Классификация и устройство.
Подшипник качения (рис. 1) состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец, между которыми помещены тела качения 3. Для предохранения чел качения от смещения и соприкосновения между собой их отделяют друг от друга сепаратором

4. Подшипники качения по направлению действия нагрузки относительно оси вращения делятся на радиальные, упорные, радиально-упорные и упорно-радиальные (рис. 2); по размерам (ширине и наружному диаметру) - на серии от сверхлегкой до тяжелой. В зависимости от формы тел качения подшипники делятся па шариковые и роликовые (цилиндрические, сферические, конические): по конструктивным особенностям они бывают несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся (допускающие перекос оси внутреннего кольца по отношению к оси наружного), одно-, двух- и четырехрядные (в зависимости от количества тел качения, расположенных по ширине подшипника), со стопорными шайбами, с уплотнениями и без них.
Кольца и тела качения подшипников в основном изготавливают из марок ШХ15, ШХ15СГ (ГОСТ 80Ь и марок 1НХЛ1СГ, 18ХГТ, 2иХ21ИД (по специальным ТУ) с твердостью поверхностей ИКС 60—65. В некоторых случаях используют стали других марок (нержавеющие, жаропрочные и др.). Сепараторы делают из листовой стали, бронзы, текстолита, нейлона. Для подшипников, которые должны иметь антимагнитные и антикоррозионные свойства, детали выполняются из специальных немагнитных нержавеющих сталей или из бериллиевой бронзы.

Шариковые подшипники.
Основные типы подшипников стандартизованы по ГОСТ 3395-75. Радиаль-ные однорядные подшипники бывают обыкновенные (рис. 3, а, ГОСТ 8338-75) и с плавкой па наружном кольце, в который вставляется установочное пружин-ное кольцо (рис. 3, в), предохраняющее подшипник от осевого смещения в малога-баритном корпусе. Они могут иметь одну или две защитные шайбы (рис. 3, б), фетровые или резиновые уплотнения, предохраняющие подшипник от загрязнений и сдерживающие длительное время смазку. Однорядные радиальные подшипники могут воспринимать в обе стороны осевую нагрузку. Перекос осей внутреннего и наружного колец в рассмотренных подшипниках не должен превышать 0,25°. Подшипники с канавками, защитными шайбами и уплотнениями применяют в некоторых случаях, когда необходимо иметь, минимальные габариты и массу подшипниковых узлов и нет условий для подачи смазки в подшипники. Радиальные двухрядные сферические подшипники (рис. 3, г) предназначены для восприятия радиальной нагрузки, но могут воспринимать одновременно и неболь-шую двухстороннюю осевую нагрузку. Эти подшипники допускают значительный пе-рекос осей - до 3°. Радиально-упорные подшипники предназначены для восприятия радиальных осе-вых нагрузок. Они бывают однорядные (ГОСТ 832-78) и двухрядные ГОСТ 4252-75); разъемные (снимаются наружные кольца) и неразъемные, допускающие осевую нагруз-ку в одну или обе стороны. Допускаемая осевая нагрузка зависит от угла контакта тел значения (рис. 3, д), который изменяется в пределах от а - 12 ° до а = 36°. ростом угла увеличивается допускаемая осевая нагрузка на подшипник. Упорно-радиальные подшипники предназначены для восприятия большой осевой и небольшой радиальной нагрузок. Упорные подшипники бывают одинарными (рис. 3, е) и двойными и могут воспри-нимать нагрузки, действующие в одну или обе стороны. Применяют их в случае загруз-ки опор значительными осевыми нагрузками. В механизмах приборов подшипники качения применяются только когда без них нель-зя обойтись. Чаще всего применяют шариковые подшипники, превосходящие ролико-вые по допускаемой частоте вращения вследствие меньшей массы тел качения. Для уменьшения габаритов используют также малогабаритные подшипники (рис. 3, ж) и подшипники с насыпными шариками. В малогабаритных подшипниках отсутствуют внутреннее кольцо и сепаратор, а роль кольца выполняет вал. В подшипниках с на-сыпными шариками отсутствуют оба кольца и сепаратор, а роль колец выполняют вра-щающиеся друг относительно друга детали, например ось и корпус.

Роликовые подшипники.
Основные типы этих подшипников также стандартизированы по ГОСТ 3395-75. Они имеют большую нагрузочную способность, чем
шарикоподшипники (примерно в 1,7 раза). В зависимости от направления восприни-маемой нагрузки и форм тел качения роликовые подшипники бывают: радиальными однорядными с цилиндрическими и игольчатыми роликами; радиальными двухрядны-ми с цилиндрическими и бочкообразными роликами; радиально-упорными с кониче-скими роликами - однорядные, двухрядные и четырехрядные; упорными с цилиндриче-скими, коническими и сферическими роликами.

рис. 3 Типы роликовых подшипников

Радиальные однорядные подшипники с цилиндрическими роликами без бортов на од-ном кольце (рис. 4, а) могут передавать лишь радиальную нагрузку. Подшипники е бортами на обоих кольцах (рис. 4, б) воспринимают незначительную осевую нагруз-ку в обоих направлениях. Игольчатые подшипники с длинными роликами неболь-шого диаметра d = 4... 10 мм (рис. 4, д) применяются для восприятия больших радиальных нагрузок (осевых нагрузок не воспринимают). Для уменьшения габаритов радиальные однорядные подшипники изготовляют без одного из колец. Когда опоры воспринимают значительные радиальные нагрузки и размеры опорного узла в радиальном направлении

Рис. 4. Типыроликовых подшипнков

ограничены, применяют двухрядные подшипники с цилиндрическими роликами (рис. 4, г). В подшипниках с цилиндрическими роликами не допускается перекос осей. Двухрядные подшипники с бочкообразными роликами (рис. 4, д) допускают поворот его оси относительно оси внутреннего кольца на 2-3°. Эти подшипники могут воспринимать небольшую осевую нагрузку. При действии значительных радиальных и осевых нагрузок применяют радиально-упорные подшипники с коническими роликами (рис. 4, с). С увеличением угла конуса, а увеличивается допускаемая осевая нагрузка. При действии больших нагрузок и ограниченных размерах опор в радиальном направлении применяют двух- и четырехрядные подшипники. Перекос осей колец здесь также недопустим.

Опорные узлы.
Подшипники устанавливают непосредственно в корпусе либо в специальных стаканах, втулках, деталях (зубчатых колесах, шкивах, рычагах). Конструкция опорного узла должна надежно фиксировать вал и подшипник в осевом направлении. Для предохранения деталей узла от температурных напряжений должен быть преду-смотрен зазор S в осевом направлении, больший вероятной разности температурных деформаций вала и корпуса. В узлах с радиально-упорными подшипниками зазор S при сборке регулируется так, чтобы при установившемся температурном режиме он был близок к нулю.

Расчет и выбор подшипников качения

Расчет подшипников качения на прочность нормирован (ГОСТ 18855-73, 18854-73) в соответствии с рекомендациями СЭВ и осуществляется по эмпирическим зависимостям, полученным на основе результатов многочисленных испытаний.

Нагрузки.
По направлению действия на подшипники нагрузки делятся на радиальные Fr, осевые Fа и комбинированные (рис. .2), а по характеру нагрузки — на постоянные, переменные вибрационные и ударные. В расчетах используют понятие эквивалентной нагрузки. При динамических условиях эксплуатации, когда частота вращения п > 1 об/мин, эквивалентная динамическая нагрузка Р для радиальных и радиально-упорных подшипников — это такая постоянная радиальная нагрузка, при которой подшипник с вращающимся внутренним кольцом так же долговечен, как при дей-ствительных условиях загрузки и вращения. При статических условиях эксплуа-тации, когда частота вращения п < 1 об/мин или подшипник не вращается при эксплуа-тации, эквивалентная статическая нагрузка Р0 вызывает такие же остаточные дефор-мации, как при действительных условиях загрузки.
Величина эквивалентной динамической нагрузки для радиальных шарикоподшипников и радиально-упорных шарико- и роликоподшипников при постоянном ре-жиме загрузки

(1)

где Fr и Fa - соответственно постоянные по величине и направлению радиальная и осевая нагрузки, Н; X, У -коэффициенты радиальной и осевой нагрузок; V — коэффи-циент вращения (V = 1 при внутреннем кольце, вращающемся по отношению к нагруз-ке; V = = 1,2 при внутреннем кольце, неподвижном по отношению к нагрузке); Кб — коэффициент безопасности; Кт — температурный коэффициент (приводятся в ГОСТ 18855—73).
Формула (1) применяется в тех случаях, когда Fа/VFг > е (е— вспомогательный коэффициент; при Fa /(VFr) < е для однорядных подшипников принимается X=1 и У = 0.
В опорах с регулируемыми радиально-упорными подшипниками при загрузки в радиальном направлении и отсутствии осевого зазора и натяга возникает осевая сила S=eFr. Её нужно учитывать при определении осевой нагрузки Fа на другой подшипник.
При статических условиях эксплуатации в качестве эквивалентной статической нагрузки для шариковых радиальных и радиально-упорных, радиально-упорных роли-ковых подшипников принимается большее из значений

(2)

(3)

где Х0, К0— коэффициенты радиальной и осевой нагрузки, приведенные в ГОСТ 18854-73.
При переменном режиме загрузки под эквивалентной нагрузкой понимается условная нагрузка, при которой обеспечивается долговечность, достигаемая подшипником в дей-ствительных условиях работы (при переменных уровнях нагрузок и частотах враще-ния). Если нагрузка от Рmin до Рmax меняется по линейному закону, то эквивалентная нагрузка

(4)

При более сложном законе изменения нагрузок в течение долговечности L (в миллионах оборотов) эквивалентная нагрузка

(5)

где P1, P2, P3, … Pn, — постоянные нагрузки, действующие в течение L1, L2, L3, … Ln миллионов оборотов; L— общее число миллионов оборотов за весь срок службы.

Грузоподъемность подшипников.
Способность подшипников воспринимать действующие внешние нагрузки без нарушении функциональных основных свойств называется грузоподъемностью. зависимости от условий эксплуатации ее подразделяют на динамическую С и статическую С0. Динамическая и статическая грузоподъемности являются основными параметрами, по которым в зависимости от условий эксплуатации выбирают размеры подшипников. Динамическая грузоподъемность радиальных и радиально-упорных подшипников является такой постоянной радиальной нагрузкой, которую каждый из группы иден-тичных подшипников (с неподвижным наружным кольцом) сможет воспринимать в те-чение расчетного срока службы, исчисляемого в одни миллион оборотов внутреннего кольца. Ста- Динамическая грузоподъемность является такой статической нагрузкой (радиальной для радиальных и радиально-упорных подшипников и центральной осевой - для упор-ных и упорно-радиальных), которая вызывает общую остаточную деформацию тела ка-чения и кольца в наиболее нагруженной точке контакта, равную 0,0001 диаметра тела качении.

Долговечность подшипников.
Под долговечностью понимается число оборотов (или часов при заданной посто-янной частоте вращения), которое подшипник должен проработать до появления признаков усталости материала любого кольца или тела качения. Под номинальной долго-вечностью (расчетным сроком службы) в миллионах оборотов /. или в часах Lн понима-ется срок службы подшипников, в течение которого не менее 90 % из группы идентич-ных подшипников при одинаковых условиях должны отработать без появления призна-ков усталости металла (выкрашивания на поверхности или отслаивания металла). На долговечность существенное влияние оказывают величина и направление нагрузки, частота вращения n (в об/мин), смазка, динамическая грузоподъемность и другие фак-торы. С учетом основных факторов долговечность можно найти по формулам

(6)

или

(7)

где р = 3 для шарикоподшипников и р = 10/3 для роликоподшипников. Формула (6) справедлива при п > 10 об/мин, а при n < 1 об/мин действующую нагрузку рассматривают как статическую и расчет ведут по статический грузо-подъемности. Для облегчения расчетов в справочной литературе [7] приведены таблицы зависимости L от С/Р и Lh от С/P и п.

Выбор подшипников.
При выборе подшипников по динамической грузоподъемности предвари-тельно намечают тип подшипника с учетом условий эксплуатации и конструк-ции узла, определяют эквивалентную нагрузку Р и на основе требуемой долговеч-ности подшипника L (Lh) с учетом требуемой частоты вращения и по табли-це [7] находят отношение С/Р п по нему — динамическую грузоподъёмность С. По найденному значению С выбирают конкретный типоразмер подшипника и его габаритные размеры. Проверяют, чтобы частота вращения не превышала предельной частоты вращения, приведенной в каталоге. После этого назначают класс точности подшипника с учетом требований, предъявляемых к сборочной единице.
При выборе подшипников по статической грузоподъемности также вначале наме-чают тип подшипника и находят эквивалентную нагрузку Р0. Приравнивают ее к стати-ческой грузоподъемности подшипника С0 = Р0 и по найденному значению С0 выбирают конкретный типоразмер подшипника и его габаритные размеры. После этого назначают класс точности подшипника.
Точность. Подшипники качения выполняют с различной точностью. Всего пить классов точности (0; 6; 5; 4: 2) — от нормального (0) до сверхвысокого (2) класса (ГОСТ 520—71). Для различных типов и серий подшипников в зависимости от класса точности установлены допуски на основные размеры (диаметры колец, шариков, ширину), допуски на точность вращения и т. д. Повышенные классы точности подшипников применяют лишь для точных приборов.

Посадки подшипников.
Необходимы посадки подшипников качения (СТ СЭВ 145—75) осуществляют подбором предельных отклонений сопряженных деталей вала и корпуса. Посадки внут-ренних колец подшипников на вал осуществляются по системе отверстия, наружных колец в корпус — по системе вала.
Выбор той или иной посадки зависит от условий работы подшипника: характера нагрузок, вращения внутреннего или наружного кольца, условий монтажа и т. д. Применяются посадки с зазором и натягом. Если вал вращается, то его соединение с внутренним кольцом осуществляется по посадке с натягом, а наружного кольца — по посадке с зазором или переходной посадке, которая допускает зазор. Если вращается корпус — то наоборот. Это необходимо для предотвращения заклинивания тел качения и обеспечения равномерного износа дорожек качения колец в неподвижных деталях.

Пример 1. Определить величину динамической грузоподъемности радиально-упорного однорядного шарикоподшипника 36205, у которого z = 12; i=1; Dт = 7,94 мм; а = 12°, dт = 38,5 мм.
Находим cosa=0.97815
При по табл. Находим fc=6.11
По формуле определяем величину динамической грузоподъемности

Табл 1. Коэффициент f_c для шариковых радиальных и раднально-упорных подшип-ников

	tc для подшипников					fc для подшипников
	Радиальных одноряд-ных, ради-ально-упорных одно- и двух- ряд-ных	Радиаль-ных двухряд-ных	Радиаль-ных сфери-ческих	магнит-ных		Радиальных одноряд-ных, ради-ально-упорных одно- и двух- ряд-ных	Радиаль-ных двухряд-ных	Радиаль-ных сфери-ческих	магнит-ных
0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18	4,76 5,00 5,21 5,39 5,54 5,66 5,86 6,00 6,08 6,11	4,51 4,74 4,94 5,11 5,24 5,37 5,55 5,68 5.76 5,79	1,76 1,90 2,03 2,15 2,27 2,38 2,61 2,82 3,03 3,23	1,65 1,77 1,89 1,99 2,10 2,19 2,39 2,58 2,76 2,94	0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40	6,11 6,08 6,01 5,93 5,83 5,71 5,58 5,43 5.27 5.10 4,92	5,79 5,76 5,70 5,62 5,52 5,41 5,30 5,15 5,00 4,84 4,67	3,42 3,59 3,75 3,90 4,02 4,11 4,18 4,20 4,21 4,18 4,12	3,11 3,27 3,43 3,58 3,72 3,86 3,97 4.06 4,12 4,15 4,17

Метод расчета предельной частоты вращения

Метод распространяется на шариковые и роликовые подшипники качеиия общего применения, се стальным штампованным сепаратором, работающие при температуре не выше 100° С. Предельную частоту вращения в об/мин определяют по формуле

где d_mn — скоростной параметр, наименьшие значения которого в зависимости от типа подшипника и вида смазочного материала приведены в табл. 2; К — коэффициент, учи-тывающий влияние воспринимаемой подшипником нагрузки по величине долговечно-сти, определяют по графику (рис. 5).

Рис. 5. Коэффициент К, учиты-вающий влияние нагрузки
в зависимо-сти от величины долговечности

Примечание. Для подшипников сверхлегких и особо легких серий диаметров пре-дельная частота вращения увеличивается на 10% по сравнению с рассчитанной по приведенной формуле.

Для повышения предельной быстроходности исключительное значение имеет смаз-ка и охлаждение подшипника. При повышении предела частоты вращения желательно, чтобы подшипник работал в условиях жидкостного трения, а количество смазки и ин-тенсивность ее прокачки или циркуляции отбирали и отводили тепло, развивающееся в подшипнике вследствие работы трения.
Рекомендуемые значения параметров частоты вращения для подшипников приведе-ны в табл. 3.
Посадка внутреннего кольца подшипника на вал производится по системе отвер-стия, а наружного кольца в корпус — по системе вала.

Табл. 2. Скоровтной параметр в зависимости от типа подшипника и вида смазки

При угле контакта 36° для радиально-упорных шариковых подшипников скоро-стной параметр снижается на 25%.

Табл. 3. Рекомендуемые значения параметра частоты вращения (d_mn) для подшипников качения различных типов

Посадки для подшипников качения

Для соединения подшипников качения с валами (осями) и корпусами машин и ме-ханизмов установлены посадки и их обозначения, приведенные в табл. 4.

Табл. 4. Посадки и их обозначение

Обозначения посадок для подшипников с индексом п указывают только на сбороч-ных чертежах (например, ТП, НП, ПП и др.). На чертежах детали — вала или корпуса — указывают посадки без индекса п (например Т, Н, П и др.).
В подшипниках качения поле допуска на размер отверстия внутреннего кольца рас-полагается в минус от нулевой линии. Поэтому сопряжения валов, выполненных по посадкам ОСТ, с внутренними кольцами подшипников дают посадки другого характе-ра, чем по системе ОСТ допусков и посадок для вала в системе отверстия.
В зависимости от характера требуемого соединения поля допусков валов выбирают но системе отверстия:
Г1, Т1 Н1, С1,Д1, по ОСТ НКМ 1011 для классов точности 5 и 4;
Г, Т, Н, П, Д, X по ОСТ 1012 для классов точности 0 и 6.
Под посадку шарико- и роликоподшипников па закрепительных или закрепительно-стяжных (буксовых) втулках предельные отклонения валов назначают по 3-му классу точности ОСТ 1023 (отклонения вала В3), а в узлах, не требующих точного вращения, — по классу точности За ОСТ НКМ 1027 (отклонения вала Вза) или по 4-му классу точности ОСТ 1024 (отклонения вала B4).
В зависимости от характера требуемого соединения ноля допусков отверстий кор-пусов выбирают по системе вала:
Г1, Т1 Н1, С1 по ОСТ НКМ 1024 для классов точности 5 и 4;
Р7 для классов точности 0 и 6 по табл. 5.

Табл. 5. Отклонения по Р₇ для отверстий тонкостенных корпусов

Выбор посадок

Виды нагружения колец. Выбор посадки в основном зависит от величины, направле-ния и характера, действующих на подшипник нагрузок, от типа и размера подшипника и способа установки его в узел, а также от класса точности подшипника. Условия работы внутренних и наружных колец зависят главным

образом от того, вращается данное кольцо относительно действующей на подшипник радиальной нагрузки или оно неподвижно. В соответствии с этим различают следующие виды нагружения колец (по ГОСТ 3325-5о): местное, циркуляционное и колебательное.
Местное нагружение — кольцо воспринимает радиальную нагрузку Рп постоянную но направлению, лишь ограниченным участком окружности дорожки качения и передает ее соответствующему ограниченному участку посадочной по-верхности вала или корпуса (рис. 16 и 17).
Циркуляционное нагружение — кольцо воспринимает радиальную нагрузку Рп последовательно всей ок-ружностью дорожки качения и передает ее всей посадочной поверхности вала или корпуса. Такой характер нагружения кольца получается при его вращении и при постоянно направленной нагрузке Рп или, наоборот, при радиальной нагрузке Рв, вращаю-щейся относительно рассматриваемого кольца (рис. 18 и 19).

Колебательное нагружение — кольцо воспринимает ограниченным участком окружности дорожки качения равнодействующую Рр двух ради-альных нагрузок (Рп — постоянной но направлению и Рв — вращающейся

и меньшей по величине) и передает ее соответствующему ограниченному участку поса-дочной поверхности вала или корпуса (рис. 20 и 21). Равнодействующая сил Рп и Рв за один оборот вала колеблется между точками А и В. Если нагрузка Рп постоянного на-правления меньше вращающейся Рв, то кольца являются либо местно нагруженными, либо циркуляционное нагруженными, в зависимости от схемы приложения сил (рис. 22).

Метод расчета долговечности

Номинальная долговечность подшипника в миллионах оборотов

(16)

где р — степенной показатель, для шариковых подшипников р = 3, роликовых р = 10/3; С — динамическая грузоподъемность, кгс; Р — эквивалентная динамическая нагрузка, кгс.
Числовые значения долговечности L в зависимости от отношения приведены в табл. 61 и 62.
Долговечность подшипника в часах

(17)

где n — частота вращения подшипника, об/мин.
Числовые значения долговечности L в зависимости от отношения и n
приведены в табл. 63 и 64.
Числовые значения Lh можно определить и по уравнению

(18)

числовые значения f_n приведены в табл. 65 и 66.
При n = 1 ÷ 10 об/мин долговечность подшипника определяют, как при n = 10 об/мин. Если n < 1 об/мин, подшипник следует проверять на статическую грузоподъемность.
Числовые значения L_h можно также определить по величине коэффициента долговечности подшипника:

Числовые значения L_hв зависимости от коэффициента долговечности f_n приведены в табл. 67 и 68.
Следует иметь в виду, что при точном расчете, правильном проектировании, изготовлении опор, эксплуатации фактическая долговечность подшипников окажется существенно выше расчетной долговечности, являющейся наименьшей для 90% определенной партии подшипников.

Табл. 61. Числовые значения долговечности L шарикоподшипников, млн. оборотов

Табл. 62. Числовые значения долговечности L роликоподшипников, млн. оборотов

Табл. 63. Числовые значения долговечности шарикоподшипников Lh, ч

продолжение Табл. 63

Пример 3. Определить номинальную долговечность Lh радиального однорядного шарикоподшипника 308 при чисто радиальной нагрузке Fr = 280 кгс (т.е. Fа = 0), С = 3190 кгс, С0 = 2270 кгс, n = 800 об/мин, по условиям работы подшипника V = Кб = Кт = 1, а согласно примечанию 1 к табл. 52 х = 1.
Находим по формуле (9)

кгс.

Номинальная долговечность

об/мин

или

Приблизительно Lh можно определить по величине отношенияс C/P и частоте вращения n, приведенным в табл. 63. В данном случае при 3190/280=11.4 и при 800 об/мин Lh = 32 000 ч.