Схема установки подшипников в редукторе: фиксированная и плавающая опоры и как зубчатые нагрузки определяют тип

Нужен ли этому редуктору вообще фиксированный и плавающий конец?

Вал на двух или трёх подшипниках нуждается в одном фиксирующем подшипнике, задающем его осевое положение, даже когда осевая сила пренебрежимо мала¹⁰. Там, где опоры разнесены далеко, вал и корпус удлиняются по-разному, и один подшипник должен плавать, чтобы разница удлинений не создавала паразитную осевую силу¹⁰.

То же относится к суммированию осевых допусков между двумя позициями подшипников¹⁰. Тепловое перемещение поглощается одним из двух способов.

Плавающий подшипник позволяет валу скользить в осевом направлении, либо встроенный внутренний зазор принимает изменение; больший радиальный зазор подходит более горячему внутреннему кольцу, и этот зазор закрывается по мере удлинения вала⁴. Цилиндрические роликоподшипники NU/N могут поглотить перемещение внутри самого подшипника²³.

Длинный вал редуктора со значительным расстоянием между опорами — это случай, когда требуются один фиксирующий и один плавающий подшипник¹⁰. Короткий вал, усадка которого существенно не влияет на работу, — это случай, когда два конца различать не нужно.

Тогда сдвоенный шариковый радиально-упорный или конический комплект несёт осевую нагрузку, а зазор задаётся гайками или прокладками²². Это реальное разногласие в источниках, а не порог, который можно прочитать: ни один источник не указывает длину вала или расстояние, при котором плавание становится необходимым^10,12,22.

Прежде чем фиксировать схему, запросите у поставщика или конструктора редуктора ожидаемую разницу температур между валом и корпусом на посадочных местах подшипников и сумму осевых допусков между двумя позициями. Ни одной из этих цифр нет в данном наборе источников, а обе решают, нужно ли плавание.

Какой тип подшипника ставится на плавающий конец

Плавающую позицию лучше всего обслуживает цилиндрический роликоподшипник с одной прямой дорожкой: смазанные ролики скользят по прямому пути и поглощают осевое перемещение внутри подшипника¹⁰. SKF описывает те же конструкции N и NU для нефиксирующих позиций, где должно компенсироваться тепловое удлинение вала²³.

Если вместо этого на свободной стороне используется неразъёмный подшипник, обычная практика — посадка с зазором между наружным кольцом и корпусом или в некоторых случаях между валом и внутренним кольцом. Так вал может перемещаться внутри подшипника¹².

Шариковые радиальные, двухрядные радиально-упорные, конические TDO и сферические роликоподшипники обрабатываются так, когда находятся на свободной стороне¹⁰. Одна деталь, о которую спотыкаются: цилиндрический роликоподшипник, используемый как плавающий, всё равно требует фиксации наружного кольца, потому что оно не соединено с внутренним и может уползать².

Тот же источник отмечает, что широкий плоский ролик может сильно вспенивать масло, если в этой зоне его слишком много, поэтому управление маслом важно, если КПД — приоритет². Проверьте чертёж корпуса на посадку, которую вы намерены на плавающей позиции, до отправки запроса цен.

Разъёмному NU/N нужен фиксирующий элемент для наружного кольца; неразъёмной альтернативе нужна посадка с зазором, прописанная на чертеже, а не оставленная на усмотрение станочника.

Выбор типа фиксированной опоры по воспринимаемой осевой нагрузке

Фиксированная сторона задаёт осевое положение вала и должна воспринимать осевую нагрузку в обоих направлениях, поэтому её тип выбирается по прочности под этой нагрузкой¹². Список кандидатов широк: шариковый радиальный, спаренный или пакетный радиально-упорный, двухрядный радиально-упорный, самоустанавливающийся шариковый, цилиндрический роликоподшипник с бортом (NUP и NH), двухрядный конический и сферический роликовый¹².

Какой выбрать, зависит от величины нагрузки, скорости и требуемой жёсткости, и ни один источник не называет единственный обязательный тип для фиксированной опоры редуктора¹². Там, где тепловое удлинение создаёт осевую реактивную силу, конические ролики в паре навстречу несут осевую и радиальную составляющие вместе по самой конструкции²¹.

Радиально-упорные шарикоподшипники создают собственную осевую составляющую, поэтому пара ставится лицом к лицу или спиной к спине¹⁸. Сферические роликоподшипники самоустанавливаются, неся тяжёлую комбинированную радиальную и осевую нагрузку, и указываются как частые в редукторах¹¹.

На вертикальном валу с тяжёлой осевой нагрузкой фиксированная сторона всё равно принимает подшипник, несущий и радиальную, и осевую нагрузку. А упорный подшипник можно добавить рядом с радиальным, когда осевая нагрузка велика²².

Дайте поставщику осевую нагрузку в обоих направлениях и требуемую жёсткость, а не только диаметр отверстия. Список кандидатов достаточно длинный, чтобы сузить его должен расчётный случай нагрузки, а не страница каталога.

Согласование направления силы в зацеплении с типом подшипника

Подшипники воспринимают радиальные нагрузки перпендикулярно оси вала и осевые — вдоль неё, и многие конструкции несут обе одновременно, с внутренней структурой, оптимизированной под доминирующее направление и величину¹⁷. Тип, величина и направление нагрузки — первый фактор выбора, впереди скорости, температуры и пространства⁹.

Прямозубые колёса не создают осевой нагрузки, поэтому редуктор может работать полностью на цилиндрических роликоподшипниках с буртиками, единственная задача которых — держать вал на месте². Это случай, когда завышение спецификации комбинированного подшипника ничего не даёт.

Когда зацепление всё же создаёт осевую нагрузку, фиксированной стороне нужен тип, который её несёт: конические ролики несут радиальную и однонаправленную осевую нагрузку вместе и обычно применяются парами, тогда как цилиндрические ролики несут только чистую радиальную нагрузку¹⁴. Варианты цилиндрических роликоподшипников здесь различаются, и разница важна на этапе запроса цен.

Конструкции NU и N несут только радиальную нагрузку; NJ — осевую в одном направлении; NUP или NJ+HJ — в обоих²³. При комбинированной нагрузке динамическая эквивалентная нагрузка P = XFr + YFa, и предел e решает, учитывается ли вообще осевой член¹⁸.

Выясните, создаёт ли ваше зацепление осевую силу, прежде чем выбирать тип фиксированной опоры. Если нет — полностью цилиндрическая схема является приводимой практикой; если да — фиксированная сторона должна нести эту силу в обоих направлениях.

Задание базы долговечности и надёжности до выбора размера

Долговечность рассчитывается по ISO 281 как L10 из динамической грузоподъёмности подшипника и эквивалентной динамической нагрузки, с пиковыми нагрузками, включающими пуск, установившийся режим и аварийный останов^5,24. Надёжность выше 90% обрабатывается коэффициентом a1, применяемым к этому результату: 1,00 при L10, 0,64 при L5 и 0,25 при L1²⁶.

Если скорректированная долговечность неприемлема, ответ — подшипник с большей динамической грузоподъёмностью, а не другая схема²⁶. Сама цель зависит от применения.

Её задают отраслевые стандарты или политика компании и то, как часто работает оборудование — периодически или круглосуточно, смен в сутки, дней в неделю³¹. Ни один источник в этом наборе не указывает требуемый целевой L10h, статический или динамический коэффициент безопасности или значение aISO для редуктора, поэтому они должны исходить из вашего собственного режима работы.

Выполните расчёт L10 для выбранного кандидата, затем примените коэффициент a1 для действительно нужной вам надёжности. Если число недостаточно, сначала увеличьте динамическую грузоподъёмность и лишь потом пересматривайте схему.

Смазка и уплотнение для выбранной схемы

Конфигурация уплотнения задаёт защиту от загрязнений и объём обслуживания. Открытые подшипники работают быстрее всего без какой-либо защиты; металлические щитки бесконтактны и удерживают умеренную пыль; резиновые уплотнения 2RS дают максимальную защиту ценой скорости³⁰.

Поставщик прецизионных подшипников описывает бесконтактные лабиринтные уплотнения как первую линию защиты и заявляет, что уплотнения CF дают полную эффективность уплотнения против разбрызгиваемых жидкостей без дополнительного пространства²⁹. Метод смазки может изменить исход сильнее, чем уплотнение.

Бумажный комбинат перевёл подшипники прессовых валов с пластичной смазки на циркуляционное масло после повторяющихся отказов. С момента перехода отказов подшипников в этом участке нет, а показания вибрации, сигнализирующие о раннем повреждении от проскальзывания, снизились⁷.

Тот же источник отмечает, что переход требует дополнительного обучения персонала по смазке и обслуживанию, включая утилизацию масла и контроль уровня⁷. Для плавающей позиции с цилиндрическим роликоподшипником помните о пункте вспенивания масла из раздела о плавающем конце: лишнее масло в этой зоне стоит КПД².

Решайте метод смазки и тип уплотнения вместе, потому что выбор уплотнения ограничивает скорость, а выбор смазки задаёт режим обслуживания. Ни расход масла, ни срок службы смазки в этом наборе источников не установлены — их даёт поставщик смазочных материалов.

Что фиксировать при сборке, а что оставить регулируемым

Там, где схема требует большей жёсткости под более тяжёлой или ударной нагрузкой, подшипники фиксированной стороны монтируются спина к спине с предварительным натягом, а вал и корпус должны быть изготовлены с точными размерами¹⁹. Там, где интервалы между подшипниками малы, осевой зазор можно вместо этого настроить после монтажа гайками или прокладками²².

Приведённые ниже проверки разделяют эти два случая до выпуска чертежа в работу.

• ✓Подтвердите, нуждается ли фиксированная сторона в предварительном натяге ради жёсткости, или допустима регулировка зазора гайками или прокладками.
• ✓Если предварительный натяг требуется, проверьте, что размеры вала и корпуса имеют допуски для точного монтажа.
• ✓Сверьте расстояние между подшипниками со случаем коротких интервалов, где фиксированная и свободная стороны не различаются.
• ✓Подтвердите, что расчётный случай нагрузки охарактеризован до фиксации схемы.
• ✓Сверьте требуемую скорость с предельной скоростью и значением dN кандидата.
• ✓Подтвердите допуск перекоса, смазку и монтаж относительно фактических вала, корпуса и среды.

Где на самом деле формируются стоимость и срок поставки

Не существует универсально лучшей схемы; применение определяет конструкцию зубчатой передачи, а она — подшипниковую систему⁸. Высокопроизводительная тихая зубчатая пара может оправдать предварительно нагруженные валы, тогда как конструкция, определяемая стоимостью и КПД, может использовать подшипники с меньшей точностью хода и жёсткостью и принимать вторичный NVH⁸.

В мелкосерийном производстве специальных подшипников дизайн сепаратора может стать решающим фактором выбора типа, потому что уникальные делительные диаметры и комплекты тел качения часто нереалистичны, как только учтена стоимость оснастки⁶. В эту же решимость входит класс материала: пластмассы низкого класса стоят около 1 USD/кг, тогда как более совершенные полимеры — около 60 USD/кг³².

Стандартный против специального меняет и коммерческие условия. Один поставщик сообщает, что минимальный объём заказа для подшипников C3 варьируется по типу, спецификации и необходимости кастомизации, а для предложения и оценки срока поставки нужны модель, код зазора, количество и применение³³.

Если ваши объёмы малы, проверьте, является ли указанный вами сепаратор стандартным делительным диаметром и комплектом, прежде чем считать, что подшипник есть со склада. Этот единственный вопрос часто решает, стоит ли запрашивать предложение по специальному изготовлению.

В чём источники расходятся

Что источники не устанавливают

• Ни один источник не даёт метода или данных для расчёта тангенциальной, радиальной и осевой составляющих силы в зубчатом зацеплении, спектра нагрузки или цикла работы редуктора.
• Ни один источник не количественно определяет требуемую точность осевого позиционирования или допустимое осевое смещение.
• Ни один источник не даёт числовых радиальных или осевых грузоподъёмностей, предельных скоростей, допусков перекоса или значений жёсткости для типов-кандидатов.
• Ни один источник не даёт величин теплового удлинения или метода расчёта расширения вала и корпуса в редукторе.
• Ни один источник не указывает требуемый целевой L10 или L10h, статические или динамические коэффициенты безопасности или значения aISO для этого применения.
• Ни один источник не даёт времени сборки или разборки, либо требований к оснастке для регулируемого против фиксированного монтажа.
• Ни один источник не даёт расход масла, уровень масла, срок службы смазки или спецификации защиты от загрязнений для редуктора.
• Ни один источник не даёт стоимость подшипника за единицу, стоимость обработки корпуса, труд сборки или пороги объёмов для специального против стандартного подшипника.
• Ни один источник не рассматривает специфические для редуктора случаи нагрузки, такие как перекос колёс, динамические силы в зацеплении или влияние предварительного натяга подшипников на зубчатый контакт.