Зазоры и предварительные натяги в подшипниках

Оптимальные значения радиальных и осевых зазоров для данных условий эксплуатации подшипника позволяют обеспечить рациональное распределение нагрузки между телами качения, необходимое смещение вала и корпуса в радиальном и осевом направлениях, а также улучшить и повысить стабильность виброакустических характеристик, снизить потери на трение.

В подшипниках нерегулируемых типов различают три вида радиальных зазоров: начальный, посадочный и рабочий.

Посадочный зазор всегда меньше начального в связи с деформациями колец в радиальном направлении после установки подшипника на рабочее место. При работе подшипникового узла и установившемся температурном режиме образуется рабочий зазор, который может быть больше или меньше посадочного в зависимости от схемы установки подшипников, воспринимаемой нагрузки и перепада температур вала и корпуса.

ГОСТ 24810-81 устанавливает условные обозначения групп зазоров и числовые значения радиального и осевого зазоров в состоянии поставки для подшипников качения, приведенных в табл. 53.
ГОСТ 24810-81 не распространяется на подшипники:
  - шариковые радиальные со съемным наружным кольцом;
  - шариковые радиальные однорядные с канавкой для вставления шариков;
  - шариковые радиально-упорные однорядные;
  - шариковые радиально-упорные двухрядные с двумя наружными кольцами;

53. Группы зазоров и их обозначения
 

   - шариковые радиально-упорные однорядные с разъемным наружным или внутренним кольцом;
   - роликовые радиальные игольчатые со штампованным наружным кольцом, 
   а также на подшипники качения, для которых установлены особые значения зазоров.

По ГОСТ 24810-81 для подшипников различных типов установлены группы зазоров: нормальная и дополнительные (с меньшими и большими значениями зазоров) (табл. 53)
   Нерегулируемые типы подшипников изготовляют со сравнительно небольшими зазорами; после установки на вал и в корпус они могут работать без дополнительного регулирования.
   Размеры зазоров для однорядных радиальных шариковых подшипников приведены в табл. 54.
   Подшипники, предназначенные для нормальных условий эксплуатации (перепад температур между наружными и внутренними кольцами незначителен - 5 ... 10 °С), должны иметь зазор, соответствующий основной - нормальной группе.

Основная область применения подшипников с увеличенными зазорами - опоры со значительными колебаниями рабочих температур, а также опоры, в которых кольца подшипника из-за ожидаемых больших динамических нагрузок монтируют на вал и корпус со значительными посадочными натягами. Радиальные однорядные шарикоподшипники, предназначенные для восприятия только осевых сил, должны иметь увеличенный радиальный зазор, позволяющий увеличить угол контакта в подшипнике, т.е. повысить его осевую грузоподъемность. Радиальные несамоустанавливающиеся подшипники с увеличенным радиальным зазором применяют при отклонениях от соосности посадочных мест.

54. Размеры зазоров для однорядных радиальных шариковых подшипников без канавок 
для вставления шариков с цилиндрическим отверстием
 

    Подшипники с уменьшенным зазором устанавливают в опорах при высоких требованиях к радиальному или осевому биению вала, работающего с умеренной частотой вращения при эффективном охлаждении.
   Осевые и радиальные зазоры регулируемых подшипников могут быть установлены в определенных пределах только при монтаже в узле машины. Требуемый осевой зазор в упорных подшипниках устанавливают также при монтаже. В. зависимости от конструкции узла регулирование осевых зазоров осуществляют смещением наружного или внутреннего кольца подшипника.
   Оптимальное значение зазоров устанавливают экспериментально для каждого конкретного узла. Если подшипники собраны с большим зазором, то всю нагрузку воспринимает только один или два шарика или ролика (рис. 22, а). Условия работы подшипников при таких больших зазорах неблагоприятны, и поэтому такие зазоры недопустимы. Уменьшение зазоров приводит к более равномерному распределению нагрузки между телами качения, снижает вибрации, повышает жесткость опоры. Наличие некоторых осевых зазоров положительно сказывается на снижении момента сопротивления вращению. Обычные радиально-упорные подшипники регулируют так, чтобы осевой зазор при установившемся температурном режиме был бы близок к нулю. В этом случае под действием радиальной нагрузки находятся около половины тел качения (рис. 22, б).
   В некоторых узлах, например, в станкостроении для повышения жесткости опор, точности вращения вала и улучшения виброакустической характеристики узла применяют сборку подшипников с предварительным натягом. В этом случае более половины или все тела качения подшипника находятся под нагрузкой (рис.22, в).

Рис. 22. Распределение нагрузок на тела качения:
а - при повышенном зазоре;
б - при нулевом зазоре;
                      в - при предварительном натяге или при значительной осевой нагрузке

Сущность предварительного натяга заключается в том, что пару подшипников предварительно нагружают осевой силой, которая устраняет осевой зазор в комплекте, создавая начальную упругую деформацию в местах контакта рабочих поверхностей колец с телами качения. Если затем к подшипнику приложить рабочую осевую нагрузку, то относительное перемещение его колец вследствие дополнительной деформации рабочих поверхностей будет значительно меньше, чем до создания предварительного натяга. Предварительный натяг вызывает одинаковую деформацию в обоих подшипниках. Такие подшипники работают в более тяжелых условиях, так как повышаются нагрузки на тела качения, момент сопротивления вращению и износ, а также снижается ресурс подшипника.

Влияние зазоров и натягов на ресурс показано на рис. 23.

Рис. 23. Влияние зазоров и натягов на ресурс
(L - ресурс в процентах от расчетного)

   С предварительным натягом устанавливают подшипники шариковые радиальные, радиально-упорные, роликовые конические, а также подшипники с короткими цилиндрическими роликами типа 3182000, монтируемые на конусную шейку вала с натягом, способным вызвать расширение внутреннего кольца и полностью устранить в подшипнике радиальный зазор. Примерные значения осевых зазоров для радиально-упорных подшипников приведены в табл. 55 и 56, а для двойных и сдвоенных одинарных упорных шарикоподшипников -в табл. 57. Данные табл. 57 можно использовать и при монтаже упорных роликовых подшипников.

                               55. Рекомендуемый осевой зазор, мкм, для шариковых радиально-упорных
                                                                         однорядных подшипников
 

56. Рекомендуемый осевой зазор, мкм, для радиально-упорных 
роликовых конических однорядных подшипников
 

57. Рекомендуемый осевой зазор, мкм, для двойных и сдвоенных
 одинарных упорных шарикоподшипников
 

   Приведенные в табл. 55-57 значения соответствуют нормальным условиям эксплуатации, при которых температура внутренних колец радиально-упорных подшипников не превышает температуру наружных колец более чем на 10 °С, а разность температур вала и корпуса составляет ~10-20 °С; рабочая частота вращения n упорных подшипников не превышает половины предельно допустимой частоты вращения n_пр для подшипников данного типоразмера.
   При монтаже подшипников с коническим отверстием на коническую шейку вала начальный радиальный зазор уменьшается вследствие расширения внутреннего кольца. Осевое перемещение внутреннего кольца с отверстием, имеющим конусность 1:12, относительно шейки вала или втулки вызывает уменьшение начального радиального зазора, равное примерно 1/15 величины перемещения.
   Для устранения влияния гироскопического эффекта в упорных подшипниках при n > 0,5 n_пр применяют сборку с предварительным натягом, осуществляемым комплектом пружин, нагружающих подшипник осевой силой, Н:

F_a= 53 х 10^-13 [ ( D^{2 _} d² ) ] n ]²,

где D и d - наружный и внутренний диаметры стандартного подшипника, мм; n -частота вращения, об/мин.