СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ШАРИКОПОДШИПНИКА
METHOD OF STABILISATION OF BEARING PARAMETERS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к стабилизации геометрических параметров подшипников качения приработкой в собранном виде, предназначенной для уменьшения погрешностей их изготовления и снижения степени рассеивания эксплуатационных параметров.
Известны способы стабилизации параметров колец подшипников приработкой в среде абразивной суспензии [1, 2]. Недостатками данных способов являются длительность процесса, необходимость введения дополнительной трудоемкой операции очистки деталей подшипника от абразива и техническая сложность осуществления процесса обработки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ стабилизации параметров шарикоподшипников приработкой в собранном виде, заключающийся во вращении колец подшипников под нагрузкой [3]. Подшипник нагружают циклически изменяющейся во времени аксиальной нагрузкой, в момент действия минимальной нагрузки на подшипник накладывают ультразвуковые колебания и регулируют соотношение времени обработки при минимальной и максимальной нагрузке.
Недостатком данного способа является низкая эффективность процесса обработки, так как приработка осуществляется под нагрузкой, не обеспечивающей пластическую деформацию деталей, а следовательно, не изменяющей величину контактных напряжений в подшипнике, а чрезмерное повышение внешней нагрузки с целью обеспечения пластической деформации может привести к поломке подшипника.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно снижение контактных напряжений в подшипнике и, как следствие, повышение работоспособности подшипника.
Ожидаемым техническим результатом является формирование на дорожках качения под действием пластической деформации со стороны шариков локальной дорожки качения, обеспечивающей в собранном подшипнике плотное прилегание к ней шариков, что снижает величину контактных напряжений и повышает работоспособность подшипника.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе стабилизации параметров шарикоподшипников приработкой, заключающемся во вращении подшипника под нагрузкой, внешнюю нагрузку направляют к оси подшипника под углом не более 12 градусов, число шариков в процессе обработки устанавливают равным 4-6, при этом в качестве шариков используют шарики из материала с твердостью на 8-12 единиц HRC выше твердости материала колец подшипника, а силу воздействия на подшипник устанавливают такой, чтобы в процессе приработки шарики осуществляли пластическую деформацию дорожки качения.
Так как твердость шариков устанавливают на 8-12 единиц HRC выше твердости материала колец, а внешнюю нагрузку в процессе обработки устанавливают такой, чтобы шарики осуществляли пластическую деформацию дорожек качения, то на дорожках качения образуется локальная дорожка качения, которая обеспечивает в собранном подшипнике плотное прилегание к ней шариков, что снижает величину контактных напряжений и повышает работоспособность подшипника. Число шариков в процессе обработки ограничивают до 4-6 с целью снижения потребной силы приработки и предотвращения повреждения подшипника, с той же целью направляют силу под углом к оси подшипника. При направлении внешней нагрузки под углом к оси подшипника более 12 градусов в контакте с дорожками качения единовременно будет находиться только один шарик, что снизит качество обработки из-за возникновения вибраций.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема осуществления способа стабилизации параметров шарикоподшипника.
gl
g2
g1
g2
Для осуществления процесса приработки верхнее 1 и нижнее 2 кольца упорно-радиального подшипника собирают с шариками 3, разделенными сепаратором 4. Дорожки качения колец 1 и 2 имеют круговую форму профиля с радиусами r и r, соответственно. Шарики 3 имеют твердость на 8-12 единиц HRC выше твердости колец 1 и 2 подшипника. Число шариков 3 устанавливают равным четырем-шести. Диаметр шариков ds берут равным диаметру шариков в собранном шарикоподшипнике. Диаметры дорожек качения (по дну) D и D соответственно у кольца 1 и кольца 2 различные, поэтому между шариками 3 и дорожками качения колец 1 и 2 подшипника устанавливается угол контакта β≠0.
Процесс приработки осуществляют следующим образом. Подшипник устанавливают на оправке (не показана), имеющей привод вращения. К верхнему кольцу 1 подшипника прикладывают внешнюю нагрузку Р, например, посредством эксцентрикового механизма, направленную под углом α к оси вращения подшипника так, что линия действия нагрузки Ρ проходит через точку симметрии О расположения шариков 3. Угол действия нагрузки устанавливают равным от 0 до 12 градусов.
2
Нижнему кольцу 1 подшипника придают вращение с частотой n.
Внешнюю нагрузку Ρ определяют из условия, что шарики воздействуют на дорожки качения с силой, вызывающей пластическую деформацию поверхности дорожек качения.
s
o
g
p
1
S
1
S
5
5
Пример. Приработке подвергают дорожки качения упорно-радиального шарикоподшипника 1118-2902840: диаметр шариков d=5 мм; средний диаметр расположения шариков D=75 мм; радиус дорожек качения колец r=2,58 мм; угол контакта в подшипнике β=60°, число шариков в подшипнике z=46. Материалом колец является закаленная до твердости 49 HRC сталь 70 ГОСТ 14959-79: коэффициент Пуассона m=0,3; модуль упругости Ε=2,1·10; напряжение смятия материала колец σ=4700 МПа. Материалом шариков является ст. ШХ15: m=0,3; Е=2,12·10 МПа; σ=6270 МПа. На подшипник в процессе работы действуют внешние осевая и радиальная нагрузки: А=9950 H, R=1254 Н. При приработке используем число шариков z=4.
Угол действия нагрузки определяют из равенства:
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mi>R</mi><mi>A</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mn>1254</mn></mrow><mrow><mn>9950</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,125</mn><mo>=</mo><msup><mrow><mn>7,2</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mo>,</mo></mrow>
где А и R - соответственно осевая и радиальная внешняя нагрузки на подшипник, действующие в процессе эксплуатации. Результирующая нагрузка на подшипник:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>A</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mrow><mn>9950</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mn>1254</mn></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>10028</mn><mtext> </mtext><mi>H</mi><mo>.</mo></mrow>
Потребную максимальную нагрузку на шарики, при которой осуществляется пластическая деформация дорожек качения, определяют по формуле:
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,873</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>μ</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>σ</mi><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mroot><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>η</mi><mrow><mi>Σ</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>+</mo><mn>0,41</mn><msubsup><mi>ρ</mi><mi>p</mi><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>m</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mn>0,3</mn></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2,1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mn>3</mn><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2,12</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>8,67</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup><mtext> </mtext><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mi>Σ</mi><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><msub><mi>d</mi><mi>S</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>r</mi><mi>g</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>5</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2,58</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,44</mn><mtext> </mtext><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
p
коэффициенты µ=3,94 и ν=0,406 определяются по методике [5] в зависимости от соотношения радиусов профилей тел и дорожек качения; p=526 Η - максимальная нагрузка на шарики в шарикоподшипнике при нагрузке на подшипник А и R, определяемая по методике [4].
Для условий примера находим:
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>o</mi></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,873</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mn>3,94</mn><mo>⋅</mo><mn>0,406</mn><mo>⋅</mo><mn>4770</mn><mo>⋅</mo><mroot><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>8,67</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>0,44</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>+</mo><mn>0,41</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>526</mn></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>6407</mn><mtext> </mtext><mi>H</mi><mo>.</mo></mrow>
Потребную внешнюю нагрузку на подшипник при приработке находим по формуле:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mi>o</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>z</mi></mrow><mrow><msub><mi>p</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><mn>1,8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><mn>4</mn></mrow><mrow><mn>526</mn><mo>⋅</mo><mn>46</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>10620</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>H</mi><mo>.</mo></mrow>
.
p
Как видно из результатов расчета, нагрузка на подшипник при приработке не превышает нагрузку P, действующую на подшипник в процессе эксплуатации. Поэтому эта нагрузка не повреждает подшипник в процессе приработки.
p
После приработки с указанным режимом на дорожках качения образуется локальная дорожка качения с радиусом, равным радиусу шариков, и шириной, равной ширине b=1,96 мм площадки контакта наиболее нагруженного шарика с дорожкой качения в стандартном подшипнике, образуемой при нагрузке на шарик p=526 Н.
p
r
p
После осуществления приработки подшипник разбирают, заменяют z=4 шарика на точно такие же z=46 шариков и собирают подшипник. После такой обработки в шарикоподшипнике при тех же нагрузках А и R за счет плотного прилегания шариков к локальным дорожкам будут действовать гораздо меньшие контактные напряжения σ=2131 МПа, чем до обработки σ=2522 МПа, что несложно определить по методике [5]. Это обеспечивает более высокую работоспособность подшипника.
В частности, для многих подшипников, особенно автомобильных, одним из основных показателей качества является сопротивление удару. Критической силой удара является такая, при которой на дорожках качения остаются следы пластической деформации от шариков.
p
Для стандартного подшипника силу воздействия на шарики, при которой начинается пластическая деформация дорожки, можно найти по формуле (1) при p=0:
<mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>p</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,873</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mn>3,94</mn><mo>⋅</mo><mn>0,406</mn><mo>⋅</mo><mn>4770</mn><mo>⋅</mo><mroot><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>8,67</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>0,44</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>3556</mn><mtext> </mtext><mi>H</mi><mo>.</mo></mrow>
Тогда подшипник может выдержать силу удара, равную:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>u</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>p</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>r</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>α</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>sin</mi><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3556</mn><mo>⋅</mo><mn>46</mn></mrow><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mn>7</mn><mi>O</mi></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>0,137</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><msup><mrow><mn>60</mn></mrow><mi>O</mi></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mn>7</mn><mi>O</mi></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>0,726</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mrow><mn>60</mn></mrow><mi>O</mi></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>67790</mn><mtext> </mtext><mi>H</mi></mrow>
.
Подшипник после приработки выдержит силу удара, равную:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>u</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>r</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>α</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>sin</mi><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>6407</mn><mo>⋅</mo><mn>46</mn></mrow><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mn>7</mn><mi>O</mi></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>0,137</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><msup><mrow><mn>60</mn></mrow><mi>O</mi></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mn>7</mn><mi>O</mi></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>0,726</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mrow><mn>60</mn></mrow><mi>O</mi></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1221100</mn><mtext> </mtext><mi>H</mi></mrow>
Как видно из результатов расчета, подшипник после приработки выдерживает на 80% большую силу удара, чем стандартный подшипник, что обеспечивает его повышенную работоспособность. А так как ширина локальной дорожки качения равна ширине площадки контакта шариков с дорожками качения в стандартном шарикоподшипнике, то подшипник после приработки сохранит момент сопротивления вращению и не будет испытывать повышенные тепловыделения при работе.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в следующем:
1. Снижение контактных напряжений в шарикоподшипнике, так как радиус локальных дорожек качения наружного и внутреннего колец, по которым катятся шарики в шарикоподшипнике, близок к радиусу шариков, а контактные напряжения распределены по поверхности контакта более равномерно, чем в стандартном подшипнике.
2. Упрочнение поверхности в зоне контакта с шариками, полученное в процессе приработки, компенсирует эффект, получаемый от снижения твердости колец подшипника.
3. Снижение момента трения в подшипнике, так как размеры площадки контакта ограничены размером поперечного сечения локальной дорожки качения даже при больших внешних нагрузках.
4. Снижение требований к точности предшествующих технологических операций механической обработки колец шарикоподшипника, так как процесс шариковой приработки устраняет такие дефекты, как волнистость, отклонение от круглости, шероховатость.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1294580, МПК: B24B 19/06. Способ доводки подшипника качения в сборе. Опубл. 07.03.1987.
2. Авторское свидетельство SU №1202815, МПК: B24B 1/00, B24B 19/06. Способ доводки шарикоподшипников в собранном виде. Опубл. 07.01.1986.
3. Авторское свидетельство SU №1264023, МПК: G01M 13/04. Способ приработки шарикоподшипников. Опубл. 15.10.1984 - прототип.
4. Механизм воздействия на шарики в упорно-радиальном подшипнике комбинированной внешней нагрузки / А.В. Королев [и др.] // Современные технологии в горном машиностроении: сб. науч. тр. семинара, г. Москва, 27-31 янв. 2014 г. - М., 2014. - С. 336-343.
5. Спришевский А.И. Подшипники качения. М.: «Машиностроение», 1968, 432 с.