Классы допусков вала и корпуса для подшипников качения: как выбор посадки определяет внутренний зазор

Сначала решить: какое кольцо вращается относительно нагрузки

Выбор посадки начинается с одного вопроса: вращается ли направление нагрузки относительно кольца или кольцо остается неподвижным под нагрузкой? Кольцо, вращающееся относительно нагрузки, при ненадежной посадке склонно ползти по своей посадочной поверхности, поэтому эта поверхность требует посадки с натягом или переходной посадки.

Если направление нагрузки неподвижно, кольцо может оставаться на месте — посадка с зазором допустима и часто желательна, поскольку позволяет кольцу смещаться в осевом направлении. Обе посадочные поверхности сведены в отдельные таблицы.

На валу вращающееся внутреннее кольцо требует классов с натягом — h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 или r6 в зависимости от нагрузки и диаметра, — тогда как невращающееся внутреннее кольцо использует g6, когда кольцо должно перемещаться плавно, и h6, когда в этом нет необходимости².

В корпусе невращающееся наружное кольцо использует классы с зазором H7, H8, G7 или F7, а вращающееся наружное кольцо — M7, N7 или P7⁵. Обе таблицы являются функциями типа нагрузки, типа подшипника и размера, поэтому класс нельзя выбрать только по направлению нагрузки²⁵.

Ошибка здесь обходится дважды. Слабая посадка позволяет дорожке качения вращаться и фреттинговать о вал или корпус, а посадка, не поддерживающая должным образом тонкое кольцо, сокращает срок службы и может потребовать восстановления вала или корпуса до установки заменяющего подшипника¹¹.

Чтение класса вала по таблице нагрузки и диаметра

Для вращающегося внутреннего кольца класс вала сведен в таблицу по величине нагрузки и диаметру вала, а посадка определена относительно нормального допуска отверстия подшипника — то есть один и тот же буквенный класс означает разный абсолютный натяг при разных диаметрах²¹².

Приведенная ниже таблица соответствует легкой и нормальной нагрузке для подшипников с цилиндрическим отверстием классов 0, 6X и 6; тяжелая или ударная нагрузка смещает класс к n6, p6 или r6 и требует подшипник с большим, чем стандартный, внутренним зазором². Существенны два послабления.

Там, где требуется высокая точность, js5, k5 и m5 заменяют js6, k6 и m6². Для однорядных конических роликоподшипников и радиально-упорных шарикоподшипников k5 и m5 могут заменяться на k6 и m6, поскольку учитывать уменьшение внутреннего зазора от посадки в этом случае не требуется².

Чтение класса корпуса по таблице нагрузки и смещения

Класс корпуса зависит от того, должно ли наружное кольцо оставаться осевоподвижным, от типа нагрузки и от того, насколько горячо работают вал и внутреннее кольцо. Поэтому единый класс по умолчанию неверен для вращающегося наружного кольца или горячего вала⁵.

Если нагрузка на наружное кольцо невращающаяся и кольцо должно легко смещаться, обычным выбором является H7; для крупного подшипника или большой разницы температур между наружным кольцом и корпусом может применяться G7⁵. Если вал и внутреннее кольцо работают горячими, класс корпуса переходит к G7, а для крупного подшипника или большой разницы температур — к F7⁵.

Вращающееся наружное кольцо не имеет осевого смещения и получает M7, N7 или P7 в зависимости от нагрузки и сечения корпуса⁵.

Проверить, не съедает ли натяг внутренний зазор

Посадка с натягом расширяет внутреннее кольцо, и это расширение уменьшает изготовленный, то есть заводской, внутренний зазор подшипника¹⁹. Плотная посадка в корпусе действует так же снаружи, сжимая наружное кольцо; оба уменьшения суммируются³.

Если уменьшение не учтено, заводского зазора может не хватить для сохранения рабочего зазора, и подшипник может уйти в отрицательный зазор, чрезмерное трение и ранний выход из строя³¹⁹. Уменьшение — это не просто номинальный натяг.

Эффективный натяг рассчитывается как две трети номинального натяга минус размер сплющивания — для внутреннего и для наружного кольца, — а результирующее изменение зазора зависит от эффективного натяга, сопрягаемого диаметра вала и толщины стенки расточки корпуса⁹. Поэтому класс посадки и класс зазора выбираются вместе, а не последовательно.

Там, где посадка плотная, рабочая температура стабильно высока или частоты вращения выходят за стандартный диапазон, правильным выбором будет больший класс зазора, такой как C3; C4 оставлен для исключительно высоких температур, значительного теплового перепада между валом и корпусом, тонкостенных корпусов или сильного перекоса²⁰.

Один поставщик называет C3 стандартной рекомендацией для многих распространенных промышленных электродвигателей и редукторов — это позиция данного поставщика, а не правило для любого применения²⁰.

Температурный перепад и схема со свободной стороной

Зазор смещается и с температурой. Если внутреннее кольцо или вал, как ожидается, будут работать горячее и расширяться сильнее, чем наружное кольцо или корпус, рабочий зазор в эксплуатации снижается, поэтому больший радиальный зазор желателен с самого начала; если наружное кольцо расширяется сильнее внутреннего, зазор, наоборот, растет⁴.

Та же логика управляет и классом зазора: C3 — когда рабочая температура стабильно высока, посадки плотные или частоты выше стандартных, и C4 — когда тепловой перепад между валом и корпусом значителен²⁰. Подшипник на свободной стороне — другой способ воспринять это перемещение.

Он компенсирует расширение или усадку, вызванные изменением рабочей температуры, и если на свободной стороне применяется неразборный подшипник, между наружным кольцом и корпусом предусматривается посадка с зазором, в ряде случаев также между валом и внутренним кольцом²¹. Такая посадка с зазором — сознательное тепловое решение, а не вариант плавающей стороны с увеличенным зазором.

Ограничить натяг с обоих концов

Посадка должна быть плотной настолько, чтобы остановить ползучесть кольца, и свободной настолько, чтобы не перегрузить его. Правильные посадки предотвращают вращение дорожки качения относительно вала или корпуса и следующие за этим фреттинг и задиры, а также поддерживают относительно тонкие кольца подшипника; допустимые допуски вала и корпуса лишь незначительно превышают допуски сопрягаемых деталей подшипника¹¹.

Запрессовка внутреннего кольца увеличивает окружные напряжения в кольце. Для одного конкретного случая — радиально-упорного подшипника главного вала с отверстием 120 мм из стали M50 для турбореактивного двигателя — источник рекомендует, чтобы эта запрессовочная составляющая окружного напряжения не превышала примерно 140 МПа¹⁷.

Эта цифра взята из единственного высокоскоростного авиационного применения и не является общеотраслевым пределом; воспринимайте ее как напоминание, что максимальный натяг ограничен напряжением кольца, и запросите у поставщика подшипников предел, действующий для вашего подшипника.

Выбрать способ монтажа, позволяющий достичь посадки

Заданный на чертеже натяг должен быть достижим без повреждения дорожек качения. Подшипники с цилиндрическим отверстием обычно монтируют запрессовкой либо нагревом внутреннего кольца для расширения отверстия перед сборкой — так называемая посадка с нагревом (shrink fit)²⁶.

Для более крупных подшипников или большего натяга горячий монтаж снижает риск повреждения дорожки качения при запрессовке, а там, где наружному кольцу нужна посадка с натягом, подшипник можно предварительно охладить сухим льдом, предварительно нане антикоррозионное покрытие²⁶. Инструмент значит не меньше, чем температура.

Следует использовать пресс для подшипников, индукционный нагреватель или гидравлический пресс в соответствии с типом подшипника и посадкой, и усилие никогда нельзя прикладывать непосредственно к телам качения — только к монтируемому кольцу¹³.

Что подтвердить на чертеже до заказа

Посадки записываются как комбинации буквы и цифры, например m6 и H7, где строчная буква обозначает наружный диаметр вала, а заглавная — расточку корпуса, и каждая из них определена относительно нормального допуска отверстия или наружного диаметра подшипника¹².

Поскольку эти нормальные допуски растут с размером подшипника, один и тот же класс дает разную абсолютную посадку на более крупном подшипнике; поэтому чертеж неполон без класса допуска подшипника, относительно которого он определен¹². Источники не дают числовых значений геометрии или шероховатости посадочных поверхностей, поэтому они должны быть сформулированы как пункты проверки, а не скопированные числа.

• ✓Указать класс допуска подшипника, относительно которого определена посадка, в обозначении ISO, DIN, ANSI/ABEC или JIS, которым пользуется поставщик [S12][S14][S25]
• ✓Подтвердить класс вала по случаю нагружения и фактическому диапазону диаметров вала, а не класс по умолчанию [S2]
• ✓Подтвердить класс корпуса по потребности наружного кольца в смещении и температуре вала [S5]
• ✓Указать класс внутреннего зазора (CN, C3 или C4) и посадку, с которой он был выбран [S20]
• ✓Потребовать от производства проверки диаметра вала, расточки корпуса, шероховатости и формы до монтажа [S11]
• ✓Получить от поставщика подтверждение ожидаемого уменьшения зазора для заданной посадки [S19][S9]
• ✓Назвать способ монтажа и инструмент, чтобы заданный натяг был достижим без повреждения дорожек качения [S26][S13]

Где источники расходятся или молчат

Приведенные выше таблицы взяты из руководств поставщиков по выбору посадок, и указывают они не в одну сторону. Строки ниже сохраняют каждую позицию отдельно; доказательная база не проясняет, какая из них применима к конкретной машине, поэтому закупщик проверяет это против реального применения.

Чего источники не устанавливают

• Ни один источник не даёт числовых значений отклонений отверстия и наружного диаметра Δdmp/ΔDmp для конкретного подшипника, поэтому фактический натяг по этой статье вычислить нельзя.
• Ни один источник не даёт числовых диапазонов радиального внутреннего зазора для CN, C3 или C4 до монтажа.
• Ни один источник не даёт полной формулы коэффициента соотношения колец для уменьшения зазора; указаны лишь коэффициент 2/3 и размер сплющивания G*.
• Ни один источник не даёт числовых расчётов теплового расширения или перепада температур, при котором становится необходимым C3 или C4.
• Ни один источник не даёт формулы минимального натяга для предотвращения проскальзывания или фреттинга, либо общего предела максимального натяга для трещин или окружных напряжений.
• Ни один источник не даёт числовых требований к шероховатости поверхности (Ra), цилиндричности, круглости или перпендикулярности буртика.
• Ни один источник не даёт достижимых или требуемых значений натяга либо значений монтажной силы для запрессовки, индукционного нагрева, впрыскивания масла или гидравлической гайки.
• Ни один источник не даёт числовых геометрических допусков посадочных мест вала или корпуса относительно допусков подшипника.