Способ комплектования шарикоподшипников
METHOD OF BALL BEARINGSCOMPLETION

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам селективной сборки подшипников качения, например радиально-упорных, упорно-радиальных однорядных и двухрядных, и может быть использовано в подшипниковой промышленности.
Известен способ комплектования шариковых подшипников путем подбора диаметров дорожек качения колец и тел качения по величине допустимого радиального зазора [RU №2127836]. Диаметры дорожек качения измеряют в автоматическом режиме на измерительных позициях комплектующего устройства, а перед началом и в процессе комплектования осуществляют статистический анализ размеров колец подшипников.
Недостатком способа является то, что он предназначен только для радиальных подшипников качения.
Известен также способ комплектования упорно-радиальных подшипников путем контроля после сборки угла контакта в радиально-упорных шарикоподшипниках по разности частот вращения кольца подшипника и сепаратора [Черневский Л.В. Технологическое обеспечение точности сборки прецизионных изделий. М.: Машиностроение, 1984, стр. 122-132].
Недостатком этого способа является высокая трудоемкость, поэтому применение данного способа ограничивается особыми случаями, например в случае проведения научных исследований.
Известен также способ комплектования упорно-радиальных шариковых подшипников путем измерения радиального, осевого зазоров и определения по формуле угла контакта в подшипнике [SU №1320687].
Недостатком способа является то, что он может использоваться только для комплектования радиально-упорных подшипников с небольшим углом контакта.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ комплектования деталей при селективной сборке радиально-упорных и упорно-радиальных шарикоподшипников, включающий измерение диаметров дорожек качения наружных и внутренних колец под углом контакта под действием осевой нагрузки [RU №2141582]. Измерению подвергают и шарики с последующим делением их на размерные группы. Затем измеряют относительное положение торцов внутреннего и наружного колец под нагрузкой и с учетом всех параметров измерения и суммарной погрешности комплектования моделируют сборку, рассчитывая точность комплектования путем нахождения эмпирического закона распределения выходного параметра по законам распределения геометрических параметров деталей.
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что он не учитывает соотношение радиальной и осевой рабочих нагрузок на подшипник, в результате чего выбранные параметры комплектования подшипника не обеспечивают требуемую грузоподъемность подшипника. В соответствии с действующей методикой расчета геометрических параметров шариковых подшипников минимальный радиус профиля дорожек качения в стандартных подшипниках составляет , где  - диаметр шариков [А.И. Спришевский. Подшипники качения. М., «Машиностроение», 1968. стр. 72]. На радиус профиля дорожки качения назначают допуск . Поэтому установленное длительной практикой рациональное соотношение между радиусом профиля дорожек качения и диаметром шарика составляет . При выходе за минимальное значение указанного соотношения повышается грузоподъемность подшипника, но резко возрастает трение, что не допустимо, так как резко возрастает износ дорожек и тел качения и возрастает температура на рабочей поверхности подшипника. При выходе за максимальное значение указанного соотношения резко снижается грузоподъемность подшипника. Но так как при комплектовании подшипников известным способом радиус профиля дорожек качения во внимание не принимают, то формирование комплектовочных групп с разным диаметром шариков приводит к различному соотношению в различных группах радиусов профиля дорожек и тел качения и в целом к нарушению указанного выше соотношения, что снижает эксплуатационные свойства подшипника. Так как грузоподъемность партии подшипников определяется его минимальным значением в партии, то в целом грузоподъемность подшипников при таком способе комплектования снижается.
Задачей настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка, а именно повышение грузоподъемности подшипника качения при упрощении процесса комплектования.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе комплектования шарикоподшипников, включающем измерение диаметров дорожек качения наружных и внутренних колец под углом контакта под действием осевой нагрузки, в качестве осевой нагрузки используют нагрузку на шарики, равную , при этом диаметр шариков при комплектовании определяют из соотношения , а угол контакта при измерении диаметров дорожек качения определяют как , где  - нагрузка, при которой осуществляют измерение диаметров дорожек качения, Н;  - число шариков, которыми осуществляют измерение диаметров дорожек качения; z - число шариков в собранном шарикоподшипнике; - номинальный угол контакта в подшипнике, обеспечиваемый в процессе комплектования, рад.;  - максимальное значение отношения радиальной R и осевой А рабочих нагрузок на подшипник в процессе эксплуатации;  - диаметр комплектовочных шариков, мм;  и  - максимально и минимально допустимые радиусы профиля дорожек качения, мм.
Технический результат заключается в снижении нагрузки на шарики за счет выбора угла комплектования подшипника в зависимости от соотношения радиальной и осевой нагрузок на подшипник и за счет сохранения в подшипнике неизменным соотношения радиуса профиля тел и дорожек качения.
Так как угол комплектования подшипника выбирают в зависимости от соотношения радиальной и осевой рабочих нагрузок, то это обеспечивает минимальную нагрузку на шарики при эксплуатации подшипника, что повышает его грузоподъемность. Измерение диаметров дорожек качения под рабочей осевой нагрузкой на шарики обеспечивает требуемый угол контакта в процессе работы подшипника с учетом реальной упругой деформации тел и дорожек качения, что также способствует повышению грузоподъемности подшипника. Комплектование подшипника с шариком, диаметр которого выбран по указанной зависимости, позволяет в различных группах обеспечить рациональное соотношение между радиусами профиля дорожек качения и диаметром шариков, что обеспечивает нормальную работу подшипника, предотвращает повышенный износ дорожек и тел качения и повышенное тепловыделение при работе подшипника и в целом повышает грузоподъемность партии подшипников.
Предполагаемое изобретение поясняется с помощью Фиг. 1-3, где на Фиг. 1 представлена схема с обозначением комплектовочных параметров упорно-радиального подшипника, на Фиг. 2 - экспериментальная зависимость статической грузоподъемности подшипника 1118-2902840 от угла контакта шариков и дорожек качения, на Фиг. 3 - экспериментальная зависимость момента вращения упорно-радиального подшипника 1118-2902840 от угла контакта шариков и дорожек качения.
На Фиг. 1-3 используются следующие обозначения:
1 - верхнее кольцо упорно-радиального шарикового подшипника;
2 - нижнее кольцо упорно-радиального шарикового подшипника;
3 - шарики.
Способ комплектования осуществляют следующим образом. Сначала вычисляют диаметр шарика, с которым должен комплектоваться подшипник по формуле
где  - диаметр комплектовочных шариков, мм;  - минимально допустимый радиус профиля дорожек качения, мм;  - максимально допустимый радиус профиля дорожек качения, мм.
Существующее селективное комплектование подшипников предполагает формирование размерных групп колец и шариков. Но изменение размеров шарика при комплектовании без учета размеров радиуса профиля дорожек качения колец приводит к значительному изменению в подшипнике контактных напряжений, с одной стороны, и изменению момента трения в подшипнике, которое сильно зависит от соотношения радиусов тел и дорожек качения. В тех размерных группах, где используется минимальный размер шариков, контактные напряжения повышаются, а момент трения снижается, а в тех размерных группах, где используется максимальный размер шариков, контактные напряжения снижаются, а момент трения возрастает. И в том и в другом случае грузоподъемность подшипника будет низкая. Поэтому предлагаемый способ осуществляет комплектование с шариками одного размера, а требуемый угол контакта обеспечивает путем деления на размерные группы только колец подшипников. В таком случае в каждой размерной группе создаются одинаковые условия контакта тел и дорожек качения с рациональным соотношением их размеров.
Затем определяют требуемый номинальный угол контакта в подшипнике, обеспечиваемый в процессе комплектования в зависимости от соотношения радиальной и осевой рабочих нагрузок на подшипник по формуле
где- номинальный комплектовочный угол контакта в подшипнике, обеспечиваемый в процессе комплектования, рад.;  - максимальное значение отношения радиальной R и осевой А рабочих нагрузок на подшипник в процессе эксплуатации.
Обычно комплектовочный угол контакта выбирается из ряда стандартных подшипников, а затем после изготовления подшипников заказчик по величине эквивалентной нагрузки и по величине соотношения между радиальной и осевой составляющей подбирает подшипник с углом контакта, ближайшего к расчетному. Так как шаг углов контакта в стандартных подшипниках велик, то требуемый угол контакта не совпадает с фактическим в используемом подшипнике и поэтому нагрузка на шарики будет повышенная, что снижает грузоподъемность подшипников. Стандартные подшипники широко применяются не только в мелкосерийном производстве, но и в изделиях массового производства - автомобилях, самолетах, тракторах, ракетах, турбинах, приборах, танках и другой многочисленной техники, где особенно важно и возможно использовать рациональный угол контакта. В этих изделиях заранее известно максимальное значение соотношения между радиальной и осевой нагрузками и поэтому для этих подшипников следует формировать угол контакта при комплектовании по предложенной зависимости, так как это обеспечивает минимальную нагрузку на шарики и значительное повышение грузоподъемности подшипников, а следовательно, и той техники, в которой они используются.
В отличие от существующих эмпирических зависимостей, например, описанных в работе [Королев А.В., Решетникова О.П. Определение оптимального угла контакта в упорно-радиальном подшипнике. Сборник трудов «Молодые ученые - основа будущего машиностроения и строительства» - Курск, 29-30 мая 2014 г. - С. 175-179], с помощью математического моделирования получена более точная зависимость нагрузки на шарики от угла контакта в шарикоподшипнике. На основе этих исследований авторами получена зависимость (2) оптимального угла контакта в шариковом подшипнике в зависимости от соотношения радиальной и осевой нагрузки на подшипник.
Далее измеряют диаметр дорожек качения  и  каждого из колец под углом контакта. В качестве комплектовочного угла контакта используют значение , рассчитанное по формуле (2), а нагрузку при измерении принимают равной рабочей осевой нагрузке, соответствующей максимальному значению . Это позволяет осуществить комплектование подшипников с тем углом контакта, который возникнет в процессе работы подшипника, что обеспечит повышение его грузоподъемности.
Затем определяют номинальное значение разницы диаметров дорожек качения верхнего и нижнего колец в каждой размерной группе по формуле
для упорно-радиальных подшипников
для радиально-упорных подшипников
где , мм;  и  - диаметры дорожек качения первого и второго колец в точке контакта, замеренные под рабочей нагрузкой.
В зависимости от требуемой точности комплектования задаются допуском на разницу диаметров колец в каждой группе , где  - допуск на разницу диаметров дорожек качения колец, мм;  - максимальное допустимое значение разности диаметров в каждой размерной группе, мм;  - минимальное допустимое значение разности диаметров колец в каждой размерной группе, мм.
Определяют число размерных групп и интервалы диаметров  и  колец в каждой размерной группе.
Предложенный способ комплектования подшипников позволяет изготавливать радиально-упорные и упорно-радиальные шариковые подшипники с углом контакта, обеспечивающим минимальную нагрузку на шарики в конкретных условиях их эксплуатации в зависимости от значений, действующих на подшипник нагрузок, и сохранять в каждой размерной группе постоянное соотношение между радиусами профиля дорожек и тел качения. Тем самым повышается грузоподъемность подшипников и упрощается процесс комплектования.
Пример. В соответствии с заявляемым способом было осуществлено комплектование упорно-радиального подшипника 1118-2902840, устанавливаемого в верхнюю опору передней стойки автомобилей ВАЗ марки «Калина», «Приора», «Гранта». Условия работы подшипника: номинальная осевая нагрузка , радиальная нагрузка . С учетом действия динамических нагрузок максимальная осевая нагрузка составляет , максимальная радиальная нагрузка , диаметр по дну дорожки качения верхнего кольца составляет  мм, диаметр дорожек качения нижних колец составляет  мм, радиусы желобов колец подшипника ; . Число шариков в шарикоподшипнике равно .
По формуле (1) определяли диаметр шариков:
Проверяем: при минимальном радиусе профиля дорожек качения
при максимальном радиусе профиля дорожек качения
Таким образом, в различных комплектовочных группах соотношение между радиусом профиля дорожек качения и диаметром шариков обеспечивается одинаковым и находится в допустимых пределах. Если в различных комплектовочных группах использовать разный диаметр шариков, как это обычно применяют, то соотношение пределов колебания значений соотношения между радиусами профиля дорожек качения и диаметром шариков вышло бы за установленные пределы, что привело бы в эксплуатации к ненормальной работе подшипника и существенному разбросу значений трения в подшипнике и их грузоподъемности. Но так как фактическая грузоподъемность партии подшипников определяется его минимальным значением, то при известном способе комплектования грузоподъемность партии подшипников была бы ниже расчетной.
Находили максимальное отношение радиальной и осевой нагрузок:
. Это значение получали при максимальной нагрузке на подшипник, при которой .
По формуле (2) определяли оптимальный комплектовочный угол:
рад., или
Замеряли диаметры дорожек качения верхнего и нижнего колец тремя шариками: , под рабочей нагрузкой  при угле контакта . Результаты измерения приведены в табл. 1.
Требуемую разницу диаметров дорожек качения находили в соответствии с формулой (3):
Допуск на разницу диаметров дорожек качения в каждой группе определяли исходя из допустимого отклонения угла контакта от оптимального значения ±1° (0,017 рад.):
Так как сумма полей рассеивания диаметров дорожек качения верхнего и нижнего колец составила 0,319 мм и превысила допуск на разницу диаметров дорожек качения, то для комплектования подшипников создавали две размерные группы колец подшипника. В первую размерную группу вошли верхние кольца с диаметрами дорожек качения в пределах 77,643 -77,723 и нижние кольца с диаметрами 72,197-72,276, а во вторую группу - верхние кольца с диаметрами дорожек качения 77,724 -77,804 и нижние кольца с диаметрами 72,277-72,355.
Как видно, статическая грузоподъемность подшипника (Фиг. 2) и момент вращения (Фиг. 3) существенно зависят от угла контакта. Максимальная статическая грузоподъемность и минимальный момент вращения обеспечиваются при комплектовании подшипников с углом контакта 57 градусов. При отклонении от этого значения в обе стороны указанные показатели грузоподъемности подшипника снижаются. Особенно резко статическая грузоподъемность падает, а момент вращения возрастает при увеличении угла контакта до 80 и более градусов. Но стандартные упорно-радиальные подшипники имеют угол контакта 90 градусов, и поэтому их грузоподъемность существенно ниже грузоподъемности подшипников, скомплектованных по предложенному способу с оптимальным углом контакта.
Таким образом, предложенный способ комплектования подшипников обеспечивает высокую точность формирования угла контакта в подшипнике путем разделения колец всего на две размерные группы при использовании шариков одного размера, что упрощает процесс комплектования и обеспечивает высокую грузоподъемность подшипника, так как соотношение между радиусами профиля дорожек качения и диаметром шариков не изменяется, а формируемый угол контакта обеспечивает минимальную нагрузку на шарики.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа комплектования шариковых подшипников заключается в следующем:
1. Повышается грузоподъемность подшипников за счет их комплектования с оптимальным рабочим углом контакта, обеспечивающим снижение нагрузки на шарики при действии на подшипник реальной рабочей нагрузки.
2. Повышается стабильность показателей грузоподъемности подшипника, так как во всех размерных группах при комплектовании используется один размер шариков.
3. Упрощается процесс комплектования, так как делению на размерные группы подвергаются только кольца подшипника.