Нормирование точности некоторых стандартных изделий

Подшипники качения широко используются в изделиях машино- и приборостроения в качестве опор валов и осей. Подшипник— это конструктивный узел предназначенный для подвижных соединений деталей и являющееся частью опоры или упора, которое поддерживает вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Подшипник фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции. Опора с упорным подшипником называется подпятником.

Подшипники, являясь опорами для подвижных частей, определяют их положение в механизме и несут значительные нагрузки. Подшипники качения имеют следующие основные преимущества по сравнению с подшипниками скольжения:

• обеспечивают более точное центрирование вала;

• имеют более низкий коэффициент трения;

• имеют небольшие осевые размеры.

К недостаткам подшипников качения можно отнести:

• повышенную чувствительность к неточностям монтажа и установки;

• жесткость работы, отсутствие демпфирования колебаний нагрузки;

• относительно большие радиальные размеры.

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.

Виды подшипников качения

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.

Подшипники качения.

Шариковые подшипники качения:

• шариковые радиальные

• шариковые радиальные самоустанавливающиеся (сферические)

• шариковые радиально-упорные

• шариковые упорные

• шариковые радиальные для корпусных узлов

Роликовые подшипники качения с цилиндрическими роликами:

· роликовые радиальные

· роликовые упорные

Роликовые подшипники качения с коническими роликами:

· роликовые радиально-упорные (конические)

· роликовые упорные (конические)

Роликовые подшипники качения со сферическими роликами:

· роликовые радиальные самоустанавливающиеся (сферические)

· роликовые упорные самоустанавливающиеся (сферические)

Роликовые подшипники качения с игольчатыми роликами:

· игольчатые радиальные

· игольчатые упорные

· игольчатые комбинированные

· Другие подшипники качения:

• роликовые радиальные тороидальные подшипники

• роликовые радиальные подшипники с витыми роликами

• шариковые и роликовые опорные ролики

• комбинированные подшипники

• опорно-поворотные устройства

Классы точности подшипников качения

Долговечность подшипников качения определяется величиной и характером нагрузки, точностью изготовления, правильной посадкой на вал и в отверстие корпуса, качеством монтажа. Установлено несколько классов точности подшипников в зависимости от используемых тел качения и от направления воспринимаемой нагрузки:

· классы 0, 6, 5, 4, 2, Т - для шариковых и роликовых радиальных и шариковых радиально-упорных подшипников;

· классы 0, 6, 4, 2 - для упорных и упорно-радиальных подшипников;

· классы 0, 6Х, 6, 5, 4, 2 - для роликовых конических подшипников.

Наиболее грубым является класс 0, а наиболее точными - классы 2 и Т. Помимо этих классов нормируются дополнительные более грубые классы 8 и 7, по точности ниже, чем класс 0. Эти классы поставляются по заказам потребителя. Самые распространенные классы точности подшипников (классы «нормальный» и 0) в обозначении не указывают.

Классы точности определяют:

• допуски размеров, формы и взаимного положения элементов деталей подшипника качения (дорожек качения, тел качения и т.д.);

• допуски размеров и формы посадочных поверхностей наружного и внутреннего колец подшипника качения;

• допустимые значения параметров, характеризующих точность вращения подшипников.

Каждый класс точности подшипниковхарактеризуется целым рядом точностных требований:

1. Требования к точности присоединительныхразмеров, т.е. для D, d, и В, а также для отклонений формы и расположения поверхностей колец и тел вращения, для шероховатости присоединительных поверхностей.

2. Радиальное и торцевое (осевое) биение либо подшипника в сборе, либо отдельных колец.

Приведенные данные о параметрах, которыми определяется класс точности, практически относятся ко всем видам подшипников. Кроме того, в зависимости от конструкции для подшипника иногда устанавливают дополнительные точностные требования или дается им отличное толкование. Дополнительные технические требования к подшипникам качения устанавливаются тремя категориями: А, В, С.

К категории А относятся подшипники классов точности 5, 4, 2, Т, если к ним предъявляются дополнительные повышенные требования по уровню вибрации или по волнистости и отклонению от круглости поверхностей качения и моменту трения, или по отклонению от круглости и волнистости поверхности качения, или радиальное, или осевое биение соответствует следующему более высокому классу, возможны и другие сочетания дополнительных параметров.

К категории В относятся подшипники классов точности 0, 6Х, 6, 5, для которых нормируется дополнительно одно из требований, например, регламентируются требования по уровню вибрации или по радиальному или торцевому биениям, а также по другим параметрам.

К категории С относятся подшипники классов точности 8, 7, 0, 6, к которым не предъявляются требования по ограничению уровня вибраций, моменту трения и другим требованиям, не указанным в ГОСТ 520-89.

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.

То есть для колец подшипников помимо предельных размеров, определяющих точность изготовления, нормируется еще верхнее и нижнее отклонения от среднего диаметра (Dmp, dmp). При этом требование к среднему диаметру является основным, и посадки осуществляются по значениям среднего диаметра. И если окажется, что размер кольца при измерении находится в поле допуска относительно номинального размера, а размер среднего диаметра выходит за пределы допуска, то такое кольцо считается браком. Необходимость нормирования требований к точности среднего значения диаметра колец подшипников связано с тем, что кольца подшипников являются легко деформируемыми элементами, т.е. не обладают большой жесткостью. При установке кольца на поверхность вала или в корпус оно деформируется и принимает в значительной мере форму посадочной (сопрягаемой) более жесткой поверхности. Таким образом, в сопряжении действующим оказывается усредненный размер, а не предельный.

Основное отклонение посадочных мест колец подшипникаобозначаются латинской буквой L для диаметра отверстия и буквой l - для наружного диаметра. Поле допуска образуется основным отклонением и рядом точности, который характеризует допуск на размер. Таким образом, для среднего диаметра отверстия подшипника (внутреннего кольца подшипника) установлены поля допусков L0, L6, L5, L4, L2. Для среднего диаметра вала (наружного кольца подшипника) установлены поля допусков l0, l6, l 5, l 4, l2. Наружное кольцо подшипника должно сопрягаться с отверстием в корпусе в системе вала, а внутреннее кольцо подшипника должно сопрягаться с поверхностью вала в системе отверстия. Расположение поля допуска для среднего диаметра отверстия dm внутреннего кольца отличается от расположения поля допуска для основного отверстия в системе допусков и посадок. Поле допускадля среднего диаметра наружного кольца, т.е. Dm, расположено, как и поле допуска основного вала в системе допусков и посадок. Поле допуска для внутреннего кольца подшипникаdm расположено в минус от номинального размера, т.е. «из тела» материала.

Таким образом, поле допуска отверстия внутреннего кольца подшипника расположили односторонне от номинала в «воздух», 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. 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.

Для образования посадок с подшипниками каченияиз общей системы допусков и посадок отобрана группа полей допусков, т.е. основных отклонений и квалитетов. Полный перечень этих полей допусков приведен в ГОСТ 3325-85. Допуски присоединительных поверхностей отверстийобычно на один квалитет грубее, чем для валов, т.е. точность отверстия на 60% меньше, чем у вала. Объясняется это тем, что изготавливать и измерять отверстие труднее и дороже, чем вал того же номинального значения, а характер посадки определяется не значениями размера одного из сопрягаемых размеров, а разностью их размеров. ГОСТ 3325-85 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.

Назначение полей допусков для вала и отверстия корпуса при установке подшипниковкачения. На выбор посадки подшипника качения влияет тип, класс точности и геометрические размеры подшипника, вид нагружения кольца подшипника качения, режим его работы. Рассмотрим типовые схемы механизмов и особенности работы подшипников в них (Рис. 2).

Первая типовая схема. Внутренние кольца подшипников вращаются вместе с валом, наружные кольца, установленные в корпусе, неподвижны. Радиальная нагрузка Р постоянна по величине и не меняет своего положения относительно корпуса.
В этом случае внутреннее кольцо воспринимает радиальную нагрузку Р последовательно всей окружностью дорожки качения, такой вид нагружения кольца называется циркуляционным. Наружное кольцо подшипника воспринимает радиальную нагрузку лишь ограниченным участком окружности дорожки качения, такой характер нагружения кольца называется местным. Дорожки качения внутренних колец подшипников изнашиваются равномерно, а наружных – только на ограниченном участке. При назначении посадок подшипников качения существует правило: кольца, имеющие местное нагружение, устанавливаются с возможностью их проворота с целью более равномерного износа дорожек качения. 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. Рекомендуемые посадки для подшипников классов точности 0 и 6 приведены в табл.1.

Вторая типовая схема.Наружные кольца подшипников вращаются вместе с зубчатым колесом. Внутренние кольца подшипников, посаженные на ось, остаются неподвижными относительно корпуса. Радиальная нагрузка Р постоянна по величине и не меняет своего положения относительно корпуса. В этом случае наружное кольцо воспринимает радиальную нагрузку Р последовательно всей окружностью дорожки качения, т.е. имеют циркуляционное нагружение. Внутреннее кольцо подшипника воспринимает радиальную нагрузку лишь ограниченным участком окружности дорожки качения, т.е. имеют местное нагружение. 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. Рекомендуемые посадки для подшипников 0 и 6 классов точности приведены в табл. 1.

Третья типовая схема. Внутренние кольца подшипников вращаются вместе с валом, наружные кольца, установленные в корпусе, – неподвижны. На кольца действуют две радиальные нагрузки, одна постоянна по величине и по направлению Р, другая, центробежная , вращающаяся вместе с валом. Равнодействующая сил Р и совершает периодическое колебательное движение, симметричное относительно направления действия силы Р. На рис. 2 штриховыми линиями показано последовательное положение эпюры нагружения наружного кольца подшипника на ограниченном участке дорожки качения, которая смещается справа налево и меняется по величине, такой режим нагружения кольца называется колебательным. Внутреннее кольцо воспринимает суммарную радиальную нагрузку последовательно всей окружностью дорожки качения, т.е. имеет циркуляционное нагружение. Посадки следует выбирать так, чтобы 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.

Таблица 1. Посадки шариковых и роликовых радиальных и упорно-радиальных подшипников классов 0 и 6.

Рисунок 2.

Уточненный выбор посадок с учетом режима работы и размеров подшипника производится в соответствии с рекомендациями, приведенными в ГОСТ 3325-85. 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;

Для подшипников 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 параметров Rа для посадочных поверхностей валов, отверстий и торцов заплечиков валов и корпусов представлены в табл. 2.

Таблица 2

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.

Условное обозначение подшипникаявляется очень громоздким и содержит большой объем информации о многих свойствах подшипника. Это обозначение состоит из знаков основного условного обозначения и знаков, обозначающих дополнительные требования к подшипнику. Основное условное обозначение подшипникав общем случае содержит следующие параметры подшипника: размерную серию (серию диаметров и ширины) по ГОСТ 3378; тип и конструктивное исполнение по ГОСТ 3395; диаметр отверстия. Основное условное обозначение подшипникахарактеризует его основное исполнение. Дополнительные данные о подшипнике содержат сведения об отличии его от основного исполнения и располагаются справа и слева от основного условного обозначения. Основное условное обозначение состоит из семи знаков, хотя в отдельных случаях в нем может быть два, три или четыре знака.