Детали машин и основы конструирования - часть 12

 

49

ние  напряжения  цикла  (

σ

m

=  0,  τ

m

=  τ

a

);  ψ

σ

  и    ψ

τ 

 – коэффициенты  влияния 

среднего напряжения цикла на усталостную прочность зависят от типа стали. 

Вычисление  коэффициентов  запаса  прочности  по

 

  напряжениям  под-

робно излагалось в курсе "Сопротивление материалов", в разделе "Цикличе-
ское напряжённое состояние". 

Если  коэффициент  запаса  оказывается  меньше  требуемого,  то  сопро-

тивление усталости можно существенно повысить, применив поверхностное 
упрочнение: азотирование, поверхностную закалку токами высокой частоты, 
дробеструйный  наклёп,  обкатку  роликами  и  т.д.  При  этом  можно  получить 
увеличение предела выносливости до 50% и более. 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  

V

 Чем различаются валы и оси ? 

V

 Какой динамический характер имеют напряжения изгиба в валах и осях ? 

V

 Каковы причины поломок валов и осей ? 

V

 В каком порядке выполняются этапы прочностного расчёта валов ? 

V

 Какой диаметр определяется в проектировочном расчёте валов ? 

 
 

6. ОПОРЫ ВАЛОВ И ОСЕЙ – ПОДШИПНИКИ 

 

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являют-

ся опорами.  Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, 
нем. zappen, голл. shiffen – вал). Так раньше называли хвостовики и шейки ва-
ла, где, собственно говоря, подшипники и  устанавливаются. 

Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить на-

дёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного 
корпуса.  Следовательно,  главная  особенность  работы  подшипника – трение 
сопряжённых деталей. 

По характеру трения  подшипники разделяют на две большие группы: 

Î

 

подшипники скольжения (трение скольжения); 

Î

 

подшипники качения (трение качения). 

 

50

 6.1. 

ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ 

 

Основным элементом таких подшипников является вкладыш из антифрикци-

онного материала или, по крайней мере, c антифрикционным покрытием. Вкладыш 
устанавливают (вкладывают) между валом и корпусом подшипника [43]. 

Трение скольжения безусловно больше трения качения, тем не менее, досто-

инства подшипников  скольжения заключаются в многообразных областях исполь-
зования: 

  в разъёмных  конструкциях (см. рисунок); 
  при больших скоростях вращения (газодинамические подшипники в 

турбореактивных двигателях  при n 

> 10 000 об/мин); 

  при необходимости точного центрирования осей; 
  в машинах очень больших и очень малых габаритов; 
  в воде и других агрессивных средах. 

Недостатки  таких  под-

шипников – трение и потреб-
ность в дорогих антифрикци-
онных материалах. 

На  железнодорожном 

транспорте 

подшипники 

скольжения,  в  частности,  на-
ходили  массовое  применение 

в буксах колёсных пар старого подвижного состава и до сих пор применяются для 
опор  шатунов  дизелей.  В  ряде  случаев,  для  ремонтопригодности  подшипник  вы-
полняется  с  двумя  вкладышами,  как,  например,  у  коленчатого  вала  тепловозного 
дизеля Д49. 

Кроме того, подшипники скольжения применяют во вспомогательных, тихо-

ходных, малоответственных механизмах.  

Характерные  дефекты  и  поломки  подшипников  скольжения  вызваны 

трением [41]: 

U

  температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша); 

U

  абразивный износ; 

U

  усталостные разрушения вследствие пульсации нагрузок. 

ВКЛАДЫШ

ВАЛ 

ВАЛ 

КОРПУС 

КОНСТРУКЦИЯ ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ

 

51

При  всём  многообразии  и  сложности  конструктивных  вариантов  под-

шипниковых  узлов  скольжения  принцип  их  устройства  состоит  в  том,  что 
между корпусом и валом устанавливается тонкостенная втулка из  антифрик-
ционного материала, как правило, бронзы или бронзовых сплавов, а для ма-
лонагруженных механизмов из пластмасс. Имеется успешный опыт эксплуа-
тации в тепловозных дизелях  М753 и М756 тонкостенных биметаллических 
вкладышей  толщиной  не  более 4 мм,  выполненных  из  стальной  полосы  и 
алюминиево-оловянного сплава АО 20-1. 

 
Большинство  радиальных  подшипников  имеет  цилиндрический  вкла-

дыш, который, однако, может воспринимать и осевые нагрузки за счёт галте-
лей  на  валу  и  закругления  кромок  вкладыша.  Подшипники  с  коническим 
вкладышем  применяются  редко,  их  используют  при  небольших  нагрузках, 
когда необходимо систематически устранять ("отслеживать") зазор от износа 
подшипника для сохранения точности механизма. 

Для правильной работы подшипни-

ков  без    износа  поверхности  цапфы  и 
втулки  должны  быть  разделены  слоем 
смазки  достаточной  толщины.  В  зависи-
мости  от  режима  работы  подшипника  в 
нём может быть: 

Î

 

жидкостное  трение,  когда  рабочие 

поверхности  вала  и  вкладыша  разделены  слоем  масла,  толщина  которого 
больше суммы высот шероховатости поверхностей; при этом масло воспри-
нимает внешнюю нагрузку, изолируя вал от вкладыша, предотвращая их из-
нос. Сопротивление движению очень мало; 

Î

 

полужидкостное  трение,  когда  неровности  вала  и  вкладыша  могут  ка-

саться друг друга и в этих местах происходит их схватывание и отрыв частиц  
вкладыша. Такое трение приводит к абразивному износу даже без попадания 
пыли извне. 

Обеспечение режима жидкостного трения является основным кри-

терием расчёта большинства подшипников скольжения. При этом одно-

            СМАЗКА В ПОДШИПНИКЕ    
                                  СКОЛЬЖЕНИЯ 

 

52

СХЕМА РАСЧЁТА ПОДШИПНИКА 

временно  обеспечивается  работоспособность  по  критериям  износа  и  за-
едания. 

Критерием прочности, а следовательно, и работоспособности подшип-

ника скольжения являются контактные напряжения в зоне трения или, что, в 

принципе, то же самое – контактное давле-
ние.  Расчётное  контактное  давление  срав-
нивают  с  допускаемым    p  = N /(l d) 

≤  [p]. 

Здесь  N – сила  нормального  давления  вала 
на втулку (реакция опоры), l  - рабочая дли-
на втулки подшипника, d – диаметр цапфы 
вала. 

Иногда  удобнее  сравнивать  расчётное  и  допускаемое  произведение 

давления  на  скорость  скольжения.  Скорость  скольжения  легко  рассчитать,  
зная диаметр и частоту вращения вала. 

[ ]

.

10

2

60

2

60

2

2

сек

мм

Нм

pV

l

Nn

ld

ndN

ld

NV

pV

÷

=

≤

=

∗

∗

=

=

π

π

 

Произведение давления на скорость скольжения характеризует тепловыделе-

ние и износ подшипника. Наиболее опасным является момент пуска механизма, т.к. 
в покое вал опускается ("ложится") на вкладыш и при начале движения неизбежно 
сухое трение. 
 

6.2. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ 
 

 

Принцип  их  конструкции  заключается  в  наличии  между  валом  и  кор-

пусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения [2,28].  

Это  могут  быть 
или  шарики,  или 
ролики  (короткие 

толстые либо длинные иглообразные), или конические ролики, или бочкооб-
разные, или даже спиралевидные пружины. Обычно подшипник выполняется 
как самостоятельная сборочная единица, состоящая из наружного и внутрен-
него колец, между которыми и помещены тела качения.  

   

ТЕЛА  КАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПОДШИПНИКАХ