Классификация опоры валов и осей. Валы, оси и их опоры. Вопросы для контроля

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки; в последнем случае опора называется подпятником, а подшипник носит название упорного.

По принципу работы различают подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности, и подшипники качения, в которых между поверхностью вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения.

От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машин.

Подшипники, работающие по принципу трения скольжения, называются подшипниками скольжения .

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала.

Достоинства подшипников скольжения: малые габариты в радиальном направлении, хорошая восприимчивость ударных и вибрационных нагрузок, возможность применения при очень высоких частотах вращения вала и в прецизионных машинах, большая долговечность в условиях жидкостного трения, возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки подшипников скольжения: большие габариты в осевом направлении, значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания, необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей. Вышеперечисленные достоинства и недостатки определяют применение подшипников скольжения, например в молотах, поршневых машинах, турбинах, центрифугах, координатно-расточных станках, для валов очень больших диаметров, а также для валов тихоходных машин. КПД подшипников скольжения h=0,95...0,99.

Существует очень много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида: неразъемные и разъемные. Неразъемный подшипник (рис. 38) состоит из корпуса и втулки, которая может быть неподвижно закреплена в корпусе подшипника или свободно заложена в него («плавающая втулка»). Неразъемные подшипники используют главным образом в тихоходных машинах, приборах и т. д. Их основное преимущество – простота конструкции и низкая стоимость.

Разъемный подшипник (рис. 39) состоит из основания и крышки корпуса, разъемного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъемные подшипники значительно облегчают сборку и незаменимы для конструкций с коленчатыми валами. Разъемные подшипники широко применяются в общем и особенно тяжелом машиностроении.

равномерное распределение нагрузки по длине вкладыша. Такие подшипники применяются при большой длине цапф.

Сегментные подшипники с качающимися вкладышами (рис. 41) хорошо центрируют вал и обеспечивают стабильную работу подшипниковых узлов, поэтому их применяют для быстроходных валов, особенно при опасности возникновения вибраций.

Упорный подшипник скольжения (подпятник) (рис. 42) в основном предназначен для восприятия осевых нагрузок.

Корпуса подшипников обычно изготовляются из чугуна. Вкладыши изготовляют из подшипниковых материалов, которые

пластики и др.), комбинированные (пористые металлы, пропитанные пластмассой; пластмассы с наполнителем из металла или графита; слоистые материалы типа металл–пластмасса).

Втулки подшипников скольжения (металлические, биметаллические и из спекаемых материалов) стандартизованы.

Подшипники, работающие по принципу трения качения, называются подшипниками качения . В настоящее время такие подшипники имеют наибольшее распространение. Подшипники качения изготовляют в большом диапазоне стандартных типоразмеров с наружным диаметром от 2 ммдо 2,8 м и массой от долей грамма до нескольких тонн.

направлении, невысокая стоимость (массовое производство) и высокая степень взаимозаменяемости.

К недостаткам подшипников качения относятся: чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, большие габариты в радиальном направлении, малая надежность в высокоскоростных приводах.

Кольца и тела качения обычно изготовляют из подшипниковых сталей с высоким содержанием хрома, например ШХ15, ШХ20СГ, 18ХГТ и др. Сепараторы штампуют из качественной углеродистой конструкционной стали. Массивные сепараторы для высокоско- ростных подшипников изготовляют из медных и алюминиевых сплавов, текстолита, магниевого чугуна и др.

Кольца и тела качения подшипников закаливаются до твердости 60...65 HRC э.

Классификация подшипников качения может осуществляться по многим признакам, а именно:

по форме тел качения (шариковые, цилиндрические и конические роликовые, игольчатые);

по числу рядов тел качения (однорядные, двухрядные и многорядные);

по направлению воспринимаемой нагрузки (радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные, упорные, комбинированные);

по возможности самоустановки (самоустанавливающиеся, несамоустанавливающиеся);

по габаритным размерам (серии диаметров и ширин);

по конструктивным особенностям .

ГОСТ устанавливает для подшипников качения следующие классы точности (в порядке повышения точности): 0; 6; 5; 4 и 2. Нормальный класс точности обозначается цифрой 0, сверхвысокий класс точности обозначается 2. В общем машиностроении обычно применяют подшипники класса точности 0.

Система условных обозначений шариковых и роликовых подшипников качения устанавливается ГОСТом. Нули, стоящие в обозначении левее значащих цифр, не показывают.

Основное условное обозначение подшипников качения ведется цифрами по следующей схеме:

Порядок отсчета цифр в условном обозначении подшипника ведется справа налево. Первые две цифры справа обозначают внутренний диаметр подшипников диаметром от 20 до 495 мм, причем обозначение получается путем деления значения диаметра на 5. Подшипники с внутренним диаметром 10мм обозначаются 00; 12 мм – 01; 15 мм – 02; 17 мм – 03.

КПД одной пары подшипников качения h=0,99...0,995.

Наиболее дешевыми и распространенными в машиностроении являются шариковые радиальные однорядные подшипники (рис. 43), способные воспринимать также осевую нагрузку в обоих направлениях, если она не превышает одной трети радиальной нагрузки. Эти подшипники допускают угловое смещение внутреннего кольца относительно наружного до 10".

Цилиндрический роликовый подшипник с короткими цилиндрическими роликами (рис. 44, а ) допускает только радиальную нагрузку. Нагрузочная способность таких подшипников по сравнению с однорядными шариковыми больше примерно в 1,5 раза, а долговечность в 3,5 раза. Подшипник допускает осевое смещение колец, но не допускает их угловое смещение.

Конический роликовый подшипник (рис. 44, б ) с коническими роликами воспринимает радиальную и осевую нагрузку (радиально-упорный подшипник), обладает большой нагрузочной способностью, не допускает угловое смещение колец. Если угол контакта a>45°, то подшипник называется упорно-радиальным.

Радиально-упорный шариковый подшипник (рис. 44, в ) обладает по сравнению с коническими роликоподшипниками несколько меньшей нагрузочной способностью. Стандартные радиально-упорные шарикоподшипники выпускаются с углами контакта a=12, 26 и 36°.

Сферический шариковый подшипник (рис. 44, г ) имеет сферическую дорожку качения на наружном кольце, благодаря чему допускает значительное (до 2–3°) угловое смещение колец. Эти подшипники предназначены в основном для радиальной, но воспринимают и небольшую осевую нагрузку.

а	б	в	г

Следует заметить, что применение более дешевых шариковых подшипников не гарантирует экономичность конструкции, так как более дорогие роликовые подшипники дают возможность уменьшить размеры и массу подшипниковых узлов и значительно увеличить их долговечность.

Кроме шариковых, существуют сферические роликовые подшипники с бочкообразными роликами.

Для обеспечения возможности самоустанавливаться при монтаже, компенсируя при этом несоосность посадочных мест, радиальные шариковые и роликовые подшипники могут быть изготовлены со сферической посадочной поверхностью наружного кольца.

На рис. 45 изображен упорный шариковый подшипник, предназначенный для восприятия односторонней осевой нагрузки. Кольцо с внутренним диаметром d, монтируемое на вал и имеющее зазор с корпусом, называется тугим, кольцо с внутренним диаметром d 1 , предназначенное для посадки в корпус и имеющее зазор с валом, называется свободным. Упорный подшипник может быть самоустанавливающимся за счет сферической поверхности базового торца. Упорные подшипники могут быть роликовыми. Для восприятия осевой нагрузки в обоих направлениях существуют двойные упорные подшипники качения.

Рис. 45

Рис. 46

Кроме перечисленных, существуют подшипники: игольчатые с витыми роликами, радиально-упорные шариковые с разъемным (внутренним или наружным) кольцом, с контактным уплотнением, с защитными шайбами и другие конструктивные разновидности.

На рис. 46 показан подпятник качения, смонтированный из радиального и упорного шарикоподшипников качения. Для компенсации возможных перекосов вала под свободное кольцо упорного подшипника положена прокладка из мягкого металла или линолеума.

§ 20. СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ (ДО ХУЯ МАСЛА)

Для уменьшения потерь энергии на преодоление трения, обеспечения износостойкости, отвода теплоты из зоны контакта, уменьшения шума при работе, удаления продуктов изнашивания и предохранения от коррозии применяют смазывание трущихся поверхностей.

В зависимости от агрегатного состояния смазочные материалы бывают твердые (графит, слюда, дисульфид молибдена), пластичные (смазки литол, солидол, консталин, ЦИАТИМ, ВНИИНП), жидкие (вода, органические и минеральные масла) и газообразные (воздух, газы).

Твердые смазочные материалы применяются в следующих случаях:

– в условиях, когда жидкие и пластичные смазки неработоспособны (низкие или высокие температуры, глубокий вакуум, агрессивные среды) или недопустимы по технологическому процессу (электронные приборы и машины и др.);

– в условиях редких перемещений при предотвращении контактной коррозии (соединения с натягом, посадочные поверхности передвижных шкивов и др.);

– в условиях одноразового действия или очень малого общего срока службы.

Наиболее распространены жидкие и пластичные смазочные материалы. Нередко к смазочному материалу для придания ему новых свойств добавляют другие вещества, называемые присадками, например, противозадирные, противоизносные, антикоррозионные и другие присадки.

Пластичные смазочные материалы применяются в следующих случаях:

– в открытых узлах трения;

– в узлах с малой работой трения, допускающих длительную работу или выработку всего ресурса без смазки;

– в трудно герметизируемых узлах трения;

– в узлах трения, требущих надежной герметизации;

– в труднодоступных узлах трения, требующих длительной работы без замены смазки;

– в механизмах, работающих в широком диапазоне температур или режимов эксплуатации;

– при длительной консервации деталей;

– в подшипниках качения.

Жидкие смазочные материалы применяются в следующих случаях:

– зубчатые и червячные передачи, а также цилиндров и деталей паровых машин смазываются индустриальными и трансмиссионными маслами;

– двигатели автомобилей и самолетов смазываются моторными маслами;

– синтетические масла предназначены для работы в условиях высоких и низких температур;

– подшипники насосов, турбин, гребных винтов смазываются водой;

– для смазывания подшипников скольжения быстроходных валов применяют менее вязкие сорта масел;

– для подшипников тихоходных валов и при ударных нагрузках применяют более вязкие сорта масел или пластичные смазочные материалы;

– для смазывания подшипников качения.

Газообразные смазочные материалы применяются в следующих случаях:

– аэродинамические опоры в гироскопах, центрифугах, газовых турбинах, подшипниках машин для сжижения газов;

– аэростатические опоры в испытательных устройствах, приборах, прецизионных машинах при невысоких скоростях;

– в бесконтактных электромагнитных опорах при особо высоких скоростях вращения.

Роликовые подшипники более требовательны к качеству смазки, чем шарикоподшипники.

5.1. На что опираются валы и оси в работающей машине?

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.

По принципу работы различают:

● Подшипники скольжения.

● Подшипники качения.

5.2. Что такое подшипник скольжения?

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Цапфа вала скользит по опорной поверхности.

5.3. Достоинства и недостатки подшипников скольжения.

Достоинства:

● Малые габариты в радиальном направлении.

● Хорошая восприимчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Возможность применения при очень высоких частотах вращения вала.

● Возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки:

● Большие габариты в осевом направлении.

● Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания.

● Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.

5.4. Основные требования к материалам, применяемым в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей в паре с цапфой должны обеспечивать:

● Малый коэффициент трения.

● Высокую износостойкость.

● Хорошую прирабатываемость.

● Коррозионную стойкость.

● Малый коэффициент линейного расширения.

● Низкую стоимость.

Ни один из известных материалов всем комплексом этих свойств не обладает. Поэтому применяют различные антифрикционные материалы, наилучшим образом отвечающие конкретным условиям работы.

5.5. Основные материалы, применяемые в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей можно разделить на три группы.

● Металлические. Баббиты (сплавы на основе олова или свинца) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей прирабатываемостью, но дороги. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы, латуни, цинковые сплавы. При невысоких скоростях применяют антифрикционные чугуны.

● Металлокерамические. Пористые бронзографитовые или железографитовые материалы пропитывают горячим маслом и применяют при невозможности обеспечения жидкой смазки. Эти материалы способны достаточно долго работать без подвода смазочного материала.

● Неметаллические. Полимерные самосмазывающиеся материалы используют при значительных скоростях скольжения. Фторопласты имеют малый коэффициент трения, но высокий коэффициент линейного расширения. Подшипники с резиновыми вкладышами применяют с водной смазкой.

5.6. Критерии работоспособности подшипников скольжения.

Основным критерием является износостойкость трущейся пары.

Работа сил трения в подшипнике преобразуется в тепло, поэтому еще одним критерием является теплостойкость .

5.7. Что такое подшипник качения?

Готовый узел, который состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения.

5.8. Достоинства и недостатки подшипников качения.

Достоинства:

● Малые потери на трение.

● Высокий КПД.

● Незначительный нагрев.

● Высокая нагрузочная способность.

● Малые габаритные размеры в осевом направлении.

● Высокая степень взаимозаменяемости.

● Простота в эксплуатации.

● Малый расход смазки.

Недостатки:

● Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Большие габариты в радиальном направлении.

● Шум при больших оборотах.

5.9. Как классифицируются подшипники качения?

● По форме тел качения – шариковые и роликовые, причем роликовые: цилиндрические, конические, бочкообразные.

● По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные нагрузки), радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые нагрузки) и упорные (воспринимают осевые нагрузки).

● По числу рядов тел качения – однорядные, двухрядные и многорядные.

5.10. Основные причины потери работоспособности подшипников качения.

● Усталостное выкрашивание после длительной работы.

● Износ – при недостаточной защите от абразивных частиц.

● Разрушение сепараторов, характерное для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец.

● Раскалывание колец и тел качения – при недопустимых ударных нагрузках и перекосах колец.

● Остаточные деформации на дорожках качения в виде лунок и вмятин – у тяжелонагруженных тихоходных подшипников.

5.11. Как проводится подбор подшипников качения?

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из стандартных.

Различают подбор подшипников:

● По базовой статической грузоподъемности для предупреждения остаточной деформации – при частоте вращения не более 10 об/мин.

● По базовой динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) – при частоте вращения более 10 об/мин.

Муфты

6.1. Назначение муфт.

Муфта – устройство, основное назначение которого соединение валов и передача вращающего момента с одного вала на

другой без изменения его величины и направления.

Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт.

Некоторые типы муфт дополнительно:

● Компенсируют монтажные неточности.

● Разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя.

● Предохраняют машину от поломок в аварийных режимах.

● Поглощают толчки и вибрации.

6.2. Как классифицируют муфты?

● Постоянные (нерасцепляемые) муфты, обеспечивающие постоянное соединение валов.

● Муфты сцепления, обеспечивающие соединение (сцепление) или разъединение валов во время работы машины.

Управляемые муфты сцепления соединяют (разъединяют) валы по команде.

Самоуправляемые муфты сцепления срабатывают автоматически, соединяя и разъединяя валы в зависимости от специфики работы машины и принципа действия муфты.

6.3. Виды несоосности валов.

Вследствие погрешностей изготовления и монтажа имеется некоторая неточность взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального (соосного) расположения валов:

● Радиальное смещение, или эксцентриситет, D .

● Осевое (продольное) смещение l , которое может возникнуть также из-за деформации валов при изменении температуры.

● Угловое смещение, или перекос, g .

6.4. Что такое глухая муфта?

Глухая муфта образует жесткое соединение валов. Она не компенсирует ошибки изготовления и монтажа и требует точной центровки валов.

● Муфта втулочная – простейший представитель глухих муфт. Скрепление втулки с валами выполняют с помощью штифтов или шпонок.

● Муфта фланцевая – две полумуфты, соединенные болтами.

6.5. Что такое компенсирующая муфта?

Компенсирующая муфта компенсирует ошибки изготовления и монтажа, а именно несоосность валов. Компенсация обеспечивается конструктивными особенностями: вращающий момент

передается с одной полумуфты на другую через промежуточный диск или упругие элементы из резины.

6.6. Управляемые муфты.

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления:

● Муфта, работа которой основана на зацеплении (кулачковая или зубчатая). Состоит из двух полумуфт, на торцах которых имеются выступы (кулачки). В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключения одну из полумуфт устанавливают на валу подвижно в осевом направлении.

● Муфта, работа которой основана на трении (фрикционная). Состоит из двух полумуфт, одна из которых перемещается вдоль вала и прижимается ко второй полумуфте с определенной силой.

6.7. Муфты самоуправляемые (самодействующие).

● Муфта предохранительная с разрушающимся элементом. Состоит из двух полумуфт, соединенных цилиндрическим предохранительным элементом (штифтом). При перегрузке предохранительный элемент срезается и полумуфты размыкаются.

● Муфта предохранительная фрикционная. При перегрузке полумуфты размыкаются. Автоматически восстанавливается работоспособность машины после прекращения действия перегрузки.

● Муфта обгонная (свободного хода). Служит для передачи вращающего момента только в одном направлении.

● Муфта центробежная (пусковая). Автоматически соединяет валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение.

Список литературы

1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 408 с.

2. Куклин Н.Г., Куклина Г.С., Житков В.К. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 406 с.

3. Мархель И.И. Детали машин: Учебник. – М., Форум, Инфра-М, 2011. – 336 с.

4. Рощин Г.И., Самойлов Е.А. Детали машин и основы конструирования: Учебник. – М., Дрофа, 2006. – 415 с.

5. Сухих Р.Д. Детали машин и основы конструирования: Краткий толковый словарь. – СПб, Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010. – 43 с.

1. Общие сведения о машинах и механизмах…………….…..1

2. Соединения деталей машин…………………………...…….5

2.1. Неразъемные соединения ……………………….........6

2.2. Разъемные соединения…………………………….....9

3. Механические передачи…………………………………....12

3.1. Общие сведения о механических передачах……….12

3.2. Зубчатые передачи…………………………………...13

3.3. Цепные передачи…………………………………….22

3.4. Фрикционные передачи……………………………...22

3.5. Ременные передачи …………………………….........24

4. Валы и оси…………………………………………………..25

5. Опоры валов и осей………………………………………...27

6. Муфты………………………………………………….........31

Список литературы………………………………………....35

Валы, оси и опоры

К атегория:

Слесарно-механосборочные работы

Валы, оси и опоры

Для передачи вращательного движения наиболее характерными типовыми деталями и сборочными единицами машин являются валы, оси, цапфы, опоры валов и осей (подшипники) и муфты.

Валы - детали машин, предназначенные для передачи крутящего момента (мощности) и несущие на себе такие детали, как шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики. Валы могут иметь различное расположение: горизонтальное, вертикальное, наклонное. При работе валы подвергаются скручиванию, изгибу, поперечным и продольным нагрузкам. Валы могут быть цилиндрическими, гладкими, пустотелыми, ступенчатыми, коленчатыми, кривошипными и составными. Когда вал машины или механизма расположен по отношению к валу двигателя так, что осуществить их связь жесткими передачами невозможно, применяют гибкие проволочные валы, например привод дистанционного управления и контроля.

Оси - детали машин, служащие лишь опорой для вращающихся деталей (не передают крутящего момента). Оси могут быть неподвижными, когда вращающиеся детали свободно насажены, или подвижными, когда детали закреплены и вращаются вместе с осью. Форма осей цилиндрическая (прямая или ступенчатая).

Рис. 1. Валы, оси и опоры: а - вал на опорах; 6 - подшипник скольжения неразъемный, в, г - подшипник скольжения разъемный; 1 - цапфа-шип, 2 - опора (подшипник), 3 - шкив, 4 - монтажная шейка, J - опора (подшипник), 6 - зубчатое колесо, 7 - цапфа-шейка, 8 - ось, 9 - блок

Цапфы- опорные концы вала. В зависимости от положения на валу и направления нагрузки цапфы делятся на шипы, шейки и пяты.

Шип и шейка принимают радиальную нагрузку, пята- осевую. Шип располагается на конце вала или оси и через него не передается крутящий момент. Шейка ставится на участках вала, подверженных действию крутящего момента.

Шипы и шейки имеют цилиндрическую (реже коническую или шаровую) форму. Пята представляет собой торцовую часть оси или вала.

Опоры в машинах являются неподвижными частями, на которые опираются вращающиеся вал и ось. В зависимости от направления прилагаемой нагрузки опоры делятся на подшипники и подпятники.

Подшипники принимают радиальную нагрузку, а под-пятники - осевую. При комбинированной нагрузке используют радиально-упорные опоры. В зависимости от рода трения различают опоры скольжения и опоры качения.

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки; в последнем случае опора называется подпятником, а подшипник носит название упорного.

По принципу работы различают подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности, и подшипники качения, в которых между поверхностью вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения.

От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машин.

Подшипники, работающие по принципу трения скольжения, называются подшипниками скольжения .

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала.

Достоинства подшипников скольжения˸ малые габариты в радиальном направлении, хорошая восприимчивость ударных и вибрационных нагрузок, возможность применения при очень высоких частотах вращения вала и в прецизионных машинах, большая долговечность в условиях жидкостного трения, возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки подшипников скольжения˸ большие габариты в осевом направлении, значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания, необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей. Вышеперечисленные достоинства и недостатки определяют применение подшипников скольжения, например в молотах, поршневых машинах, турбинах, центрифугах, координатно-расточных станках, для валов очень больших диаметров, а также для валов тихоходных машин. КПД подшипников скольжения h=0,95...0,99.

Существует очень много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида˸ неразъемные и разъемные. Неразъемный подшипник (рис. 38) состоит из корпуса и втулки, которая должна быть неподвижно закреплена в корпусе подшипника или свободно заложена в него (ʼʼплавающая втулкаʼʼ). Неразъемные подшипники используют главным образом в тихоходных машинах, приборах и т. д. Их основное преимущество – простота конструкции и низкая стоимость.

Разъемный подшипник (рис. 39) состоит из основания и крышки корпуса, разъемного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъемные подшипники значительно облегчают сборку и незаменимы для конструкций с коленчатыми валами. Разъемные подшипники широко применяются в общем и особенно тяжелом машиностроении.

4.1. Валы и оси. Назначение, типы валов и осей и их формы поперченных сечений.

Оси и валы

В современных машинах наиболее часто используют вращательное движение. Вращающиеся детали, такие, как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, блоки, муфты и др., направляются и поддерживаются в пространстве при помощи валов и осей. Валы и оси в большинстве случаев имеют форму тел вращения.

Вращающиеся детали и поддерживающие их валы обычно жестко соединены посадками с натягом, шпонками, шлицами и т. п., поэтому валы могут быть только вращающимися, при этом они всегда передают вращающий момент и подвержены кручению.

На осях вращающиеся детали могут быть либо закреплены неподвижно, например, с помощью посадок с натягом, и тогда оси должны вращаться, либо установлены свободно, например, по посадке с зазором, на подшипниках качения и т. п., и тогда оси могут быть неподвижными; в любом случае оси не передают вращающий момент и их можно рассматривать как частную разновидность валов, не подверженных кручению.

Ось - это брус круглого или фасонного сечения, используемый для поддержания закрепленных на нем вращающихся деталей . При этом сама ось может быть как неподвижной, так и вращающейся. На ось действуют только изгибающие нагрузки.

Вал - это ось, предназначенная не только для поддержания деталей, но и для передачи крутящего момента .

По назначению валы можно разделить на коренные, т. е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, шпиндель станка), и передаточные (валы передач), используемые для передачи и распределения движения и несущие на себе детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. д. В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмиссионными.

Иногда используют торсионные валы (торсионы), т. е. валы обычно малых диаметров и передающих только вращающие моменты.

Валы по форме геометрической оси разделяют на прямые (рис. 83, а, б, в, г, д, е) и коленчатые (рис. 83, ж). Последние применяют для преобразования возвратно-поступательного движения (поршней) во вращательное (коленчатого вала) или наоборот. Особую группу представляют гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси, их применяют для привода механизированного инструмента, в зубоврачебных бормашинах и т. п.

Оси (детали) имеют прямую геометрическую ось. Коленчатые, гибкие, а также кулачковые валы относятся к специальным, и не рассмотрены в настоящем курсе.

Рис. 83. Основные типы валов и осей.

Наиболее распространены прямые валы и оси; они могут быть постоянного диаметра (рис. 83, а, б ) или ступенчатыми (рис. 83, в, г, д, е). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны.

Форма валов и осей по длине определяется распределением действующих сил и моментов, технологией изготовления и условиями сборки. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине валов и осей, как правило, не постоянны; вращающий момент передается обычно не по всей длине вала. Поэтому по условию равнопрочности целесообразно конструировать валы и оси ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления (форма балки равного сопротивления показана штриховой линией на рис. 83, в).

В поперечном сечений валы и оси могут быть сплошными (рис. 84, а ) или полыми (рис. 84, б), а по форме сечения - цилиндрическими (рис. 84, а, б), со шпоночными (рис. 84, в ) или шлицевыми (рис. 84, г )канавками, а также профильными (рис. 84, д ).

Применение полых валов и осей позволяет существенно снизить массу, например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75, масса полого вала будет меньше почти в 1,5 раза.

Рис. 84. Формы поперечных сечений валов и осей.

Концевые опорные участки валов и осей называют цапфами или шипами. Цапфы (шейки) валов и осей, когда в опорах установлены подшипники скольжения, выполняют: цилиндрическими (рис. 85, а, б )или коническими (рис. 85, в ). В большинстве случаев цапфы валов и осей для подшипников скольжения имеют цилиндрическую форму е закругленным переходом (галтелью) и с заплечиком (буртиком) для односторонней фиксации в осевом направлении (см. рис. 85, а ). В случае необходимости двусторонней осевой фиксации вала (оси) в одной опоре цапфа снабжается дополнительным буртиком (см. рис. 85, б ).

Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком, служащим для односторонней фиксации в осевом направлении (рис. 86, а ). Для двусторонней фиксации внутреннего кольца подшипника на валу или оси дополнительно предусматривают гайки (рис. 86, б ), стопорные пружинные кольца, устанавливаемые в кольцевые канавки (рис. 86, в ), и др.

Рис. 85. Цапфы валов и осей под подшипники скольжения. Рис. 86. Цапфы валов и осей под подшипники качения.

Участки валов и осей под посадку ступиц деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Чаще применяют цилиндрические посадочные поверхности как более технологичные. Конические посадочные поверхности, как правило, применяют для концевых участков валов.

Большое влияние на прочность, выносливость, надежность валов и осей оказывает форма переходных участков между соседними ступенями разных диаметров; Галтели должны иметь максимально возможные радиусы закруглений. Наиболее распространенная форма перехода - галтели постоянного радиуса (рис. 87, а ); желательно, чтобы радиус закругления R был больше 0,ld (d - диаметр вала). В особых случаях применяют галтели переменного радиуса кривизны ρ (рис. 87, в ).Правильным подбором кривизны галтели можно существенно снизить концентрацию напряжений и повысить несущую способность валов и осей. Снижению концентрации напряжений служит также применение разгрузочных выточек (рис. 87, а ).Канавку (рис. 87, г ) шириной 3-5 мм и глубиной 0,25-0,5 мм, удобную для выхода обрабатывающего инструмента, например шлифовального круга, используют в случае, когда определяющей является не усталостная прочность, а жесткость валов.

Рис. 87. Переходные участки валов и осей.

Наряду с концентрацией напряжений, вызванной геометрическими очертаниями деталей, на усталостную прочность влияет качество поверхностного слоя, т. е. микро-геометрия, как следствие механической обработки, и структурное состояние поверхностного слоя. Повышение усталостной прочности валов и осей достигается упрочнением материала посредством термической или химико-термической обработки, пластическим упрочнением (обкаткой роликами, обдувкой дробью), в результате которого в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия, а также шлифованием, полированием и, другими методами.

Осевые нагрузки на валы от насаженных на них, деталей передаются следующими способами:

значительные нагрузки - упором деталей в уступы (буртики, заплечики) на валу или, оси (рис, 88, а ) или посадкой деталей с соответствующим натягом (рис. 88, б );

средние нагрузки - гайками (см. рис. 88, б и88, в) или штифтами (рис. 88, г ), а также выше перечисленными способам;

легкие нагрузки -стопорными винтами (рис. 88, д )стопорными пружинными кольцами (рис. 86, в и 88, е ) и др.

Рис. 88. Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах и осях.

Основными материалами, для валов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для осей и валов, диаметры которых определяются, в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст4, Ст5 без термообработки. В ответственных и тяжело нагруженных конструкциях (когда критерием является прочность) используют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 40, 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГГ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей в зависимости от решаемых задач подвергают улучшению (закалке с высоким отпуском) или поверхностной закалке (нагрев ТВЧ) с низким отпуском.

Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь весьма высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или из азотируемых сталей типа 38Х2МЮА.

Валы, работающие в коррозионной среде, изготовляют из нержавеющих сталей, титановых сплавов.

Для изготовления коленчатых валов и валов с большими фланцами наряду со сталью применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.

Прямые стальные валы и оси диаметром до 150 мм обычно изготовляют из проката; валы большего диаметра и сложной формы - из поковок. Полые валы целесообразно изготовлять из стальных труб стандартных размеров или из специально заказываемого недоката труб (с утолщенными стенками).

Валы и оси обычно подвергают токарной обработке в центрах и последующему шлифованию посадочных поверхностей (цапф, шеек, шипов) или шлифованию по всей поверхности (высоконапряженные валы).

В последнее время появилась конструкция полых валов из композитных материалов, получаемых намоткой.

Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость и виброустойчивость.

4.2. Подшипники. Назначение и классификация. Подшипники скольжения: типы, области применения, достоинства и недостатки. Подшипники качения: классификация, их характеристики, области применения, достоинства и недостатки.

Подшипники

Подшипник - техническое устройство, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции.

Опора с упорным подшипником называется подпятником .

По направлению воспринимаемых нагрузок подшипник разделяют на радиальные (для восприятия нагрузок, перпендикулярных к оси вала), упорные (для восприятия нагрузок, направленных по оси вала), а также радиально-упорные (для восприятия комбинированных, преимущественно радиальных нагрузок; реже применяют упорно-радиальные - преимущественно для восприятия осевых нагрузок). По виду трения различают подшипники качения (получили наибольшее распространение) и подшипники скольжения

Основные типы подшипников, которые применяются в машиностроении:

· подшипники качения;

· подшипники скольжения;

· газодинамические подшипники;

· гидростатические подшипники;

· магнитные подшипники.

Подшипник скольжения

Подшипник скольжения - это опора или направляющая, в которой цапфа (опорная поверхность вала) скользит по поверхности вкладыша (подшипника) (рис. 90). Для уменьшения сил трения и износа подшипники смазывают. Основное применение имеют жидкие смазочные материалы, особенно при больших нагрузках и скоростях. Газообразные смазочные материалы (главным образом воздух) применяют для высокоскоростных опор. Для тихоходных опор используют пластичные смазочные материалы. Для подшипников, работающих, в экстремальных условиях, применяют самосмазывающиеся материалы, т. е. материалы, которые содержат компоненты или покрытия, обеспечивающие смазывание.

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения подразделяют, на две группы; радиальные и упорные (осевые). При совместном действии радиальных и осевых нагрузок применяют совмещенные опоры, в которых осевую нагрузку воспринимают торцы вкладышей (рис. 91) или специальные гребни.

По принципу образования подъемной силы в масляном слое подшипники делят на гидродинамические и гидростатические . Для разделения трущихся поверхностей слоем смазочного материала в нем необходимо создать избыточное давление. В гидродинамических подшипниках это давление возникает только при относительном движении поверхностей вследствие затягивания масла в клиновой зазор. В гидростатических подшипниках давление создается насосом. Основное распространение получили подшипники с гидродинамической смазкой как наиболее простые.

Подшипники скольжения применяют преимущественно в тех областях, в которых нецелесообразно или невозможно использовать подшипники качения:

при ударных и вибрационных нагрузках (используется хорошая демпфирующая способность масляного слоя);

при особо высоких частотах вращения;

для точных опор с постоянной жесткостью;

для опор с малыми радиальными размерами;

для разъемных опор;

для особо крупных и миниатюрных опор;

при работе в экстремальных условиях (высокие температуры, абразивные и агрессивные среды);

для неответственных и редко работающих механизмов.

Подшипники скольжения легче и проще в изготовлении, чем подшипники качения, бесшумны, обладают постоянной жесткостью и способностью работать практически без износа в режиме жидкостной и газовой смазки, хорошо демпфируют колебания.

К недостаткам подшипников скольжения можно отнести сложность системы смазки для обеспечения жидкостного трения, необходимость применения цветных металлов, повышенные пусковые моменты и увеличенные размеры в осевом направлении. При работе с жидкими и пластичными смазочными материалами температура подшипника не может превышать 150 °С. Однако некоторые самосмазывающиеся материалы допускают работу при температурах до 700 °С.

Подшипники скольжения широко применяют в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, насосах, компрессорах, центрифугах, прокатных станах, в тяжелых редукторах и других машинах.

Рис. 90. Радиальный подшипник скольжения: Рис. 91. Радиально-упорный

1 - корпус; 2 - вкладыш; 3 - отверстие для подачи подшипник скольжения

смазочного материала; 4 - цапфа; 5 - маслораздаточная канавка

Подшипник скольжения (см. рис. 90) содержит корпус 1, вкладыш 2 , смазывающие и защитные устройства. Корпус подшипника цельный или разъемный изготовляют как отдельную деталь либо деталь, присоединяемую к машине. Иногда корпус подшипника выполняют встроенным, т. е. как одно целое с корпусом машины или подвижной деталью (например, с шатуном). Вкладыши используют для того, чтобы не выполнять весь корпус из дорогих антифрикционных материалов. После износа вкладыши заменяют. В массовом производстве вкладыши штампуют из ленты с нанесенным на нее антифрикционным материалом, В мелкосерийном и единичном производстве применяют сплошные или разъемные втулки, а также биметаллические вкладыши, в которых тонкий слой антифрикционного материала наплавляют на стальную, чугунную или бронзовую основу. Для распределения смазочного материала, поступающего из канала 3, по рабочей поверхности цапфы 4 вкладыши снабжают смазочными канавками 5. Канавки располагают в ненагруженной зоне и часто совмещают с разъемом.

Износ рабочих поверхностей является основной причиной выхода из строя подшипников скольжения. Абразивное изнашивание связано с попаданием в смазочный материал абразивных частиц с размерами больше толщины масляного слоя и работой подшипника при неблагоприятных режимах трения в периоды пусков и остановок. При действии больших контактных давлений и температур возможно схватывание рабочих поверхностей подшипника.

Усталостные разрушения подшипников возникают при циклически действующих нагрузках, например, в поршневых машинах, машинах ударного и вибрационного действия. Значительное повышение температуры приводит к недопустимым изменениям необходимых свойств смазочных материалов, а иногда к выплавлению заливки вкладыша или заклиниванию вала в подшипнике. Разрушения подшипников могут быть также связаны с потерей устойчивости вращения цапфы при самовозбуждающихся колебаниях (автоколебаниях).

Подшипниковые материалы должны обеспечивать низкое значение коэффициента трения, высокую износостойкость и сопротивление усталости. Дополнительными требованиями являются хорошая теплопроводность, прирабатываемость, смачиваемость маслом, коррозионная стойкость и обрабатываемость, низкий коэффициент линейного расширения и низкая стоимость. Ни один из известных материалов одновременно всеми этими свойствами не обладает. Поэтому в технике применяют большое количество различных антифрикционных материалов, наилучшим образом отвечающих конкретным условиям.

Валы и оси, как правило, стальные, реже из высокопрочного чугуна, например, коленчатый вал двигателей ГАЗ. Цапфы должны иметь высокую твердость и шлифованную или полированную поверхность, чтобы выдержать несколько замен более дешевых, чем вал, вкладышей. Материалы вкладышей можно разделить на три группы: металлические материалы, металлокерамические и неметаллические.

Металлические материалы . Сплавы на основе олова или свинца с добавлением сурьмы, меди и других элементов, называемые баббитами (по имени американского изобретателя Баббита), обладают высокими антифрикционными качествами, хорошей прирабатываемостью, но дороги и имеют относительно невысокое сопротивление усталости. Их применяют в качестве тонкослойных покрытий или в качестве заливки. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы и латуни (сплавы на основе меди), алюминиевые и цинковые сплавы. В паре с закаленной цапфой при наличии хорошей смазки применяют антифрикционные чугуны.

Металлокерамические материалы .Пористые бронзографитовые и железографитовые материалы, получаемые методом порошковой металлургии, пропитывают горячим маслом и применяют в условиях, в которых невозможно обеспечить надежную жидкостную смазку. При небольших давлениях и скоростях эти материалы способны достаточно долго работать без внешнего подвода смазочного материала.

Неметаллические материалы. В качестве вкладышей применяют пластмассы, резину, графитовые материалы и прессованную древесину. Текстолит, ДСП (древесно-слоистый пластик) и прессованную древесину используют в подшипниках для тяжелого машиностроения. Полимерные самосмазывающиеся материалы на основе полиамидов, полиацетилена, политетрафторэтилена и различных смол используют для подшипников, работающих в температурном диапазоне −200...+280 °С при значительных скоростях скольжения. Фторопласты (полимеры и сополимеры галогенопроизводных, этилена и пропилена) обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической инертностью, но высоким коэффициентом линейного расширения и низким коэффициентом теплопроводности. Подшипники с резиновыми вкладышами хорошо работают с водяной смазкой.

В экстремальных условиях используют графитовые вкладыши, которые обладают низким коэффициентом трения (f = 0,04...0,05) в температурном диапазоне от −200 до + 1000°C, хорошей теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Эти материалы применяют в подшипниках с газовой смазкой, где они могут работать без смазочного материала в периоды пусков и остановок.

Основными критериями работоспособности подшипников являются износостойкость, сопротивление усталости антифрикционного слоя, теплостойкость и виброустойчивост ь.

Подшипники скольжения должны работать со смазочным материалом. Наилучшие условия для работы подшипников создаются при жидкостной смазке, когда осуществляется полное разделение трущихся поверхностей жидким смазочным материалом с объемными свойствами. При граничной смазке трение и износ определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. При полужидкостной смазке частично осуществляется жидкостная смазка. Основной расчет подшипников скольжения - это расчет минимальной толщины масляного слоя, который при установившемся режиме работы должен обеспечивать жидкостную смазку. Тепловые расчеты проводят для определения рабочих температур подшипника. В ряде случаев проверяют подшипник на виброустойчивость путем решения дифференциальных уравнений гидродинамики. Расчеты по критерию износостойкости из-за сложности пока не нашли широкого применения.

Условные расчеты позволяют в простейшей форме оценить пригодность выбранного материала и размеров подшипника для конкретных условий работы на основании опыта конструирования и эксплуатации машин. Режим работы считают допустимым, если выполнены условия, которые ограничивают износ и тепловыделение:

р m = F r / (dl ) £ [p ]; p m v £[pv ]; v £ [v ]; t £ [ t ],

Этот расчет обычно используют как основной для подшипников с полужидкостной смазкой и как предварительный для подшипников с жидкостной смазкой. В табл. 14 приведены допускаемые значения [р ], [v ] и [pv ]для некоторых подшипниковых материалов.

Таблица 14.

Допускаемые режимы работы для подшипниковых материалов