Как рассчитать посадку между подшипниками, корпусами подшипников и валами

Посадка между подшипниками, валами и корпусами подшипников является критически важным аспектом в подшипниковой технике и представляет большой интерес для пользователей подшипников. В практической работе стандартный принцип выбора посадки может удовлетворить потребности применения.

Однако многим инженерам интересно, как рассчитывается этот принцип подбора посадки, а некоторые даже предпочитают делать расчеты самостоятельно.

Действительно, основной метод расчета для выбора посадки между подшипниками, валами и корпусами подшипников может быть выполнен путем объединения предыдущих знаний с точки зрения того, как посадка влияет на работу подшипника.

I. Граничные условия для расчета посадки подшипника, вала и корпуса подшипника

Перед выполнением расчета для выбора посадки между подшипниками, валами и корпусами подшипников необходимо понять истинную цель этого расчета, которая дает четкое определение метода расчета и граничных условий.

Цель подгонки

Общая цель посадки между внутренним кольцом подшипника и валом, а также наружным кольцом подшипника и корпусом подшипника заключается в обеспечении отсутствия относительного перемещения между подшипником и валом, а также между корпусом подшипника и наружным кольцом подшипника.

Следует избегать относительных перемещений как в окружном, так и в осевом направлениях. Важно понимать, что предотвратить относительное перемещение только за счет посадки очень сложно, поэтому для этого необходимо использовать другие внешние элементы конструкции.

Например, для ограничения осевого перемещения используются заплечики вала и ступеньки корпуса подшипника, а для предотвращения относительного перемещения в окружном направлении - стопорные пазы или уплотнительные кольца. Эти методы обычно служат в качестве дополнения, когда посадка сама по себе не может выполнить свою функцию, предотвращая относительное перемещение и обеспечивая определенную степень надежности.

Подходящие границы

Из вышеизложенного мы знаем, что существует минимальная граница при установке подшипников и сопутствующих компонентов. Если сила посадки слишком мала, она вызовет относительное перемещение между подшипником и поверхностью посадки, не выполнив своей фиксирующей роли. Такая ситуация увеличивает вероятность смещения подшипника.

С точки зрения теории конструирования механических деталей: чем плотнее посадка, тем больше сила прилегания, и, следовательно, тем значительнее эффект "фиксации". Однако существует определенная степень "неплотного" и "плотного" прилегания.

Если посадка слишком тугая, то хотя она и может обеспечить относительную фиксацию посадочной поверхности, другие размеры внутри подшипника и стальной материал будет влиять на сам подшипник. Поэтому фиксация не может быть достигнута только за счет увеличения посадки.

С другой стороны, в некоторых случаях применения "усилие прилегания", возникающее между двумя взаимно прилегающими поверхностями, может меняться (например, при вибрации). Поэтому, если во время вышеупомянутых колебаний силы возникает тенденция к относительному перемещению прилегающей поверхности, требуемое "усилие прилегания" должно быть больше.

Почему она должна быть больше? Потому что нам нужно убедиться, что на "сильной" и "слабой" стадиях относительного движения эта сила подгонки не вызовет относительного движения поверхностей подгонки. Например, если мы выберем "силу подгонки" в соответствии с "сильной" стадией относительного движения, то когда вибрация перейдет в "слабую" стадию, эта "сила подгонки" покажется слишком большой.

И наоборот, если мы выбираем "усилие подгонки" в соответствии со "слабой" стадией, то при вибрации до "сильной" стадии мы обнаружим, что этого усилия недостаточно, и произойдет относительное перемещение поверхностей подгонки. Таким образом, чтобы удовлетворить пик, неизбежно используется большее усилие подгонки.

Поэтому в условиях вибрации обычно рекомендуется использовать более плотную посадку смежного подшипника.

Именно это нам и нужно обсудить: существует максимальная граница для установки подшипников и сопутствующих компонентов. Если сила посадки слишком велика, это приведет к изменению других свойств подшипника, что приведет к проблемам.

В заключение следует отметить, что конечной целью при выборе допусковых посадок подшипников является сила прилегания между поверхностями посадки подшипника. Если сила посадки слишком мала, это может легко привести к относительному перемещению (сдвигу) между подшипником и деталями посадки; если сила посадки слишком велика, это может повлиять на внутренние характеристики подшипника (слишком малый зазор, повышенная предварительная нагрузка).

Это основная граница и направление расчетов для выбора посадок по допуску подшипника на вал и корпуса подшипника.

II. Минимальное усилие посадки между подшипником, валом и корпусом подшипника

Пример: Общий горизонтальный подшипник двигателя внутреннего вращения.

Система вала обычного горизонтального двигателя внутреннего вращения имеет простейшую конфигурацию подшипников. На основе этой модели можно сделать вывод о других типах систем валов.

Когда работает горизонтальный двигатель внутреннего вращения, вращающийся вал двигателя вращается вместе с внутренним кольцом подшипника. Таким образом, "вращение" передается от ротора двигателя к внутреннему кольцу подшипника, что означает, что внутреннее кольцо подшипника пассивно вращается. В этом случае требуется значительная движущая сила.

Эта движущая сила включает в себя усилие, необходимое для вращения внутреннего кольца подшипника вместе с телом качения и сепаратором. Поэтому наиболее жесткие условия эксплуатации для приведения внутреннего кольца подшипника во вращение возникают при запуске или изменении скорости. В этот момент минимальная движущая сила равна центробежному ускорению, умноженному на массу внутреннего кольца подшипника.

Ситуация несколько меняется, когда подшипник вращается с равномерной скоростью.

Когда подшипник движется с постоянной скоростью, усилие привода минимально, в основном для преодоления трения между внутренними телами качения и дорожками качения. Поэтому необходимая "сила установки" намного проще, чем в вышеупомянутом сценарии.

Если рассматривать два различных применения, то двигатели, часто меняющие скорость или запускающиеся, требуют гораздо большего усилия при подгонке, чем двигатели, работающие с постоянной скоростью. Это объясняет, почему рекомендованные ранее графики посадки часто требуют более плотной посадки для двигателей с переменной скоростью или частым запуском.

До сих пор мы обсуждали "вращающееся кольцо" - внутреннее кольцо. А как насчет наружного кольца? В горизонтальных двигателях с внутренним ротором наружное кольцо подшипника обычно неподвижно, и корпус подшипника также неподвижен.

Единственная сила, которая стремится повернуть наружное кольцо подшипника, - это качение роликов подшипника внутри наружного кольца. При нормальных условиях между роликами подшипника и наружным кольцом обычно существует только трение качения, поэтому для преодоления тенденции к вращению наружного кольца подшипника сила установки должна превышать это трение качения.

Кроме того, поскольку трение качения очень мало, сила прижима, необходимая подшипнику для преодоления трения качения, также очень мала. Однако между корпусом подшипника и его наружным кольцом существует трение скольжения.

В то же время радиальная нагрузка между наружным кольцом подшипника и корпусом подшипника может считаться такой же, как и внутренняя радиальная нагрузка подшипника. Кроме того, внутри дорожки качения подшипника имеется смазка для уменьшения трения, в то время как между наружным кольцом подшипника и корпусом подшипника смазки нет.

В заключение следует отметить, что благодаря надежному размещению наружной дорожки качения подшипника в корпусе подшипника можно преодолеть тенденцию к относительному перемещению за счет трения скольжения. Поэтому легко понять, почему наружная дорожка подшипника в горизонтальном двигателе с внутренним вращением обычно установлена неплотно.

Возвращаясь к основной теме, скажу, что рассчитать силу трения, действующую на наружное кольцо подшипника телами качения, довольно просто. Конечно, мой личный инженерный опыт подсказывает, что на практике такие расчеты обычно не нужны, поскольку стандартных таблиц подбора посадок обычно достаточно. Однако инженеры с любопытством могут попробовать.

Вот несколько дополнительных вопросов, над которыми стоит задуматься инженерам (ход мыслей был изложен выше, просто следуйте ему):

1. Почему в условиях вибрации посадка должна быть плотной, а наружная поверхность должна быть плотной?

2. Как выбрать допуск на посадку для вертикального двигателя?

3. Как выбрать допуск на посадку для двигателя с внешним вращением?

Приведенные выше материалы не содержат ответов на поставленные вопросы. Каждому предлагается подумать об этом самостоятельно, и я верю, что каждый сможет найти ответы. (Небольшая подсказка: учитывайте эластичность).

Будет ли при равномерном движении вышеупомянутое прилегание наружного кольца приводить к орбитальному движению?

III. Максимально плотное прилегание между подшипником, валом и корпусом подшипника.

Мы упомянули о границе максимальной интерференционной посадки. Если интерференция слишком велика, это может привести к изменению других характеристик подшипника.

Во-первых, наиболее важным фактором является изменение собственных размеров подшипника. При плотной посадке подшипника внутренний зазор в нем уменьшается. Когда зазор в подшипнике слишком мал, подшипник может заклинить. Поэтому первое требование к плотной посадке подшипника - это соблюдение требования к остаточному зазору в подшипнике.

Эти методы широко используются в некоторых областях, например, при изготовлении подшипников для редукторов.

Во-вторых, факторы, на которые влияет плотная посадка, - это материалы подшипника, например, растрескивание внутреннего кольца. Такая ситуация действительно имела место в практическом применении. Однако, как правило, воздействие материала подшипника происходит после эффекта зазора.

II. Заключение

В этой статье рассматриваются, прежде всего, основные методы расчета посадок подшипников и связанных с ними деталей.

Однако важно понимать, что для систем подшипников двигателя такие сложные расчеты обычно не требуются. Это связано с тем, что в ежедневно рекомендуемых таблицах посадки по допуску уже учтены вышеупомянутые факторы. Прямого выбора на основе этих принципов обычно бывает достаточно. Мы написали этот материал, чтобы проинформировать вас о том, как были получены эти справочные результаты, которые мы используем ежедневно.

Если только речь не идет об очень специфическом применении или если вы с особым энтузиазмом относитесь к теоретическому процессу, мы не рекомендуем подвергать столь сложной проверке каждый выбранный вариант фурнитуры.

Конечно, для инженеров по редукторам, особенно при расчете предварительного натяга конических роликоподшипников и радиально-упорных шарикоподшипников, такие соображения становятся неизбежными и требуют тщательного изучения.