Преднатяг в подшипниковых системах с радиально-упорными шарикоподшипниками или коническими роликоподшипниками

При определении предварительного натяга прежде всего необходимо рассчитать силу преднатяга, требуемую для обеспечения оптимального сочетания жёсткости, ресурса и эксплуатационной надёжности подшипника. Затем рассчитывается сила преднатяга, прикладываемая в процессе монтажа подшипника. В процессе монтажа подшипники должны иметь температуру окружающей среды. На них не должна воздействовать какая-либо нагрузка.
Величина требуемого преднатяга при нормальной рабочей температуре зависит от нагрузок, действующих на подшипник. Радиально-упорные шарикоподшипники или конические роликоподшипники воспринимают комбинированные радиальные и осевые нагрузки. Под воздействием радиальной нагрузки в таком подшипнике возникает внутренняя осевая нагрузка, которая должна восприниматься вторым вторым, «зеркально» расположенным подшипником. При радиальном смещении одного кольца подшипника относительно другого только половина тел качения находится под нагрузкой. Получаемая осевая нагрузка на подшипник может быть определена следующим образом:
  • для однорядных радиально-упорных шарикоподшипников
    Fa = R Fr
  • для однорядных конических роликоподшипников
    Fa = 0,5 Fr / Y

где
Fa=осевая нагрузка на подшипник (fig. 1)
Fr=радиальная нагрузка на подшипник (fig. 1)

=переменная для условий внутреннего контакта (→ Determination of axial forces)

=расчётный коэффициент (→ product table)

Если на рассматриваемый подшипник действует радиальная нагрузка Fr, то для полной реализации грузоподъёмности этого подшипника к нему должна быть дополнительно приложена внешняя осевая сила Fa такой же величины. Если приложенная внешняя осевая сила будет меньше радиальной, количество тел качения, воспринимающих радиальную нагрузку, будет меньше, и грузоподъёмность подшипника уменьшится.
В подшипниковой системе, состоящей из двух однорядных радиально-упорных шарикоподшипников или двух конических роликоподшипников, установленных по О-образной или Х-образной схеме, на каждый подшипниковый узел должна воздействовать осевая сила в одном направлении. Если данные подшипниковые системы отрегулированы на практически нулевой зазор, радиальная нагрузка равномерно распределяется на два подшипника, при этом на половину тел качения каждого подшипника действует внешняя нагрузка.
В других случаях, при воздействии внешней осевой нагрузки может возникнуть необходимость преднатяга подшипников для компенсации зазора, возникающего в результате упругой деформации подшипника. Преднатяг также обеспечивает более благоприятное распределение нагрузки в другом подшипнике, который не несёт осевую нагрузку.
Кроме того, преднатяг увеличивает жёсткость подшипниковой системы. Тем не менее, следует помнить, что на жёсткость подшипникового узла также влияет упругость вала и корпуса, тип их посадки, а также упругая деформация всех деталей, сопряжённых с подшипниками, включая опоры. Каждый из этих факторов оказывает влияние на общую упругость подшипниковой системы. Осевая и радиальная упругость подшипника зависит от его внутренней конструкции, величины угла и условий контакта (точечного или линейного), количества и размера тел качения. Чем больше угол контакта, тем выше степень осевой жёсткости подшипника.
Если в первом приближении предположить прямо-пропорциональную зависимость упругости от нагрузки, т.е. постоянный коэффициент жёсткости подшипника, то сравнение показывает, что при одной и той же величине внешней осевой силы Ka осевое смещение в подшипниковой системе, имеющей преднатяг, будет меньше, чем в подшипниковом узле, не имеющем преднатяга (диаграмма 1). Конструкция подшипникового узла ведущей шестерни (рис. 2 и рис. 3) как правило состоит из двух конических роликоподшипников А и В разного размера, имеющих константы жёсткости cA и cB. На оба подшипника действует сила преднатяга F0. Если осевая сила Ka действует на подшипник А, подшипник В будет ненагружен и дополнительная нагрузка, действующая на подшипник А, и осевое смещение δa будут меньше, чем в аналогичном подшипниковом узле, не имеющем преднатяга. Однако, на подшипник опоры B осевая сила преднатяга не действует, и осевое смещение вследствие дополнительной нагрузки соответствует смещению в подшипниковой системе без преднатяга, а следовательно, определяется исключительно константой жёсткости cA, если внешняя осевая нагрузка превышает величину



Для предотвращения разгрузки подшипника B при воздействии на подшипника A осевой силы Ka требуется следующая сила преднатяга



Характер взаимосвязи нагрузок и упругих перемещений, возникающих в подшипниковом узле, установленном с преднатягом, а также влияние изменения величины преднатяга проще всего определить по диаграмме «сила преднатяга / осевое смещение» (диаграмма 2). Эта диаграмма состоит из нелинейных характеристик жёсткости деталей, подвергающихся преднатягу относительно друг друга, и позволяет выяснить следующее:
  • отношение между силой преднатяга и осевым смещением в пределах подшипниковой системы, имеющей преднатяг
  • отношение между внешней осевой силой Ka и нагрузкой на подшипник для подшипниковой системы, имеющей преднатяг, а также упругой деформацией, вызываемой воздействием внешней силы.
На диаграмме 2 все детали, нагруженные внешними нагрузками при работе, представлены кривыми, восходящими слева направо, а все ненагруженные детали — кривыми, восходящими справа налево. Кривые 1, 2 и 3 — для разных сил преднатяга (F01, F02 < F01 и F03 = 0). Пунктирные линии отображают соотношения для отдельных подшипников, а сплошные — всю подшипниковую систему (подшипник(и) и сопряжённые детали) для различных сил преднатяга.
Диаграмма 2 также позволяет понять зависимость между деталями, например, в конструкции подшипникового узла ведущей шестерни (рис 2.), где подшипник A расположен рядом с шестерней, а регулировка величины преднатяга осуществляется смещением относительно подшипника B. Внешняя осевая сила Ka (осевая составляющая сил на зубьях передачи) накладывается на силу преднатяга F01 (кривая 1) таким образом, что подшипник А подвергается действию дополнительной нагрузки в то время, как подшипник В разгружен. Нагрузка на подшипник A обозначается FaA, а на подшипник B — FaB. Под воздействием осевой силы Ka вал ведущей шестерни смещается в осевом направлении на величину δa1.
Меньшая по величине сила преднатяга F02 (кривая 2) выбрана таким образом, что подшипник В полностью разгружается осевой силой Ka, то есть FaB = 0 и FaA = Ka. В этом случае вал ведущей шестерни смещается на величину δa2 > δa1.
Если узел не имеет преднатяга (кривая 3), то величина осевого смещения вала ведущей шестерни будет наибольшей (δa3 > δa2).
SKF logo