Виды подшипниковых узлов

Общие сведения о видах подшипниковых узлов

Для направления и поддержания вращающегося конструктивного элемента два или более подшипника качения устанавливаются на конструктивном элементе на заданном расстоянии и помещаются в опорный корпус. Исключение составляют разновидности подшипников, способные воспринимать крутящий момент, например, двухрядные радиально-упорные или конические роликоподшипники, а также перекрёстно-роликовые подшипники.

В отношении любых видов подшипниковых узлов необходимо принять во внимание следующие моменты:

• Возникающие в системе силы должны восприниматься способом, подходящим для подшипников качения.

• Расположение подшипников качения должно соответствовать числу оборотов.

• Жёсткость расположения должна соответствовать требованиям машины.

• Компенсация температурного удлинения вращающегося конструктивного элемента должна быть возможна без принудительных усилий.

• Необходимо учитывать прогиб вала.

• Должна быть предусмотрена возможность монтажа и демонтажа подшипников.

Классификация подшипников качения по нагрузке

Классификация подшипников качения по углу контакта

Способность подшипника передавать осевые или радиальные усилия зависит в первую очередь от угла контакта α₀. Поэтому при выборе подшипника с подходящим углом контакта необходимо проверить соотношение осевой и радиальной нагрузки.

Фиксированные и плавающие подшипники

Подшипниковый узел с фиксированным или плавающим подшипником – наиболее распространенный вид подшипниковых узлов в машиностроении. Фиксированный подшипник – это подшипник качения (пара подшипников качения), который воспринимает усилия вращающегося конструктивного элемента как в осевом, так и в радиальном направлении.

Типичные фиксированные подшипники:

• Радиальные шарикоподшипники

• Сферические роликоподшипники

• Цилиндрические роликоподшипники (типа NUP)

Фиксированные подшипники могут состоять также из двух или более подшипников качения.

Типичные фиксированные подшипниковые пары:

• Подшипник с четырёхточечным контактом + цилиндрический роликоподшипник

• Два или больше конических роликоподшипника (O-образное или X-образное расположение)

• Два или больше радиально-упорных шарикоподшипника (O-образное или X-образное расположение)

Плавающий подшипник – это подшипник качения, который воспринимает только радиальные нагрузки. В осевом направлении он способен компенсировать удлинение вала или корпуса либо за счёт своей внутренней конструкции (например, цилиндрические роликоподшипники), либо за счёт скользящей посадки.

Типичные плавающие подшипники:

• Цилиндрические роликоподшипники

• Сферические роликоподшипники (со скользящей посадкой)

• Радиальные шарикоподшипники (со скользящей посадкой)

Отрегулированный подшипниковый узел

В отрегулированных подшипниковых узлах подшипники (часто радиально-упорные шарикоподшипники, конические роликоподшипники) настраиваются на осевой зазор или на предварительный натяг путём смещения колец подшипников. Радиально-упорные подшипники всегда должны устанавливаться парами, зеркально повёрнутыми друг к другу, поскольку при радиальной нагрузке всегда создаётся осевое усилие и наоборот, и это усилие должно поглощаться противоподшипником.

В особых случаях можно установить друг против друга также радиальные шарикоподшипники. В этом случае радиальный шарикоподшипник рассматривается как радиально-упорный шарикоподшипник с углом контакта. Другой особый случай – установка упорного подшипника против радиально-упорного подшипника или радиального шарикоподшипника.

При установке радиально-упорных подшипников различают две схемы:

• О-образное расположение

• Х-образное расположение

При O-образном расположении конусы, образованные линиями контакта, обращены своими вершинами наружу, образуя, таким образом, букву «O». При Х-образном расположении они направлены внутрь, образуя, таким образом, букву «X».

На приведенном выше рисунке также показано, что опорная база H при одинаковом расстоянии между подшипниками в О-образной схеме расположения больше, чем в Х-образной. Ширина опорной базы имеет решающее влияние на способность воспринимать опрокидывающие моменты и на жёсткость на опрокидывание схемы расположения подшипников.

Ещё одним решающим фактором является влияние теплового расширения. Если вал теплее корпуса (ТК < ТВ), то настроенный осевой люфт при X-образной схеме расположения уменьшается. На приведенном ниже рисунке показана X-образная схема расположения с коническими роликоподшипниками. Точка «R» представляет при этом вершину конуса вращения. Она представляет собой точку пересечения мысленной линии, продолжающей дорожку качения наружного кольца, с осью подшипника.

При О-образной схеме расположения различают три случая:

Если линии конуса вращения сходятся, то осевое и радиальное тепловое расширение уравновешивают друг друга, и установленный люфт сохраняется.

Если линии конуса вращения пересекаются, то радиальное расширение оказывает большее влияние на люфт подшипника, чем осевое тепловое расширение. Установленный люфт уменьшается.

Если линии конуса вращения пересекаются, то радиальное расширение оказывает большее влияние на зазор подшипника, чем осевое тепловое расширение. Установленный зазор уменьшается.

Информация о конструктивных особенностях

Скользящая посадка допускается только на кольце, воспринимающем сосредоточенную нагрузку. Будет выполняться регулировка внутреннего или внешнего кольца зависит от прилегающей конструкции (например, гайки вала, крышки корпуса). Для обеспечения лёгкости смещения необходимо также учитывать посадочное положение кольца подшипника.

Плавающий подшипниковый узел

Плавающий подшипниковый узел похож на отрегулированный подшипниковый узел. Однако в подшипниковых узлах этого типа предусмотрен осевой зазор, так что вращающийся конструктивный элемент «плавает» в осевом направлении между подшипниками. Осевой зазор необходимо выбирать таким образом, чтобы подшипники не перекашивались при неблагоприятных термических условиях.

Типичные подшипники качения для плавающих подшипниковых узлов:

• Цилиндрические роликоподшипники (типа NJ или NJP с достаточным осевым люфтом)

• Радиальные шарикоподшипники

• Сферические роликоподшипники

• Сферические шарикоподшипники

Одно кольцо – обычно наружное кольцо – имеет скользящую посадку. Для цилиндрических роликоподшипников типа NJ или NJP в этом нет необходимости, поскольку компенсация удлинения происходит внутри подшипника.

Компенсация прогиба вала

Прогиб вала существенно влияет на плавность хода подшипников качения и на срок их службы. Цилиндрические роликоподшипники лишь в ограниченной степени подходят для компенсации прогибов вала. Если вал прогибается слишком сильно, цилиндрические ролики перекашиваются, что ведёт к кромочному качению. В результате повреждаются ролики и дорожка качения, что приводит к преждевременному выходу подшипника из строя.

Для компенсации значительных прогибов вала рекомендуется использовать сферические подшипники с бочкообразными роликами, сферические роликоподшипники и сферические шарикоподшипники.

Проскальзывание и минимальная нагрузка

В случае оптимальной нагрузки подшипника качения окружная скорость в зоне контакта одинакова для всех тел качения. Тела качения равномерно катятся по дорожке качения. В определённых диапазонах чисел оборотов и нагрузок, например, при запуске машины без нагрузки, между рабочей поверхностью тела качения и дорожкой качения происходит скольжение. В отношении подшипников качения говорят о так называемом проскальзывании. Оно часто происходит при переменных или высоких числах оборотов в сочетании с небольшими нагрузками. Из-за проскальзывания возникают повреждения поверхностей качения колец и тел качения. В результате сокращается срок службы.

Проскальзывание особенно часто происходит в роликовых подшипниках.  Во избежание этого важно соблюдать минимальную нагрузку. Формулы для расчёта минимальной нагрузки можно найти в  описаниях соответствующих изделий.

Выбор подходящего подшипникового узла качения

Чтобы облегчить выбор подходящего подшипникового узла качения, ниже подробнее описываются преимущества и недостатки различных подшипников с учётом различных нагрузок и чисел оборотов. Эти описания призваны помочь в принятии решения и не претендуют на полноту.

В следующей таблице представлен обзор по выбору подшипников для вала с двумя опорными точками. Расстояния между опорными точками для распределения усилий одинаковы, т.е. соответствуют идеальному случаю. В таблице в качестве критериев указано число оборотов, а также радиальная и осевая нагрузка.

Цилиндрические роликоподшипники типов NUP или NJ + HJ подходят в качестве фиксированных подшипников, а типа NU – в качестве плавающих подшипников. В качестве альтернативы в этих условиях может быть использован плавающий подшипниковый узел, состоящий из двух цилиндрических роликоподшипников типа NJ.

Фиксированная опорная точка состоит из двух подшипников качения. Осевое усилие воспринимается исключительно подшипником с четырёхточечным контактом, который конструктивно должен быть освобождён от радиальных нагрузок. Из цилиндрических роликоподшипников для применения в качестве чисто радиальных подшипников подходят типы NU и N. Чтобы исключить радиальную нагрузку подшипника с четырёхточечным контактом, важно, чтобы радиальный зазор между наружным диаметром подшипника с четырёхточечным контактом и отверстием корпуса был больше люфта цилиндрического роликоподшипника.

При настройке зазора или предварительного натяга конических роликоподшипников или радиально-упорных шарикоподшипников необходимо учитывать влияние рабочей температуры. Следует принять во внимание, что необходимые значения зазора или предварительного натяга должны быть достигнуты во время работы, т.е. в тёплом состоянии. Оба варианта отличаются высокой жёсткостью подшипникового узла.

Плавающий подшипниковый узел с двумя сферическими роликоподшипниками часто используется для тяжелонагруженных валов, поскольку, помимо высоких нагрузок, он также способен выдерживать большие прогибы вала и перекосы. На следующем рисунке показана типичная конструкция.

В случае больших осевых усилий – по аналогии с уже показанным фиксированным подшипниковым узлом с разделением компонентов – раздельное восприятие нагрузки происходит внутри фиксированного подшипника. Для компенсации прогиба вала в качестве упорных подшипников используются упорные сферические роликоподшипники (вместо подшипников с четырёхточечным контактом), а в качестве радиальных подшипников используются радиальные сферические роликоподшипники. Конструктивно необходимо обеспечить, чтобы радиусы поворота упорных и радиальных сферических роликоподшипников были концентрическими.