ЗАВИСИМОСТЬ МОМЕНТА ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА ОТ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ



Момент трения любого подшипника является одним из его важных эксплуатационных параметров. Особенно высокие требования к величине трения предъявляются подшипникам, используемым в органах управления машин, например, к подшипникам верхней опоры передней подвески автомобилей.

Ключевые слова: упорный подшипник, момент трения, шарики, волнистость поверхности, внешняя нагрузка.

Объектом исследований служил подшипник верхней опоры стойки передней подвески автомобилей семейства ВАЗ 1118-2902840-01. Кольца подшипника состоят из пластмассового кожуха и запрессованного в него металлического кольца. Между кольцами с полным заполнением дорожек качения размещаются шарики. Свободное пространство между дорожками и телами качения подшипника наполнялось смазкой.

Переменными факторами являлись, диаметр шариков ds. волнистость дорожек качения W и внешняя нагрузка P и соотношение радиуса профиля дорожек качения и диаметр шариков ds = rg / ds.

В качестве плана эксперимента выбрали полный факторный эксперимент 24. Эти факторы и область их определения приведены в табл. 1.

Поверка гипотезы однородности дисперсии осуществлялась по критерию Кохрена с уровнем значимости 0,05, значимость коэффициентов регрессии оценивалась по tt - критерию Стьюдента с уровнем значимости 0,05, оценка адекватности модели определялась по критерию Фишера с уровнем значимости 0,05.

В результате обработки экспериментальных исследований была получена математическая модель, устанавливающая связь момента трения качения подшипника с влияющими факторами: диаметром шариков, соотношением радиуса профиля желоба подшипника и диаметра шариков, волнистости дорожки качения и осевой нагрузки на подшипник. Математическая зависимость имеет следующий вид:

где Mt - момент сопротивления качению, Нм; ds - диаметр шариков, мм; ds - отношение радиуса дорожки качения rg к диаметру шариков: sgdr/;  W - волнистость дорожки качения, мм; P - осевая нагрузка на подшипник в процессе измерения момента трения качения, H.

Как видно из равенства (1), диаметр шариков ds и волнистость W дорожки качения оказывают на момент сопротивления вращению Mt непосредственное влияние. Осевая нагрузка на подшипник P и соотношение радиуса профиля дорожки качения и диаметра шариков  оказывают на момент сопротивления вращению взаимное влияние. Это означает, что с возрастанием нагрузки P на подшипник влияние соотношения радиуса дорожки качения и диаметра шариков  на момент сопротивления вращению падает, и при возрастании соотношения радиуса дорожки качения к диаметру шариков  влияние осевой нагрузки P на момент сопротивления вращению уменьшается.

Размер шариков в подшипнике оказывает менее значительное влияние на момент трения качения, чем два других рассмотренных фактора. С возрастанием размеров шариков момент трения качения незначительно уменьшается. Например, при благоприятных значениях прочих факторов увеличение диаметра шариков с 5 мм до 5,5 мм (на 10%) момент трения качения уменьшается с 0,368 Нм до 0,262 Нм (на 40%). При неблагоприятных значениях прочих факторов это уменьшение составляет 9% - с 1,248 Нм до 1,142 Нм. Влияние размера тел качения на момент трения качения объясняется тем, что с возрастанием размеров тел качения уменьшается число шариков в подшипнике и увеличивается плечо — диаметр шарика, на котором действуют силы трения в подшипнике. Эти факторы оказывают положительное влияние на момент сопротивления. С другой стороны, с возрастанием размеров тел и дорожек качения возрастает размер площадки контакта. Это отрицательный фактор. Но действие положительных факторов более значительно, чем отрицательных, и поэтому в целом увеличение размеров тел качения приводит к снижению момента сопротивления.

Наименее значительным фактором из числа исследуемых является волнистость дорожек качения. Из рисунка равенства (1) видно, что с возрастанием волнистости дорожки качения в пределах от 0,005 мм до 0,02 мм (в 4 раза) момент трения качения возрастает на 21—26%. Наличие волнистости на дорожках и телах качения приводит к неравномерной нагрузке на тела качения. Те тела качения, которые находятся на вершинах неровностей, нагружены более значительно, чем те, которые находятся во впадинах. Поэтому, с одной стороны, с возрастанием волнистости уменьшается число тел качения, находящихся в полном контакте. С другой стороны, повышенная нагрузка на тела качения способствует увеличению размеров площадок контакта, что приводит к повышению трения между телами и дорожками качения. Влияние последнего из указанных факторов преобладает.