8 Расчёт на прочность подшипниковых опор валов редуктора

Так как самыми нагруженными опорами в редукторе являются опоры тихоходного вала, следовательно, расчёт подшипниковых опор производится по самой нагруженной опоре тихоходного вала. Расчёт подшипниковых опор тесно связан с расчётом валов на прочность, поэтому для расчёта необходима расчётная схема нагружения вала. Подшипниковые опоры выбираем следуя рекомендациям.

Исходные данные для расчёта:

L_h = 20000 час; N_R = 0; V = 1,0; K_б = 1,3; K_t = 1; F_a = 957H; d_п = 40 мм; n = n_тих = 48,5 мин^-1;R_ак =636,98 Н; R_вк =1937,86 Н.

где L_h – требуемая долговечность привода, час;

N_R – режим работы привода;

K_б – коэффициент, учитывающий характер нагрузки;

K_t – температурный коэффициент;

d_п – диаметр участка вала под установку подшипниковой опоры, мм

Рис.15 Эскиз выбранного подшипника качения

8.1 Определение суммарных реакций в каждой опоре вала

(185)

(186)

где

R_A, R_B – суммарные реакции в каждой из опор вала, Н

8.2 Выбор подшипников

Т.к. имеет место коническая зубчатая передача с большой осевой нагрузкой F_a , выбираем сразу конические роликовые подшипники, при задаемся подшипником 7208 легкой серии, для которого;

где

 – угол взаимодействия вала и подшипниковой опоры, град;

С – динамическая грузоподъёмность подшипниковой опоры, кН

С₀ – статическая грузоподъёмность подшипниковой опоры, кН.

8.3 В соответствии с учётом того что имеем:

; (187)

; (188)

. (189)

8.4 В связи с тем что в опорах вала используется роликовые конические однорядные подшипники, осевую нагрузку воспринимает обе опоры. Для определения ипредварительно рассчитываем

. (190)

8.5 В соответствии определяем

; (191)

. (192)

8.6 Для рассматриваемой схемы установки подшипников «враспор» в корпусе конического редуктора уравнение имеет вид

; (193)

Принимаем ;

Тогда

; (194)

Следовательно, значения осевых нагрузок иопределены верно.

8.7 Определяем коэффициенты радиальной и осевой составляющих эквивалентной динамической нагрузки.

; (195)

Следовательно получаем и, для опоры В имеем:

; (196)

Что дает и.

8.8 Определяем эквивалентную динамическую нагрузку.

; (197)

. (198)

8.9 В качестве наиболее нагруженной выбираем опору В, так как .

Принимаем .

8.10 Определяем долговечность (ресурс) подшипника.

(199)

8.11 Проверяем условие на долговечность подшипника.

. (200)

Следовательно, подшипник 7208 выбран верно.

9. Конструирование подшипниковых узлов редуктора

Различают три случая нагружения колец подшипников:

- кольцо вращается относительно радиальной нагрузки, подвергаясь так называемому циркуляционному нагружению;

- кольцо неподвижно относительно радиальной нагрузки и подвергается местному нагружению;

- кольцо нагружено равнодействующей радиальной нагрузкой, которая не совершает полного оборота, а колеблется на определенном участке кольца, подвергая его колебательному нагружению.

Многолетней практикой установлено, что соединение с валом или корпусом колец, вращающихся относительно нагрузки, должно быть осуществлено обязательно с натягом, исключающим проворачивание и обкатывание кольцом сопряженной детали и, как следствие, развальцовку посадочных поверхностей и контактную коррозию.

Посадки неподвижных относительно нагрузки колец назначают более свобод­ными, допускающими наличие небольшого зазора, так как обкатывание кольцами сопряженных деталей в этом случае не происходит. Нерегулярное проворачивание не вращающегося кольца полезно, так как при этом изменяется положение его зоны нагружения. Кроме того, такое сопряжение облегчает осевые перемещения колец при монтаже, при регулировании зазоров в подшипниках и при темпера­турных деформациях валов.

Подшипник является основным комплектующим изделием, не подлежащим в процессе сборки дополнительной доводке. Требуемые посадки в соединении подшипника качения получают назначением соответствующих полей допусков на диаметры вала и отверстия в корпусе. Для подшипников качения принято следующее отличие от обычной в машиностроении системы допусков поле допуска на диаметр отверстия внут­реннего кольца подшипника расположено не вверх от нулевой линии («в плюс»), а вниз («в минус»). Этим гарантируют получение натягов в соединениях внутреннего кольца с валами, имеющими поля допусков «k», «m», «n». Поле допуска на диаметр на­ружного кольца располагают как обычно — «в минус» или «в тело детали». Поэтому и характер сопряжения наружного кольца с корпусом такой же, как в обычной системе допусков.

Для наиболее распространенного в общем машиностроении случая применения подшипников класса точности 0 поля допусков вала и отверстия корпуса можно выбирать по таблицам.

Крепление подшипников на валу. Крепления подшипников на валу, которые применяют при нагружении вала значитель­ной осевой силой в обоих направлениях.

Надежное крепление подшипника осу­ществляют круглой шлицевой гайкой, которую от самопроизвольного отвинчивания стопорят многолапчатой шай­бой. Стопорная шайба имеет один внут­ренний выступ и шесть наружных

выступов-лапок. Внутренний выступ шайбы заходит в специально выполненный паз на валу, а один из ее наружных выступов отгибают в шлиц гайки.

Крепление подшипников в корпусе. Наиболее распространенные способы крепления подшипников в корпусе.

Широко применяют простой и надежный способ закрепления подшипника в корпусе крышкой: привертной или закладной.

Создание упорных заплечиков в корпусе. Для точной установки наружные кольца подшипников поджимают к заплечику корпусной детали. Упорный заплечик создан непосредственно в корпусе. Однако наличие уступа в отверстии корпусной детали создает определенные трудности при растачивании отверстия. Обработку отверстия корпусной детали можно упростить, если заплечик сделать в стакане. Но введение дополнительной трудоемкой и точной детали — стакана — может быть оправдано только в том случае, если стакан позволяет решить какую-либо другую конструкторскую задачу: упрощение сборки, создание самостоятельной сборочной единицы.

Регулирование осевых зазоров в подшипниках. В некоторых типах подшипников (например, радиальных и радиально-упорных шариковых, радиальных сферических шариковых и роликовых) осевые зазоры между кольцами и телами качения созданы при изготовлении подшипников. В других (конических роликовых) осевые зазоры устанавливают при сборке изделия.

Наличие зазоров в подшипниках обеспечивает легкое вращение вала, а отсутствие их увеличивает сопротивление вращению, но повышает жесткость опор и точность вращения вала, а также улучшает распределение нагрузки между телами качения, повышая несущую способность подшипника.

В изделиях, в которых важно получить высокую жесткость опор или высокую точность вращения (например, шпиндели металлорежущих станков), зазоры в подшипниках устраняют, создавая натяг.

При конструировании подшипникового узла предусматривают различные способы создания в подшипниках зазоров оптимальной величины, а при необ­ходимости и создание так называемого предварительного натяга.

В подшипнике различают радиальный и осевой зазоры, которые связаны между собой определенной зависимостью. При изменении зазора в одном на­правлении (например, в осевом) изменяется зазор и в другом (радиальном) направлении. Зазоры в подшипниках создают и изменяют при сборке изделия чаще всего осевым смещением колец или (значительно реже) за счет радиальной деформации внутреннего кольца при его посадке на цилиндрическую или конус­ную поверхность вала.

Регулирование зазоров радиальных или радиально-упорных подшипников фиксирующей опоры выполняют осевым перемещением наружных или внутренних колец.

Регулирование подшипников осевым перемещением наружных колец. Регулирование производится набором прокладок, устанавливаемых под фланец крышки подшипников. Для этой цели применяют набор тонких (толщиной ~0,1 мм) металлических прокладок. Удобно также производить регулирование набором прокладок разной толщины. Иногда вместо комплекта прокладок регулирование производят двумя полукольцами, которые устанавливают под фланец без снятия крышки.

Регулирование подшипников можно производить винтом, вворачиваемым в корпус. Нужно иметь в виду, что точность базирования подшипника в этом случае оказывается пониженной. Повысить точность базирования можно воздействуя винтом на шайбу. Шайба самоустанавливается по торцу наружного кольца подшипника благодаря наличию сферической поверх­ности на торце винта. При конструировании шайбу нужно делать жесткой, а диаметр регулировочного винта возможно большего размера. При малых диамет­рах винтов наблюдались случаи вырыва винтов из крышки подшипника под действием осевых сил. Точность регулирования можно повысить уменьшая шаг резьбы. Поэтому в таких конструкциях применяют резьбы с мелким шагом.

Типовая конструкция вала конической шестерни, фиксированного по схеме «враспор». Эта схема установки подшипников при соблюдении необходимого по условиям жесткости соотношения между b и a - имеет значительные размеры узла в осевом направлении. Применять ее в cиловых передачах не рекомендуют.

Конструкция вала конической шестерни. Для удобства регулирования осевого положения шестерни фиксирующая опора заключена в стакан. Ближний к шестерне подшипник установлен непосредственно в отверстии корпуса. Это повышает точность

радиального положения шестерни.

При конструировании узлов валов конических шестерен предусматривают регулирование зазоров подшипников фиксирующих опор и регулирование конического зацепления (осевого положения вала-шестерни).

Зазоры в подшипниках регулируют круглой шлицевой гайкой, осевое положение вала-шестерни — набором тонких металлических прокладок.

С целью обеспечения возможности применения стандартного (ГОСТ 16984— 79) ключа для завинчивания круглая шлицевая гайка должна быть вынесена за пределы фланца стакана, что увеличивает осевые размеры узла и усложняет форму крышки подшипника. При применении нестандартного ключа эти недостатки можно устранить.

Конструирование стаканов.

Конструкцию стакана определяет схема расположения подшипников. Стаканы обычно выполняют литыми из чугуна СЧ15.

Толщину δ стенки, диаметр d и число z винтов крепления стакана к корпусу назначают в зависимости от диаметра D отверстия под подшипник.

Толщина фланца δ₂ = 1,25. Высоту t упорного заплечика согласуют с размером фаски наружного кольца подшипника и возможностью его демонтажа винтовым съемником.

Принимая С ≈ d, h = (1,0...1,2)d, получаем минимальный диаметр фланца стакана D_ф= D_а + (4...4,4)d

Чтобы обеспечить сопряжение торцов фланца стакана и корпуса по плоскости, на наружной цилиндрической поверхности стакана перед торцом фланца делают канавку. Такие же канавки выполняют перед заплечиками стакана, по торцам которых устанавливают наружные кольца подшипников.

Иногда на наружной поверхности стакана делают проточку для уменьшения длины точно обрабатываемого участка. Диаметр в месте проточки принимают на 0,5... 1 мм меньше D_а. Длину l точного участка выполняют равной ширине наружного кольца подшипника.

В стаканах обычно размещают подшипники вала конической шестерни и фиксирующей опоры вала-червяка. Стаканы для подшипников вала конической шестерни перемещают при сборке для регулирования осевого положения конической шестерни. В этом случае приме­няют посадку стакана в корпус — H7/Js6. Для неподвижных после установки в корпус стаканов применяют посадки H7/k6 или H7/m6.

Конструирование крышек подшипников.

Крышки подшипников изготовляют из чугуна марок СЧ15, СЧ20. Различают крышки привертные и закладные.

Форма крышки зависит от конструкции опоры вала. Чаще всего торец вала не выступает за пределы подшипника. Поэтому наружная поверхность крышки плоская.

Чтобы поверхности фланца крышки и торца корпуса сопрягались по плос­кости, на цилиндрической центрирующей поверхности перед торцом фланца делают канавку шириной b. Крышку базируют по торцу фланца, поэтому поясок l с центрирующей цилиндрической поверхностью делают небольшим, чтобы он не мешал установке крышки по торцу корпуса: l ≈ b. Если в крышку подшипника встроено манжетное уплотнение, то допуск на центрирующий диаметр ужесточают.

Определяющим при конструировании крышки является диаметр D отверстия в корпусе под подшипник.

Крышку крепят винтами с цилиндрической головкой и шестигранным углублением под ключ. В этом случае толщину крышки принимают δ₃ = Н+ 0,85δ, где Н—высота головки винта.

Опорные поверхности под головки кре­пежных болтов или гаек чаще всего необ­ходимо обрабатывать. Обрабатывают или непосредственно те места, на которые опирают головки винтов, или весь поясок на торце в зоне расположения головок винтов. С точки зрения точности и быстроты предпочтительнее то­карная обработка, чем обработ­ка опорных поверхностей на сверлильном станке.

При установке в крышке подшипников манжетного уплотнения выполняют расточку отверстия так, чтобы можно было выпрессовать изношенную манжету. Иногда отверстие в крышке под манжет­ное уплотнение делают сквозным. Тогда для точной установки манжеты в отверстии на крышке необходимо обрабаты­вать торец, которым крышку устанавливают на опорную поверхность при запрессовке манжеты.

Закладные крышки.

Закладные крышки широко применяют в редукторах, имеющих плоскость разъема по осям валов. Эти крышки не требуют крепления к корпусу резьбовыми деталями: их удерживает кольцевой выступ, для которого в корпусе протачивают канавку. Чтобы обес­печить сопряжение торцов выступа крышки и канавки корпуса по плоскости, на наружной цилиндрической поверхности крышки перед торцом выступа желатель­но выполнять канавку шириной b.

Наружный диаметр крышки выполняют с такими отклонениями, при которых в сопряжении с корпусом крышка образует очень малый зазор, препятствующий вытеканию масла из корпуса. Толщину δ стенки принимают в зависимости от диаметра D отверстия под подшипник.

Обычно крышки изготовляют из чугуна. Однако с целью повышения проч­ности резьбы закладную крышку с резьбовым отверстием под нажимной винт изготовляют из стали.