре карданной муфтой компенсирует несоосность валов якоря и зубчатого колеса при смещениях рамы тележки относительно колёсных пар.

УПРУГИЕ МУФТЫ

Предназначены главным образом для смягчения (амортизации) ударов, толчков и вибрации. Кроме того, допускают некоторую компенсацию смещений валов.

Главная особенность таких муфт – наличие металлического или неметаллического упругого элемента. Способность упругих муфт противостоять ударам и вибрации значительно повышает долговечность машин.

Муфты с таким упругим элементом применяются с 1972 г. для соединения мотора и редуктора моторного вагона электропоезда ЭР2Р.

Муфта с упругой торообразной оболочкой может, фактически, рассматриваться, как упругий шарнир Гука. Она способна компенсировать значительные неточности монтажа валов.

Лёгок монтаж, демонтаж и замена упругого элемента. Допускаются радиальные смещения 1 ¸ 5 мм, осевые 2 ¸ 6 мм, угловые 1,5 ¸ 2^о, угол закручивания 5 ¸ 30^о.

     Несущая способность (и прочность) муфт зависит от крепления оболочки к фланцам. Стандартизованы муфты с неразрезной упругой оболочкой в диапазоне моментов 2 ¸ 2500 кГм.

Широкое применение находит упругая втулочно-пальцевая муфта ("МУВП"). 

Здесь нет необходимости крепить резину к металлу, легко заменять упругие элементы при износе.

В этих муфтах момент передаётся через пальцы и насаженные на них упругие элементы в форме колец или гофрированных втулок. Такие муфты легки в изготовлении, просты в конструкции, удобны в эксплуатации и поэтому получили широкое применение, особенно для передачи вращения от электродвигателя.

Муфты нормализованы в размерах 16 ¸ 150 мм и моментов 3,2 ¸ 1500 кГм.

К сожалению, радиальные и угловые смещения существенно снижают срок службы упругих элементов и повышают нагрузки на валы и опоры.

Муфты рассчитывают по допускаемым давлениям между пальцами и упругими втулками

P = 2 M_вр / (zDdl) £[p],

где z – число пальцев, d – диаметр пальца, l – длина упругого элемента, D – диаметр расположения осей пальцев. Допускаемое давление обычно 30 кГ/см².

Пальцы муфты рассчитывают на изгиб.

 7.5. ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ

Передают вращающий момент благодаря силам трения, возникающим в контакте между элементами муфты (лат. frictio - трение). Силы трения легко регулируются изменением силы сжатия трущихся поверхностей. Поэтому фрикционные муфты допускают плавное сцепление при любой скорости, что успешно используется, например, в конструкции автомобильного сцепления.

     Кроме того, фрикционная муфта не может передать через себя момент больший, чем момент сил трения, поскольку начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов, поэтому фрикционные муфты являются эффективными неразрушающимися предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

     Встречаются различные формы рабочих поверхностей фрикционных элементов:

è дисковые, в которых трение происходит по торцевым поверхностям дисков (одно- и многодисковые);

è конусные, в которых рабочие поверхности имеют коническую форму;

è цилиндрические, имеющие цилиндрическую поверхность контакта (колодочные, ленточные и т.д.).

Главной особенностью работы фрикционных муфт является сжатие поверхностей трения. Отсюда ясно, что такие муфты рассчитываются на прочность по контактному давлению (аналогично напряжениям смятия). Для каждой конструкции необходимо вычислить сжимающую силу и разделить её на площадь контакта. Расчётное контактное давление не должно быть больше допускаемого для данного материала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  

s Для чего существуют муфты ?

s Каковы главные признаки классификации муфт ?

s Какая характеристика муфты считается главной ?

s Каковы принципы конструкции и работы жёстких муфт ?

s Каковы принципы конструкции и работы шарнирных муфт ?

s Каковы принципы конструкции и работы упругих муфт ?

s Как устроена и как работает упруго втулочно-пальцевая муфта (МУВП) ?

s За счёт каких сил работают фрикционные муфты ?

s Какие критерии прочности применяют для фрикционных муфт ?

СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Детали объединяются в машину посредством соединений.

Соединения состоят из соединительных деталей и прилегающих частей соединяемых деталей, форма которых подчинена задаче соединения. В отдельных конструкциях специальные соединительные детали могут отсутствовать. Все соединения делятся на:

è Неразъёмные, разборка которых возможна лишь при разрушении соединяющих или соединяемых деталей;

è Разъёмные, позволяющие разборку без разрушения.

è Выбор типа соединения определяет конструктор.

НЕРАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Сварные соединения

Не имеют соединяющих деталей. Выполняются за счёт местного нагрева и диффузии (перемешивания частиц) соединяемых деталей. Создают, практически, одну целую, монолитную деталь. Весьма прочны, т.к. используют одну из самых могучих сил природы - силы межмолекулярного сцепления.

Сварку (дуговую электросварку) изобрел в 1882 году российский инженер Н.И. Бенардос. С тех пор технология процесса значительно усовершенствована. Прочность сварного шва теперь практически не отличается от монолита, освоена сварка всех конструкционных материалов, включая алюминий и неметаллы.

Дуговая и контактная электросварка является основным и наиболее совершенным способом соединения деталей несущих конструкций корпусов локомотивов и вагонов. Сварка применяется и для высоконагруженных силовых установок локомотивов, например, в сварном стальном V-образном блоке цилиндров тепловозного дизеля Д40 и т.п.

Для сварки характерна высокая экономичность: малая трудоёмкость; сравнительная дешевизна оборудования; возможность автоматизации; отсутствие больших сил, как, например, в кузнечно-прессовом производстве; отсутствие больших объёмов нагретого металла, как, например, в литейном производстве. Однако говорить обо всех этих достоинствах имеет смысл только при хорошо налаженном и организованном технологическом процессе сварки.

Недостатки сварки состоят в том, что при низком качестве шва возникают температурные повреждения материала, кроме того, из-за неравномерности нагрева возникает коробление деталей. Это устраняется либо привлечением квалифицированного (высокооплачиваемого) сварщика, либо применением автоматической сварки, а также специальными приспособлениями, в которых деталь фиксируется до полного остывания.

 Общее условие проектирования сварных соединений – обеспечение равнопрочности шва и свариваемых деталей [27].