Виды и размеры подшипников

Подши́пник (от «под шип») — сборочный узел, являющийся частью опоры или упора и поддерживающий вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции [1] .

Опора с упорным подшипником называется подпятником.

Основные параметры подшипников:

• Максимальная динамическая и статическая нагрузка (радиальная и осевая).
• Максимальная скорость (оборотов в минуту для радиальных подшипников).
• Посадочные размеры.
• Класс точности подшипников.
• Требования к смазке. [2]
• Ресурс подшипника до появления признаков усталости, в оборотах.
• Шумы подшипника
• Вибрации подшипника

Нагружающие подшипник силы подразделяют на:

• радиальную, действующую в направлении, перпендикулярном оси подшипника;
• осевую, действующую в направлении, параллельном оси подшипника.

Содержание

Основные типы подшипников [ править | править код ]

По принципу работы все подшипники можно разделить на несколько типов:

• подшипники качения;
• подшипники скольжения;

К подшипникам скольжения также относят:

Основные типы, которые применяются в машиностроении, — это подшипники качения и подшипники скольжения.

Подшипники качения [ править | править код ]

Подшипники качения состоят из двух колец, тел качения (различной формы) и сепаратора (некоторые типы подшипников могут быть без сепаратора), отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба — дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.

Также существуют насыпные подшипники, состоящие из сепаратора и вставленных в него шариков (см. рис. ниже), которые можно вытаскивать.

Имеются подшипники качения, изготовленные без сепаратора. Такие подшипники имеют большее число тел качения и большую грузоподъёмность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

В подшипниках качения возникает преимущественно трение качения (имеются только небольшие потери на трение скольжения между сепаратором и телами качения), поэтому по сравнению с подшипниками скольжения снижаются потери энергии на трение, и уменьшается износ. Закрытые подшипники качения (имеющие защитные крышки) практически не требуют обслуживания (замены смазки), открытые — чувствительны к попаданию инородных тел, что может привести к быстрому разрушению подшипника.

Классификация [ править | править код ]

Классификация подшипников качения осуществляется на основе следующих признаков:

• По виду тел качения

• Шариковые,
• Роликовые (игольчатые, если ролики тонкие и длинные);

По типу воспринимаемой нагрузки

Радиальные (нагрузка вдоль оси вала не допускается).

Радиально-упорные, упорно-радиальные. Воспринимают нагрузки как вдоль, так и поперёк оси вала. Часто нагрузка вдоль оси только одного направления.

Упорные (нагрузка поперёк оси вала не допускается).

Шариковые винтовые передачи. Обеспечивают сопряжение винт-гайка через тела качения.

По числу рядов тел качения

Однорядные,

Двухрядные,

Многорядные;

Самоустанавливающиеся.

Несамоустанавливающиеся.

• По материалу тел качений:

• Полностью стальные;
• Гибридные (стальные кольца, тела качения неметаллические. Как правило, керамические);

Радиальный роликовый подшипник

Упорный шариковый подшипник

Упорный роликовый подшипник

Радиально-упорный шариковый подшипник

Радиально-упорный шариковый подшипник с четырёхточечным контактом

Радиально-упорный роликовый подшипник (конический)

Самоустанавливающийся двухрядный радиальный шариковый подшипник

Самоустанавливающийся радиальный роликовый подшипник

Самоустанавливающийся радиально-упорный роликовый подшипник

Самоустанавливающийся двухрядный радиальный роликовый подшипник с бочкообразными роликами (сферический)

Сепаратор с роликами игольчатого подшипника

Шариковая винтовая передача

Механика [ править | править код ]

Подшипник представляет собой по существу планетарный механизм, в котором водилом является сепаратор, функции центральных колёс выполняют внутреннее и наружное кольца, а тела качения заменяют сателлиты.

Частота вращения сепаратора или частота вращения шариков вокруг оси подшипника
n c = n 1 2 ( 1 − D ω d m ) <displaystyle n_=<frac <1>><2>>left(1-<frac >>>
ight)>

где n₁ — частота вращения внутреннего кольца радиального шарикоподшипника,
D_ω — диаметр шарика.
d_m = 0,5(D+d) — диаметр окружности, проходящей через оси всех тел качения (шариков или роликов).

Частота вращения шарика относительно сепаратора
n s p = n 1 2 ( d m D ω − D ω d m ) <displaystyle n_=<frac <1>><2>>left(<frac >>>-<frac >>>
ight)>

Частота вращения сепаратора при вращении наружного кольца
n c ∗ = n 3 2 ( 1 + D ω d m ) <displaystyle n_=<frac <3>><2>>left(1+<frac >>>
ight)>

где n₃ — частота вращения внешнего кольца радиального шарикоподшипника.

Для радиально-упорного подшипника
n c = n 1 2 ( 1 − D ω cos ⁡ α d m ) <displaystyle n_=<frac <1>><2>>left(1-<frac cos alpha >>>
ight)>

n s p = n 1 2 ( d m D ω − D ω cos 2 ⁡ α d m ) <displaystyle n_=<frac <1>><2>>left(<frac >>>-<frac cos ^<2>alpha >>>
ight)>

Из приведённых выше соотношений следует, что при вращении внутреннего кольца сепаратор вращается в ту же сторону. Частота вращения сепаратора зависит от диаметра D_ω шариков при неизменном d_m: она возрастает при уменьшении D_ω и уменьшается при увеличении D_ω.

В связи с этим разноразмерность шариков в комплекте подшипника является причиной повышенного износа и выхода из строя сепаратора и подшипника в целом.

При вращении тел качения вокруг оси подшипника на каждое из них действует нагружающая дополнительно дорожку качения наружного кольца центробежная сила

F c = 0 , 5 m d m ω c 2 <displaystyle F_=0,5md_omega _^<2>> ,

где m — масса тела качения,
ω_с — угловая скорость сепаратора.

Центробежные силы вызывают перегрузку подшипника при работе на повышенной частоте вращения, повышенное тепловыделение (перегрев подшипника) и ускоренное изнашивание сепаратора. Всё это сокращает срок службы подшипника.

В упорном подшипнике, кроме центробежных сил, на шарики действует обусловленный изменением направления оси вращения шариков в пространстве гироскопический момент

M r = J ω c ω s p <displaystyle M_=Jomega _omega _>

Гироскопический момент будет действовать на шарики и во вращающемся радиально-упорном шарикоподшипнике при действии осевой нагрузки

M r = J ω c ω s p sin ⁡ α <displaystyle M_=Jomega _omega _sin alpha >

где J = ρ ⋅ π ⋅ D ω 5 / 60 <displaystyle J=
ho cdot pi cdot D_<omega >^<5>/60> — полярный момент инерции массы шарика;
ρ — плотность материала шарика;
ω_sp и ω_с — соответственно, угловая скорость шарика при вращении вокруг своей оси и вокруг оси вала (угловая скорость сепаратора).

Под действием гироскопического момента каждый шарик получает дополнительное вращение вокруг оси, перпендикулярной плоскости, образованной векторами угловых скоростей шарика и сепаратора. Такое вращение сопровождается изнашиванием поверхностей качения, и для предотвращения вращения подшипник следует нагружать такой осевой силой, чтобы соблюдать условие T f = M r <displaystyle T_=M_> , где T_f — момент сил трения от осевой нагрузки на площадках контакта шариков с кольцами.

Условное обозначение подшипников качения в СССР и России [ править | править код ]

Советская и российская маркировка подшипников состоит из условного обозначения и стандартизована в соответствии ГОСТ 3189-89 и условного обозначения завода-изготовителя.

Основное условное обозначение подшипника состоит из семи цифр основного условного обозначения (при нулевых значениях этих признаков оно может сокращаться до 2 знаков) и дополнительного обозначения, которое располагается слева и справа от основного. При этом дополнительное обозначение, расположенное слева от основного, всегда отделено знаком тире (—), а дополнительное обозначение, расположенное справа, всегда начинается с какой-либо буквы. Чтение знаков основного и дополнительного обозначения производится справа налево.

Подшипники скольжения [ править | править код ]

Определение [ править | править код ]

Подшипник скольжения — опора или направляющая механизма или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент — вкладыш, или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом, который позволяет свободно вращаться валу. Расчёт зазора подшипника, работающего в режиме разделения поверхностей трения смазочным слоем, производится на основе гидродинамической теории смазки.

При расчёте определяются: минимальная толщина смазочного слоя (измеряемая в мкм), давления в смазочном слое, температура и расход смазочных материалов. В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает сухим, граничным, жидкостным и газодинамическим. Однако даже подшипники с жидкостным трением при пуске проходят этап с граничным трением.

Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает низкое трение, разделение подвижных частей, теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды.

Смазка может быть:

• жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для неметаллических подшипников),
• пластичной (на основе литиевого мыла и кальция сульфоната и др.),
• твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.) и
• газообразной (различные инертные газы, азот и др.).

Наилучшие эксплуатационные свойства показывают пористые самосмазывающиеся подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии. При работе пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность, а в состоянии покоя остывает и впитывает смазку обратно в поры.

PV-фактор [ править | править код ]

PV-фактор — основная характеристика (критерий) оценки работоспособности подшипника скольжения. Является произведением удельной нагрузки P (МПа) на окружную скорость V (м/с). Определяется для каждого антифрикционного материала экспериментально при испытаниях или в процессе эксплуатации. Многие данные по соблюдению оптимального PV-фактора даны в справочниках

Классификация [ править | править код ]

В основу классификации положен анализ режимов работы подшипников по диаграмме Герси-Штрибека.

Подшипники скольжения разделяют:

• в зависимости от формы подшипникового отверстия:

• одно- или многоповерхностные,
• со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного вращения),
• со смещением или без смещения центра (для конечной установки валов после монтажа);

по направлению восприятия нагрузки:

радиальные

осевые (упорные, подпятники),

радиально-упорные;

по конструкции:

неразъёмные (втулочные; в основном, для I-1),

разъёмные (состоящие из корпуса и крышки; в основном, для всех, кроме I-1),

встроенные (рамовые, составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины);

по количеству масляных клапанов:

с одним клапаном,

с несколькими клапанами;

по возможности регулирования:

нерегулируемые,

регулируемые.

Ниже представлена таблица групп и классов подшипников скольжения (примеры обозначения: I-1, II-5).

Международная организация по стандартизации разработала общие требования к основным размерам:

• Метрических радиальных подшипников качения — стандарт ISO 15:1998 (за исключением конических роликоподшипников);
• Метрических радиальных конических роликоподшипников — стандарт ISO 355:1977;
• Метрических упорных роликоподшипников — стандарт ISO 104:2002;
• Для иных серий применяется "европейская" система обозначений.

Обозначение типов подшипников

Идентификационный код подшипника составлен из ряда букв и цифр, имеющих определенное значение, и разделен на три составные части, начиная слева направо:

• Первая часть — конструктивное исполнение подшипника;
• Вторая часть — размерная серия подшипника;
• Третья часть — диаметр отверстия подшипника.

Первая часть условного обозначения отображает конструктивную форму. Данная часть всегда указана в цифровой форме, за исключением цилиндрических роликоподшипников и шарикоподшипников со съемным кольцом.

Вторая часть условного обозначения отображает тип подшипника:

0 Радиально-упорные шарикоподшипники

1 Самоустанавливающиеся шарикоподшипники

2 Сферические роликоподшипники, сферические упорные роликоподшипники

3 Конические роликоподшипники

4 Двухрядные радиальные шарикоподшипники

5 Упорные шарикоподшипники

6 Однорядные радиальные шарикоподшипники

7 Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники

8 Упорные цилиндрические роликоподшипники

N Цилиндрические роликоподшипники (за буквой “N” могут следовать еще одна или две буквы, указывающие на конструкцию упорных бортиков цилиндрических роликоподшипников, например, NJ, NU, NUP)

QJ Шарикоподшипники с четырехточечным контактом

Вторая часть условного обозначения отображает размерную серию подшипника: могут определяться и иные размеры подшипника, точнее наружный диаметр и ширина, в соответствии с диаметром отверстия. При одинаковом отверстии и наружном диаметре, подшипник может иметь разную ширину. Поэтому можно условно разделить комбинацию на серию диаметров и серию ширины.

Серия диаметров так же, как и серия ширины, обозначаются целыми числами; оба номера создают размерную серию подшипников. Приступив к определению обозначения слева направо, первый номер указывает на серию ширины, второй — на серию диаметров. Такая комбинация носит называние Размерная Серия, и предшествует код диаметра отверстия. Если тип подшипника предусматривает лишь одну серию ширины, номер ширины не указывается. В состав обозначения Размерной Серии будет входить исключительно цифра, содержащая серию диаметров.

Третья часть отображает диаметр отверстия и включает в себя две цифры, имеющие следующую систему кодирования:

00 = отверстие Ø 10 мм
01 = отверстие Ø 12 мм
02 = отверстие Ø 15 мм
03 = отверстие Ø 17 мм
04 = отверстие Ø 20 мм (точнее 20 : 5 = 04)
05 = отверстие Ø 25 мм (точнее 25 : 5 = 05)
. до:
96 = отверстие Ø 480 мм (точнее 480 : 5 = 96)

Если диаметр отверстия подшипника равен или больше 500 мм, часть условного обозначения, указывающего на Размерную Серию, отделяется косой чертой (/), за которой следует диаметр отверстия, указанный в миллиметрах. Напр. 62/500. В отношении определенного типа подшипников первые две части условного обозначения остаются неизменными, а последняя часть поддается изменениям, точнее часть, определяющая код диаметра отверстия. Неизменная часть условного обозначения, включающая в себя конструктивную форму и размерную серию, обычно называется "серия подшипников".

1 — Цифры в скобках в обозначение кода серии подшипников не включены
2 — Цилиндрические роликоподшипники включают серию NJ, NUP, N, NF и NU

Суффиксы подшипников

Z — Односторонняя защитная металлическая шайба для подшипника

ZZ — Двусторонняя защитная металлическая шайба для подшипника

RS — Одностороннее резиновое уплотнение для подшипника

2RS — Двустороннее резиновое уплотнение для подшипника

N — Канавка для стопорного кольца на внешнем кольце подшипника

NR — Канавка и стопорное кольцо на внешнем кольце

M — Латунный сепаратор

MA — Латунный сепаратор центрированный по внешнему кольцу

MB — Латунный сепаратор центрированный по внутреннему кольцу

TN — Усиленный полиамидный сепаратор

P6 — Класс точности соответствует ISO 6

P5 — Класс точности соответствует ISO 5

P4 — Класс точности соответствует ISO 4

C2 — Серия зазоров меньше нормальной

C3 — Серия зазоров больше нормальной

C4 — Серия зазоров больше C3

C5 — Серия зазоров больше C4

Существует несколько типов и модификаций опорных механизмов, обеспечивающих взаимное перемещение конструктивных частей различных устройств. По характеру трения подобные образцы делятся на 2 вида. С классификацией и таблицей размеров представителей одного из них – подшипников качения – мы и познакомимся в предлагаемой статье.

Данное изделие – 2 кольца разных диаметров, между которыми помещен сепаратор. По сути, это «оболочка», в которой находятся подвижные элементы (в отдельных модификациях она может отсутствовать). В отличие от аналогов, работа которых основана на скольжении, при изготовлении таких образцов используется только сталь (нержавеющая, теплостойкая и так далее – вариантов много).

Тем, кто хочет детально разобраться с ТУ на подшипники качения, их классами точности, типоразмерами и допусками, модификациями и рядом других особенностей, автор рекомендует обратиться к ГОСТ № 520 от 2011 года. Он заменяет стандарт под таким же номером от 2002 года.

Классификация подшипников качения

Она довольно сложная, и разница некоторых модификаций понятна лишь специалисту, равно, как и имеет принципиальное значение в большинстве случаев только для него. Но если рассмотреть весь сортамент продукции, оговоренный ГОСТ, то можно категорировать все подшипники качения следующим образом.

По восприятию нагрузки

Упорные. Место установки – вертикально ориентированные валы, угловые скорости вращения которых не отличаются большими значениями. Такие подшипники предназначены для противодействия нагрузкам осевым. Радиальные. Название свидетельствует, что они устанавливаются на валах, испытывающих нагрузки, вектор силы которых перпендикулярен оси. Упорно-радиальные и радиально-упорные. По сути, такие подшипники универсальны в применении, так как сочетают в себе качества (свойства, особенности) двух предыдущих модификаций. Есть ли между ними разница, если в названиях одинаковые термины? Да. Специфика применения определяется словом, стоящим на первом месте в наименовании подшипника качения. Именно оно показывает, на какой вид нагрузки (по максимуму) более всего ориентирован образец. В соответствие с инженерными расчетами и делается выбор в пользу того или иного его исполнения.

По конструктивным особенностям

Подшипники самоустанавливающиеся. Открытые. Закрытые подшипники. С самоустанавливающимся кольцом. Сдвоенные. Подшипники комплектные. Подузлы. Желобные.

По подвижным элементам

Шариковые. Роликовые. Эти элементы, в свою очередь, могут иметь различную геометрию и подразделяются на: цилиндрические, конические, витые (пустотелые), бочкообразные, длинные, игольчатые, короткие.

По числу желобов

По ним перемещаются подвижные элементы. Желоба располагаются рядами, количество которых может быть 1, 2 или 4.

По геометрии посадочного отверстия подшипника

Конусное. Цилиндрическое.

По специфике применения

Приборные. Базовые.

Преимущества использования подшипников качения

Повышение класса точности работы механизмов (агрегатов, приборов). Уменьшение эксплуатационных расходов. Более длительный безремонтный срок службы образцов как результат надежности подшипников за счет снижения степени их износа. Расширение ряда функциональных возможностей узлов и механизмов, собранных на основе таких комплектующих.

Таблица размеров

Предельные величины основных параметров (в мм)

Диаметры

Внутренний: 0,6 – 2 000. Наружный: 2,5 – 2 850.

Ширина колец: 10 – 19.

Как смог убедиться читатель, даже лишь один вид опорных механизмов – подшипников качения – имеет множество модификаций и типоразмеров. При замене детали по принципу «один в один» необходимо внимательно смотреть на ее маркировку.