Опоры валов и осей. Валы, оси и их опоры

Применяемые материалы.

Валы и оси вращаются в опорах, в качестве которых служат подшипники качения и скольжения. Опорные части валов и осей называют цапфами , при этом концевые цапфы для подшипников скольжения называют шипами , а промежуточные – шейками (рис. 27 а). Концевые опорные поверхности валов и осей, предназначенных для восприятия осевых нагрузок, называют пятами , а подшипники скольжения, в которых они размещаются, - подпятниками (рис. 27 б).

Конструктивная форма вала или оси во многом определяется видом их соединения с насаженными на них деталями. Виды этих соединений весьма разнообразны и выбираются в соответствии с величиной и родом передаваемых нагрузок, а также требуемой точностью центрирования насаженных деталей. Чаще всего детали закрепляются на валу или оси шпонками или шлицами, либо посадкой с гарантированным натягом.

Для осевого фиксирования деталей (зубчатых колёс, подшипников и др.) на валах выполняют упорные буртики или заплечики (рис. 28). Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров выполняют радиусной галтелью (рис. 28 а) или в форме канавки (рис. 28 б).

Для изготовления валов и осей используют углеродистые стали марок 20, 30, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х 40ХН и др.

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации.

Общие сведения об опорах валов и осей

Опорами называют устройства, обеспечивающие вращение подвижных частей механизма и непосредственное восприятие давления со стороны вала или оси. В зависимости от вида трения опоры (подшипники) бывают с трением скольжения и трением качения .

Опоры с трением скольжения имеют следующие преимущества :

– они могут работать при высоких скоростях и нагрузках в агрессивных средах;

– они малочувствительны к ударным и вибрационным нагрузкам;

– их можно устанавливать в местах, недоступных для установки подшипников качения, например на шейках коленчатых валов.

К основным недостаткам опор с трением скольженияотносятся:

– более высокие потери на трение при обычных условиях;

– усложнённые системы смазки тяжело нагруженных, быстроходных подшипников;

– необходимость постоянного контроля смазки (исключение представляют приборные подшипники из фторопласта и капрона, а также металлокерамические подшипники);

– необходимость применения дефицитных материалов и высокой твёрдости поверхности цапф;

– большие осевые габариты;

К достоинствам опор с трением качения относятся:

– малые потери на трение и моменты сопротивления при трогании с места;

– относительная простота сборки и ремонта механизмов;

– малые габариты в осевом направлении.

Недостатками этих опор являются:

– повышенная чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам,

– повышенные радиальные габариты.

Надёжность работы подшипников в значительной мере определяет работоспособность и долговечность машин.

Подшипники скольжения

Общие сведения

Подшипник скольжения (рис. 29 ) – это пара вращения, состоящая из опорного участка вала (цапфы ) 1 и самого подшипника 2 , в котором скользит цапфа.

Благодаря указанным выше достоинствам, а также по конструктивным и экономическим соображениям опоры скольжения находят широкое применение в паровых и газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, центробежных насосах, центрифугах, металлообрабатывающих станках, швейном оборудовании. Они отличаются большим разнообразием конструктивных форм составных частей.

По виду трения скольжения различают подшипники: сухого трения , работающие на твёрдых смазочных материалах или без смазочного материала; граничного трения , при котором слой смазки, разделяющий подшипник и цапфу вала, составляет не более 0,1 мкм; жидкостного трения и с газовой смазкой .

По виду воспринимаемой нагрузки подшипники подразделяют на: радиальные , воспринимающие радиальную нагрузку (рис. 30 а); радиально-упорные , если подшипник может кроме радиальной нагрузки воспринимать частично и осевую (рис. 30 б, в); упорные , воспринимающие осевую нагрузку (рис. 30 г).

Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической (рис. 30 а), конической (рис. 30 б), шаровой (рис. 30 в) и плоской (рис. 30 г). Конические и шаровые подшипники применяются редко. Условия работы подшипников скольжения определяются основными параметрами режима работы: удельной нагрузкой р и угловой скоростью ω.

3.4.2. Конструкции подшипников скольжения

Подшипники скольжения состоят из двух основных частей: корпуса и подшипниковой втулки (вкладыша), контактирующей с цапфой вала. Применение вкладышей позволяет изготовлять детали корпусов из дешёвых материалов и облегчает ремонт. В малогабаритных и неответственных подшипниках вкладыши иногда отсутствуют, их назначение в этом случае выполняет корпус.

Конструкции деталей корпусов и вкладышей разнообразны и зависят от конструкции механизмов и машин в целом, условий монтажа и эксплуатации.

Конструкции опор с подшипниками скольжения можно условно разделить на подшипники с неразъёмным корпусом и разъёмным .

Подшипники с неразъёмным корпусом сравнительно просты и дешёвы, но сложны при монтаже (требуется осевой сдвиг вала, не допускается регулировка зазора). Это ограничивает их использования малоответственными тихоходными конструкциями.

Разъёмные стандартные подшипники широко применяются в различных конструкциях.

Разъёмный подшипник (рис. 31) состоит из корпуса 1 , крышки 2 , вкладыша 3 , крепёжных болтов с гайками 4 и маслёнки 5 . Разъём вкладыша делают по его диаметру, а разъём корпуса – ступенчатым. Уступ в ступенчатом разъёме препятствует поперечному сдвигу крышки относительно корпуса подшипника.

Разъём вкладыша обычно выполняют в плоскости, перпендикулярной радиальной нагрузке. Смазку осуществляют различными смазочными материалами с помощью колпачковых маслёнок или жидкими маслами с помощью капельных маслёнок, например в швейных машинах.

Подшипниковые втулки (вкладыши) выполняют в стандартном и оригинальном исполнении цилиндрическими без бурта (буртов) для радиальной нагрузки (рис. 32 а) и с буртом (буртами) для восприятия одно- или двусторонней осевой и радиальной сил (рис. 32 б, в, г) . Их изготавливают неразъёмными (рис. 32) и разъёмными (рис. 33).

Для распределения смазки по длине вкладыша на его внутренней поверхности делают канавки или выемки (карманы) (рис. 33). Их располагают в месте подвода смазки. Расположение и форма канавок и каналов, подводящих смазочный материал, зависят от конструкции опоры и особенностей эксплуатации. От осевого перемещения вкладыши фиксируют с помощью винтов или штифтов (рис. 34).

Вкладыши изготовляют из материалов с высокими антифрикционными свойствами, обладающими хорошей теплопроводностью, прирабатываемостью и смачиваемостью смазочными материалами, твёрдостью.

Наиболее распространёнными материалами вкладышей являются баббиты Б16 и Б83 , бронзы БрО10Ф1 , БрА9Ж3Л и др., латунь ЛМцОС58-2-2-2 , антифрикционные чугуны АСЧ1, АСЧ-2, АСЧ-3 и др.

Вкладыши малонагруженных и низкооборотных механизмов изготовляют из металлокерамики, пластмасс. Втулки и вкладыши подшипников скольжения, изготовленные из неметаллических материалов (текстолит, резина, капрон и др.), стоят дешевле металлических. Они обладают хорошими антикоррозионными свойствами, могут работать без смазки или с водяной смазкой, имеют повышенную нагрузочную способность и сопротивляемость удару, износостойки и не склонны к заеданию.

Практика эксплуатации подшипников скольжения показала, что их работа в условиях сухого и граничного трения сопровождается изнашиванием. Отказы таких подшипников происходят из-за заедания (диффузионной сварки), пластического деформирования, абразивного изнашивания, особенно опасного при засорении смазочного материала, а также усталостного разрушения и отслаивания фрикционного слоя при вибрационных и ударных нагрузках. Эти повреждения зависят от удельной нагрузки, скорости, вязкости материала и других параметров режима работы, используемых в качестве критериев работоспособности.

Подшипники жидкостного трения работают без изнашивания, если не нарушается режим смазки. В связи с этим для них основным критерием работоспособности является номинальная толщина слоя смазочного материала, исключающая контакт микронеровностей цапфы и подшипника (вкладыша).

ТЕМА 3. ВАЛЫ И ПОДШИПНИКИ. ЛЕКЦИЯ 13. ОПОРЫ ОСЕЙ И ВАЛОВ. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ. Вопросы, изложенные в лекции: 1 Опоры осей и валов. Общие сведения. Классификация. 2 Подшипники скольжения. Общие сведения. 3 Режимы работы подшипников скольжения. 4 Смазка подшипников скольжения. 5 Расчет подшипников скольжения

Опоры осей и валов. Классификация Опорами валов и вращающихся осей служат подшипники и подпятники. Подшипник часть опоры вала или оси, непосредственно взаимодействующая с цапфой. Воспринимает радиальные и осевые нагрузки и передает их на корпус или раму машины. Подпятник – воспринимает осевые нагрузки, преимущественно вертикальные. Классификация: 1 По направлению силовой нагрузки, воспринимаемой опорой: 1.1 радиальные подшипники воспринимают нагрузку, направленную перпендикулярно (по радиусу) к оси вращения; 1.2 упорные подшипники воспринимают нагрузку, направленную вдоль оси вращения (упорные подшипники называют подпятниками); 1.3 радиально-упорные подшипники воспринимают одновременно и радиальную, и осевую нагрузки, при этом радиальная нагрузка обычно больше осевой; 1.4 упорно-радиальные подшипники воспринимают и радиальную, и осевую нагрузки, но в этом случае радиальная нагрузка меньше осевой. 2 В зависимости от вида трения: 2.1 подшипники качения; 2.2 подшипники скольжения

Подшипники скольжения по конструктивным признакам делятся на неразъёмные (глухие) и разъёмные. Неразъёмные подшипники скольжения (рисунок 1) находят широкое применение там, где нагрузки и скорости скольжения невелики (v ск 3 м/с) – в приборах и механизмах управления. Подшипники скольжения. Общие сведения Рисунок 1 – Неразъёмные (глухие) подшипники скольжения: а) встроенный в корпус; б) фланцевый Рисунок 2 – Разъёмный подшипник скольжения Разъёмные подшипники (рисунок 2) основное применение находят там, где невозможна или нежелательна осевая сборка (шейки коленчатых валов ДВС), а также в тяжёлом машиностроении для крепления тяжело нагруженных валов. Подшипник скольжения - это опора или направляющая, в которой цапфа скользит по поверхности вкладыша.

Подшипники скольжения по виду воспринимаемой нагрузки бывают радиальными (рисунок 3 a) и осевыми (рисунок 3 b). Подшипники скольжения. Общие сведения Рисунок 3 – Подшипники скольжения: а) радиальный; б) осевой Рисунок 4 – Самоустанавливающийся подшипник Самоустанавливающийся подшипник подшипник, способный менять угловое положение продольной оси по отношению к поверхности основания, то есть отслеживать угловое положение цапфы вала (рисунок 4). Самоустанавливающиеся подшипники используют при большой длине цапф и возможной несоосности опорных узлов.

Достоинства: 1 малые габариты в радиальном направлении; 2 хорошая восприимчивость к динамическим нагрузкам (ударным и вибрационным); 3 высокая точность сопряжения; 4 хорошая прирабатываемость; 5 высокая долговечность в условиях обильной жидкостной смазки; 6 возможность работы в водной, абразивной и коррозионно-активной среде (при соответствующем подборе материалов); 7 возможность сборки как в осевом, так и в радиальном направлениях Недостатки: 1 большие габариты в осевом направлении; 2 значительный расход смазочного материала; 3 необходимость следить за постоянным поступлением смазочного материала к рабочим поверхностям; 4 высокий пусковой момент и большой износ в период пуска; 5 необходимость использования в подшипнике дорогостоящих антифрикционных материалов. Подшипники скольжения. Общие сведения

В зависимости от количества смазочного материала в подшипнике скольжения различают следующие режимы трения: 1) жидкостное трение – поверхности цапфы вала и подшипника разделены сплошным слоем смазки, непосредственное трение между ними отсутствует; 2) полужидкостное трение – сплошность масляного слоя нарушена; поверхности подшипника и цапфы вала контактируют вершинами микронеровностей на участках большей или меньшей протяженности; 3) полусухое (граничное) трение – поверхности цапфы вала и подшипника почти постоянно контактируют между собой, разделительный слой смазочного материала отсутствует, масло находится на поверхностях в виде адсорбированной пленки; 4) сухое трение – в зазоре между поверхностями цапфы вала и подшипника смазочный материал отсутствует полностью, вследствие чего эти поверхности находятся в состоянии непрерывного контакта. Режимы работы подшипников скольжения Характеристика режима работы подшипника: - динамическая вязкость смазки; - угловая скорость вала;- среднее давление на опорную поверхность.

Режимы работы подшипников скольжения Примеры саморегуляции подшипников скольжения. Жидкостной режим трения: 1 Увеличивается снижается уменьшается уменьшается тепловыделение повышается устойчивое равновесие. 2 Повышается снижается уменьшается уменьшается уменьшается тепловыделение устойчивое равновесие. Полужидкостной режим трения: Любой фактор, способствующий снижению (уменьшение вязкости масла, увеличение нагрузки), вызывает повышение коэффициента трения., как следствие, повышение, увеличение коэффициента трения. Выход из ситуации – контроль за частотой вращения.

Смазка, применяемая для смазывания подшипников скольжения, по степени консистентности (по густоте, твёрдости) классифицируется: – твёрдая - графит, дисульфид молибдена, некоторые обволакивающие металлы, например, индий; – пластичная (консистентную, не обладающую свойством каплепадения) – солидол, литол, некоторые смазки ЦИАТИМ; – жидкая – органические и минеральные масла, иногда вода и другие жидкости; – газообразная – воздух, азот, инертные газы (аргон). Чем выше вязкость смазочного материала, тем труднее он выдавливается из рабочего зазора подшипника и, следовательно, тем более толстым может быть его слой между цапфой и поверхностью подшипника в процессе их совместной работы. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили жидкая и консистентная смазки. При использовании жидкостной смазки в зависимости от способа подачи смазки в рабочий зазор подшипника и разделения твёрдых поверхностей слоем жидкой смазки различают гидростатический и гидродинамический способы смазывания. Смазка подшипников скольжения

Гидростатический способ основан на разделении трущихся поверхностей за счёт статического напора (давления) подводимой к подшипнику смазочной жидкости, создаваемого внешним источником (насосом). Поэтому при гидростатическом способе смазывания смазочная жидкость подаётся навстречу основным нагрузкам (рисунок 6), действующим на цапфу вала, а давление насоса выбирается таким, чтобы цапфа вала всплывала на слое смазки. Применяется этот способ подачи смазки для смазывания подшипников тяжело нагруженных тихоходных валов (например, для смазки подшипников валов прокатных станов), для гидростатической центровки валов в прецизионных машинах. Рисунок 6 – Гидростатическая смазка подшипника скольжения Смазка подшипников скольжения

Гидродинамический способ реализуется только в процессе вращения цапфы в подшипнике после достижения критической скорости вращения (рисунок 7). В состоянии покоя цапфа вала лежит на поверхности подшипника (рисунок 7 а). По мере увеличения угловой скорости цапфы (рисунок 7 б) частицы смазочного масла за счёт налипания на её поверхность втягиваются в клиновой зазор между цапфой и подшипником. Рисунок 7 – Гидродинамическая смазка подшипника скольжения В результате, цапфа вала всплывая, оторвётся от поверхности подшипника, происходит полное разделение трущихся поверхностей. Давление, развивающееся в клиновом зазоре, повышается прямо пропорционально динамической вязкости масла, частоте вращения вала и обратно пропорционально толщине масляного слоя. Давление в клиновом слое может быть большим, и поэтому подача масла производится в зону разрежения, что не требует больших затрат мощности на смазывание и системы смазки высокого давления (насосы, фильтры, радиаторы, трубопроводы и т.п.). Смазка подшипников скольжения

В практике эксплуатации подшипников скольжения можно наблюдать следующие виды их изнашивания: 1) абразивный (происходит при попадании твёрдых частиц в рабочий зазор подшипника); 2) усталостное выкрашивание при действии пульсирующих нагрузок; 3) перегрев, являющийся следствием сухого трения и приводящий в конечном итоге к заеданию цапфы в подшипнике, появлению задиров или к выплавлению антифрикционного слоя материала. Таким образом, основной критерий работоспособности подшипника скольжения – износоустойчивость трущейся пары. Виды разрушения подшипников скольжения Требования к материалам фрикционной пары: 1) малый коэффициент трения; 2) высокая износостойкость и сопротивление усталости; 3) хорошая теплопроводность; 4) прирабатываемость и смачиваемость маслом.

1) антифрикционные чугуны (АЧС, АЧВ и др.) – при спокойной нагрузке, удельном давлении до 20 МПа и скоростях скольжения до 5 м/с; 2) бронзы оловянистые (БрОЦС5-5-5; БрОФ10-1 и др.), свинцовистые и оловянисто-свинцовистые (БрС-30; БрО5С25 и др.), безоловянистые (БрА9Ж3Л; БрА10Ж4Н4Л и др.) при скоростях скольжения до 12 м/с и удельных давлениях до 25 МПа; 3) латуни (ЛАЖМц, ЛКС и др.) – при скоростях скольжения до 2 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; 4) баббиты, например Б89 (89% олово, 9% сурьма, ост. медь) - для условий обильной смазки и хорошего теплоотвода при скоростях скольжения до 15 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; 5) лёгкие сплавы на алюминиевой основе для неответственных подшипников (литейные АЛ3, АЛ4, АЛ5, деформируемые АК4, АК4-1); 6) неметаллические материалы (ДСП, текстолит, поликарбонаты, капрон, нейлон, фторопласты, резины) - при скоростях скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 10 МПа, некоторые из этих материалов (ДСП, резины) допускают использование воды в качестве смазки; Материалы фрикционной пары ПС

7) металлокерамика (бронзографит, железографит) - при скоростях скольжения до 3 м / с, удельных давлениях до 6 МПа и недостатке смазки. Металлокерамика отличается высокой пористостью (поры занимают до 40 % объёма), вследствие чего способна впитывать большие количества масла, этого запаса масла хватает обычно на несколько месяцев работы подшипника без смазки. Для работы с подшипником, цапфы вала необходимо подвергать термической или химико - термической обработке с целью получения высокой твёрдости рабочей поверхности (HRC>50…55). Точность изготовления диаметральных размеров цапфы по 6…7 квалитету ЕСДП, а шероховатость поверхности R a – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна (хуже удерживает смазку). Материалы фрикционной пары ПС Высота микронеровностей цапфы R z 1 и вкладыша R z 2 должна обеспечивать режим жидкостной смазки. Т.к. в реальных условиях при установке подшипников имеют место перекосы вала, погрешности формы и температурные деформации, принимают: минимальная толщина масляного слоя. 50…55). Точность изготовления диаметральных размеров цапфы по 6…7 квалитету ЕСДП, а шероховатость поверхности R a – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна (хуже удерживает смазку). Материалы фрикционной пары ПС Высота микронеровностей цапфы R z 1 и вкладыша R z 2 должна обеспечивать режим жидкостной смазки. Т.к. в реальных условиях при установке подшипников имеют место перекосы вала, погрешности формы и температурные деформации, принимают: минимальная толщина масляного слоя.">

Для проверки основных размеров цапфы подшипника – длины l и диаметра d сравнивают расчетное и допускаемое давление в подшипнике. В этом случае условие прочности по среднему давлению p между контактирующими поверхностями цапфы вала и подшипника можно записать как: где R – радиальная нагрузка, действующая на цапфу вала, [ p ] – допустимая величина этого давления. При проектном расчёте принимается следующее допущение: удельное давление считается равномерно распределённым как по диаметру цапфы, так и по её длине. При проектном расчёте задаются величиной коэффициента длины подшипника. Для несамоустанавливающихся опор рекомендуют принимать = 0,4…1,2 (в отечественной технике чаще всего = 0,6…0,9). Применение самоустанавливающегося подшипника позволяет увеличить коэффициент длины до = 1,5…2,5. Расчет подшипников скольжения

При заданном коэффициенте длины подшипника его диаметр может быть найден по соотношению: Величину энерговыделения в работающем подшипнике характеризует произведение среднего давления p на скорость скольжения v. С целью предотвращения перегрева подшипника производится его проверка и по этому критерию: где n – частота вращения цапфы вала. Исходя из последнего выражения, при известных материалах трущейся пары цапфа - вкладыш подшипника, удобно найти длину подшипника следующим образом: Расчет подшипников скольжения а далее можно вычислить необходимый диаметр цапфы:

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.

4.1 Оси и валы .

В современных механизмах наиболее широко используется вращательное движение, которое поддерживается в установившемся режиме неограниченное время. Все движители, находящиеся во вращении, осуществляют это движение вокруг некоторых геометрических осей. Теоретические оси воплощаются на практике в валы и оси. По условиям изготовления и монтажа длину осей и валов во многих случаях ограничивают, составляя их из отдельных отрезков, соединенных между собой с помощью соединительных муфт.

Оси и валы, несущие вращающие детали, должны опираться своими специально приспособленными для этого участками – цапфами (шипами) и пятами – на опорные устройства – подшипники и подпятники. Цапфы предназначены для восприятия радиальной, а пяты осевой нагрузок.

Оси предназначаются только для направления движения и поддержания неподвижно, или свободно посаженных на них деталей и не передают крутящего момента от одной детали к другой. В связи с этим оси могут выполняться как вращающимися, так и неподвижными

и воспринимать лишь поперечные (изгибающие), продольные (растягивающие и сжимающие) нагрузки.

Оси и валы для обеспечения для обеспечения достаточной прочности при минимальной массе выполняются ступенчатой формы.

Такая форма приближается к форме тела с разными сопротивлениями изгибу. Гладкие оси и валы нашли свое применение, вследствие простоты изготовления, их используют там, где на сопрягаемые с ними детали не действуют большие осевые нагрузки. Бывают такие валы коленчатые.

Для уменьшения массы и габаритных размеров длину валов и осей ограничивают. Для уменьшения массы валы изготавливают полыми. Это не приводит к резкому снижению прочности осей и валов, если соотношение между внутренним и наружным диаметром. . Так при масса металла уменьшается примерно на 40%, с момента сопротивления, лишь на 15%. Применение полых осей и валов в ряде случаев позволяет использовать полость для монтажа электропроводов, пропуска жидкости, газов и т. п. Конструкции ступенчатых валов и осей весьма разнообразны. Выбор рациональной формы вала зависит от типа опор вращения, типа деталей насаживаемых на вал последовательности сборки и характера действующих сил. Основными критериями надежной работы валов и осей является жесткость и прочность. Для нахождения минимальных размеров вала, обеспечивающих достаточную прочность и жесткость, составляет расчетную схему. При этом вал рассматривают как балку, лежащую на шарнирных опорах и, нагруженную силами, действующими на закрепленную на ней детали. Условно считают, что сила, от детали, посаженной на вал, передается как сосредоточенная сила, приложенная посередине приложенных элементов (шпонки, штифты и т. п.). Силы реакции в опорах приложенные посередине шарикоподшипника и на расстоянии (0.2 + 0.35)l, в подшипнике скольжения (l – длина уапфы). Рассмотрим схему нагрузок и опорных реакций, а также эпюры изгибающих и вращательных моментов, действующих на вал, на котором закреплены цилиндрическое косозубое и коническое зубчатые колеса.

Эпюры изгибающих моментов от составляющих нагрузок строятся в каждой плоскости осидально, и по ним находят эпюру результирующих моментов. Предварительный расчет валов выполняют с учетом условий прочности на кручение по пониженным допустимым напряжениям

Отпуск диаметра вала

Где = 10…30 МПа условное (пониженное) допустимое напряжение на кручение

Основной расчет валов на кручение и изгиб выполняют по эквивалентному моменту. Эквивалентное нормальное напряжение для валов

Опоры.

Устройства, которые обеспечивают движение одной детали относительно другой в определенном направлении - называются направляющими.

В соответствие с двумя простейшими видами движения (вращательным и поступательным) все направляющие можно разделить на направляющие для вращательного движения и направляющие для поступательного движения. Направляющие для вращательного движения называются опорами. В зависимости от вида трения направляющие могут работать с трением скольжения, качения и упругости. Для опор вращательного движения иногда используют трение о воздух или жидкость. Направляющие в точной механике должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Иметь минимальные силы трения и износа

Обладать минимальными зазорами обеспечивающим наибольшую точность перемещения

Быть надежными в работе в широком интервале температур

Иметь плавный ход при передаче рабочего усилия

Расчет направляющих в приборостроении подводиться, прежде всего, на трение ввиду незначительных передаваемых усилий, при необходимости на прочность, износ нагревание.

Опоры для вращательного движения выполняются из двух деталей, образующих вращательную кинематическую пару – уапфы и подшипника, который часто делают виде втулки. Опоры должны предусматривать фиксацию осей либо уапфы от осевых и радиальных перемещения. Опоры вращательного движения в зависимости от вида трения можно разделить на опоры трения скольжения, качения и упругости. К специальным опорам можно отнести воздушные, жидкостные и магнитные. В зависимости от направления сил реакции возникающих в опорных узлах, опоры разделяются на подшипники (нагруженными поперечными силами) и по форме контактных деталей – на цилиндрические, конические, сферические. В зависимости от положения в пространстве и характера воспринимаемой нагрузки цилиндрические опоры делятся на горизонтальные, вертикальные, радиально – упорные и упорные.

Пусть на цапфу действует нагрузка в виде вертикальной силы Q. Момент трения для новой непроработанной цапфы для прираб.

Для твердого материала без смазки

Уапфы, диаметр которых больше 1мм рассчитывают по общим формулам сопротивления материалов

При проектном расчете определяют необходимый диаметр уапфы, задавая Q. Положив коэффициент длины уапфы

Коэффициент длины уапфы характеризует условия эксплуатации опоры. может колебаться в пределах

Также необходима проверка на критическую температуру работы опор

Где - угловая скорость вращения уапфы – рад/с

V - ее окружная скорость м/c

Для повышения прочности цапф, особенно в условиях вибраций применяют уапфы с параболическим пропилом. Прочность параболической уапфы почти в 10 раз превосходит обычную, показанную штрих пунктиром. Для подвижной уапфы ее подшипник делают неподвижным, либо в виде цилиндрического отверстия непосредственно в самой стойке, либо в виде отдельной втулки.

Цилиндрические опоры скольжения, воспринимающие осевые нагрузки, называются подпятниками или упорными подшипниками, форма и размер подпятников зависит от действующей нагрузки, скорости относительного скольжения и допустимого момента трения. Сплошная пята воспринимает значительные осевые нагрузки Q и работает при малых скоростях скольжения. Основным недостатком сплошной пяты является неравномерный износ в виду больших перепадов скоростей на ее поверхности, это приводит к увеличению в средней зоне давления, поэтому при значительных скоростях используют кольцевую пяту, износ которой наиболее равномерен. Во многих приборах с целью уменьшения трения применяют пяту со сферической поверхностью

Размеры опорных поверхностей из условий выдавливания смазочного материала.

Для сплошной пяты

Для кольцевой

Момент трения в сплошной пяте

Для кольцевой

Для сферической пяты момент трения

Недостатком сферических опор является невозможность точного центрирования оси, вследствие гарантированного радиального зазора. Конические опоры могут воспринимать одновременно как радиальные, так и осевые нагрузки. По сравнению с цилиндрическими опорами, они более износостойкие, так как имеют большую рабочую поверхность. Они сложны в изготовлении и требуют индивидуальной притирки. Их делают обычно с двумя полосками, и они являются самоустанавливающимися. Моменты трения в конических опорах значительно больше, чем в цилиндрических и определяются углом .

Опоры на центрах . Являются разновидностью конических опор. Их выполняют в виде двухсторонних сопряжений, конических уапф (центров) с подшипниками, имеющими раззенкованные цилиндрические отверстия.

Контакт между трущимися деталями происходит по коническим поверхностям с малой длиной образующей, поэтому такие опоры могут воспринимать малые нагрузки (обычно 5…10 Н) и работать при малых частотах вращения.

Опоры на центрах являются направляющими, в которых можно регулировать как осевые, так и радиальные зазоры.

Момент трения зависит от угла при вершине конуса уапфы втулки принимают - угол при вершине конуса и 90 втулке.

Шаровыми опорами называются опоры, рабочая поверхность которых представляет пояс шаровой формы. Эти опоры применяют, когда в процессе работы или регулировки механизма подвижная система кроме вращения вокруг оси, может поворачиваться вокруг опорного узла на некоторый угол.

Шаровые опоры позволяют точно фиксировать положение оси. Однако они быстро изнашиваются. Применяют при низкой частоте вращения, при действии на опору только радиальной силы Р, момент трения

В качестве подушечек используются каменные подшипники, изготовленные из рубина, корунда или агата. Кери изготавливают из стали марок У8А – У10А или кабальто-вольфрамового сплава. Твердость HRC – 55…60, полировка.

Ножевые опоры относятся к опорам трения качения. Их применяют в приборах, подвижная система которых находиться в колебательном движении с углом поворота не более +-(8-10). Деталями являются нож с рабочей кромкой, представляющую цилиндрическую поверхность, весьма малого радиуса, и подушечка, опорная поверхность которой может иметь призматическую, цилиндрическую и плоскую поверхность. Наибольшее распространение получил ножевой треугольный профиль с углом при вершине 60 или 45(для стальных ножей) и 60-120 (для ножей из агата).

При колебаниях поиска его рабочая кромка переламывается по поверхность подушки. Чем меньше радиус закругления, тем с большей точностью можно считать, что трение возникающее в опоре, является трением качения. Наибольшие распространение получили подушки призматической формы. Они просты в изготовлении по сравнению с цилиндрическими и сами обеспечивают центрирование.

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:

(7)	(6–5)	(4)	(3)	(2–1)
Серия ширин	Конструктивная разновидность	Тип подшипника	Серия диаметров	Внутренний диаметр

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.