Раздел 9. Конструирование подшипниковых узлов

Выбор типа подшипника. При выборе типа подшипника необходимо учитывать их стоимость. Самыми дешевыми считаются шариковые радиальные подшипники легкой серии.

Для подавляющего большинства механизмов общего машиностроения обычно используют подшипники класса точности 0, но если требуется повышенная точность вращения вала, то следует выбирать подшипники более высокого класса 6, 5, 4 или 2.

Подшипниковый узел – источник шума. Для уменьшения шума быстроходных шпинделей рекомендуется применять подшипники высокого класса точности.

Радиальный шариковый однорядный подшипник – самый дешевый подшипник и поэтому находит широкое применение в машиностроении. Этот подшипник воспринимает радиальную, радиальную и осевую одновременно или чисто осевую нагрузку. Обеспечивает осевое фиксирование вала в двух направлениях. Допускает перекос колец до 1/4°. Подшипник хорошо работает при высокой частоте вращения.

Радиальный шариковый двухрядный сферический подшипник воспринимает главным образом радиальную нагрузку. Осевую нагрузку воспринимает, но только незначительной величины. При незначительной осевой нагрузке может фиксировать вал от осевых смещений в двух направлениях. Подшипник допускает перекос колец до 2°. Этот тип подшипника применяется в ножевых валах фуговальных и рейсмусовых станков.

Радиально-упорный шариковый подшипник может воспринимать одновременно радиальную и одностороннюю осевую нагрузку или чисто осевую нагрузку. Подшипник хорошо работает при высокой частоте вращения. Подшипники этого типа устанавливают парными комплектами, при этом одноименные торцы наружных колец (узкие или широкие) должны быть обращены друг к другу. Это позволяет фиксировать вал в обоих осевых направлениях.

При высокой радиальной нагрузке в шпиндельных узлах применяют также роликовые радиальные или радиально-упорные подшипники [18, 20]. При этом следует учитывать, что шариковые подшипники обеспечивают большую точность и частоту вращения, а роликовые – большую грузоподъемность и жесткость.

Соосность посадочных мест. Для предотвращения перекоса колец подшипника и перегрузки его тел качения цилиндрические поверхности посадочных мест под подшипники должны быть соосны. Это достигается просто, если подшипниковые опоры размещаются в общем корпусе. Если используется два корпуса, то их сначала фиксируют на станине штифтами, а затем отверстия под наружные кольца подшипников растачивают с одной установки за один проход. Использование двух корпусов без дополнительной расточки возможно в случае установки в них сферических самоустанавливающихся подшипников.

Посадочные места на валах всегда должны вытачиваться на станке с одной установки.

Жесткость и прочность деталей подшипникового узла достигается при использовании следующих рекомендаций. Нагрузки, действующие на опоры, не должны вызывать в стенках корпусов и валах прогибов, способных привести к нарушению соосности. Для этого стенки корпусов с расточками под наружные кольца подшипников должны иметь достаточную толщину.

Высота заплечиков на валах и в отверстиях корпусов должна быть достаточной для восприятия осевых нагрузок. Торцовые крышки должны быть достаточно жесткими, чтобы предотвращать нарушение положения подшипника.

Для обеспечения нормальной сборки и разборкиподшипникового узланеобходимо предусмотреть фаски на конце шейки вала и расточки у корпуса. В конструкции узла должна быть предусмотрена возможность применения съемников для снятия подшипника. Для этого в корпусах и на валах выполняются специальные пазы под лапы съемников, расположенные под углом 120° (рис. 24, а).

В глухих корпусах следует предусмотреть резьбовые отверстия, через которые с помощью болтов подшипник можно выпрессовать из корпуса (рис. 24, б).

Фиксация подшипников. Валы должны удерживаться подшипниками от осевых смещений, т.е. должны быть зафиксированы в осевом направлении относительно корпуса. Фиксирование подшипников в корпусе осуществляется по одной из четырех схем, приведенных на рис. 25.

Схема I. В корпусе фиксируется с обеих сторон наружное кольцо одного подшипника. Вторая опора является скользящей (плавающей) не зафиксированной в осевом направлении. Такая конструкция позволяет компенсировать тепловое удлинение деталей узла. Удлинение вала при нагревании равно, мм:

, (77)

где t₂ – рабочая температура вала, °С;

t₁ –температура окружающей среды, °С;

l – длина вала, мм.

Требуемый осевой зазор создается с помощью набора мерных прокладок, устанавливаемых между торцовыми поверхностями корпуса и фланцев крышек. Обычно осевой зазор составляет около 0,5 мм.

При использовании схемы I жесткость вала радиальная, осевая и угловая получается небольшой. Кроме того, затрудняется расточка корпуса, т.к. исключается возможность его обработки с одной установки.

Схема II. В фиксируюшей опоре устанавливается два подшипника, которые при регулировании позволяют исключить радиальную и осевую игру вала. Сдвоенный подшипник значительно увеличивает угловую жесткость вала. Однако конструкция подшипникового узла усложняется.

Схема III.Внешние торцы подшипников упираются в торцы крышек или других деталей корпуса. Обеспечивается фиксация в распор. Схема конструктивно проста и находит широкое применение при коротких и жестких валах.

Схема IV. Эта схема обеспечивает осевую фиксацию вала врастяжку. Она исключает заклинивание вала при его нагревании, однако такая схема конструктивно сложна и применяется сравнительно редко.

В конструкциях шпинделей наиболее часто применяются схемы I и II, в которых фиксируется обычно опора, ближняя к режущему инструменту. В ней устанавливается один или два подшипника. Другая подшипниковая опора, расположенная около шкива или муфты, делается "плавающей".

Предварительный натяг подшипников. Предварительный натяг обязательно создается в спаренных радиально-упорных подшипниках. Предварительный натяг создается следующими основными способами [20,21]:

– затяжкой подшипников на мерное осевое смещение наружных колец относительно внутренних;

– затяжкой подшипников до получения определенного момента сопротивления вращению;

– приложением к подшипникам постоянной осевой силы (пружинный натяг).

Для реализации указанных способов известно много конструктивных решений.

При первом способе, например, между внутренними и наружными кольцами парных подшипников устанавливают дистанционные втулки 1 и 2 (рис. 26) неравной длины. При сжатии колец подшипников в осевом направлении в системе возникает натяг, определяемый разностью а длин втулок. Указанное значение для быстроходных валов принимают равным а = 0,05-0,07 мм.

Крепление подшипников. Торцовые поверхности колец подшипника являются базирующими. Они определяют положение подшипника относительно оси вала (отверстия). От положения этих поверхностей зависит степень перекоса колец. При значительном перекосе колец подшипник быстро изнашивается и выходит из строя. Для предотвращения перекоса кольца подшипников надо точно базировать по их торцам.

Кольца подшипников имеют небольшую жесткость. При запрессовке подшипника на вал из-за неравномерности приложения внешних сил и сил трения внутреннее кольцо деформируется. Чтобы выправить положение подшипника его внутреннее кольцо надо довести до заплечиков вала и плотно прижать к ним.