Подшипники поддерживают вращающиеся оси и валы, воспринимают от них радиальные и осевые нагрузки и сохраняют заданное положение оси вращения вала.
Подшипники классифицируют по виду трения и воспринимаемой нагрузке.
По виду трения различают: подшипники скольжения, у которых опорный участок вала скользит по поверхности подшипника; подшипники качения, у которых трение скольжения заменяют трением качения посредством установки шариков или роликов между опорными поверхностями подшипника и вала.
По воспринимаемой нагрузке различают подшипники: радиальные – воспринимают радиальные нагрузки; упорные – воспринимают осевые нагрузки; радиально-упорные – воспринимают радиальные и осевые нагрузки.
Все типы подшипников широко распространены.
Подшипники скольжения – это опоры вращающихся деталей, работающие при относительном скольжении цапфы по поверхности подшипника.
Достоинства подшипников скольжения:
- малые габариты в радиальном направлении;
- возможность работы при высоких скоростях вращения и нагрузках, в воде и в агрессивных средах;
- обеспечение высокой точности установки валов;
- малая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам;
- незаменимость в случаях, когда по условиям сборки подшипник должен быть разъемным (на шейках коленчатых валов).
Недостатки:
- выше, чем у подшипников качения, потери мощности на трение;
- более сложная смазочная система;
- необходимость использования дефицитных материалов.
Подшипник (рис. 4.1, а) представляет собой втулку из износоустойчивого материала (оловянистые бронзы, алюминиевые бронзы, металлографитовые сплавы и др.). Втулка неразъемного подшипника может быть запрессована непосредственно в стенку корпуса. При возможных перекосах вала подшипник делают самоустанавливающимся (рис. 4.1, б). Подобные подшипники расположены в сочленениях деталей шасси.
В сочленениях деталей системы управления самолетом широко применяют специальные стальные шарнирные подшипники (рис. 4.2).
Смазка и режимы трения. Для смазывания трущихся поверхностей подшипников применяют жидкие, пластичные (густые), твердые и газообразные смазочные материалы. Для уменьшения износа поверхности цапфы и подшипника разделены слоем смазки достаточной толщины, которая больше суммы высот шероховатостей поверхностей (h > RZ1 + RZ2).
При соблюдении этого условия не происходит непосредственного касания и изнашивания трущихся поверхностей. Несущая поверхность масляного слоя очень высока, и он воспринимает передаваемую нагрузку. Сопротивление вращению подшипника в этом случае определяется только внутренним трением в смазочном материале, а коэффициент трения f = 0,001…0,005.
При непрерывном вращении вала с достаточно большой скоростью масло увлекается вращающимся валом, в нем создается гидродинамическое давление, образуется «масляный клин», разделяющий трущиеся поверхности (рис. 4.3).
Скорость вращения вала, зазор между цапфой и подшипником, вязкость и количество подаваемого масла связаны между собой. При правильном соотношении между ними подшипник скольжения может длительное время эксплуатироваться без заметного износа.
Рис. 4.3. Положение шипа в подшипнике
Масло не только смазывает трущиеся детали, но и отводит от них тепло, поэтому в масляную систему (например, авиационного двигателя) входят масляные радиаторы, в которых масло охлаждается.
В условиях полужидкостного трения нарушается непрерывность масляного слоя и в отдельных местах происходит соприкосновение неровностей трущихся поверхностей. Поэтому здесь не исключается изнашивание поверхностей, а только уменьшается его интенсивность (коэффициент полужидкостного трения f = 0,008…0,1).
Подшипники качения состоят из наружного и внутреннего колец, между которыми в сепараторе расположены шарики или ролики. Сепаратор разделяет тела качения, чтобы они не соприкасались.
Применение подшипников качения позволило заменить трение скольжения трением качения. Трение качения существенно меньше зависит от смазки. Условный коэффициент трения качения мал и близок к коэффициенту жидкостного трения в подшипниках скольжения (f = 0,0015…0,006). При этом упрощаются система смазки и обслуживание подшипника.
Преимуществами подшипников качения являются:
- небольшие потери на трение;
- взаимозаменяемость, облегчающая монтаж и ремонт подшипниковых узлов;
- малые пусковые моменты;
- нетребовательность к смазке и уходу (за исключением случаев, когда от подшипников, например, роторов авиационных двигателей, необходимо отводить тепло).
Недостатками подшипников качения являются:
- чувствительность к ударам и вибрациям вследствие большой жесткости подшипника;
- сравнительно большие радиальные габаритные размеры;
- шум при работе с высокой частотой вращения.
Большая часть вращающихся деталей авиационных конструкций установлена на подшипниках качения.
Классификация. По форме тел качения подшипники разделяют на шариковые и роликовые, по направлению воспринимаемой нагрузки – на радиальные, упорные, радиально-упорные и упорно-радиальные.
Рис. 4.4. Подшипники качения
Радиальные шариковые подшипники (рис. 4.4, 1) – наиболее простые и дешевые. Они допускают небольшие перекосы вала (до 1/4°) и могут воспринимать осевые нагрузки, но меньшие радиальных. Эти подшипники широко распространены в машиностроении.
Радиальные роликовые подшипники (рис. 4.4, 4) благодаря увеличенной контактной поверхности допускают значительно большие нагрузки, чем шариковые. Однако они не воспринимают осевые нагрузки и плохо работают при перекосах вала. В роликовых цилиндрических и конических подшипниках с комбинированными (бочкообразными) роликами концентрация нагрузки от неизбежного перекоса вала существенно снижается. Аналогичное сравнение можно провести и между радиально-упорными шариковыми (рис. 4.4, 3) и роликовыми (рис. 4.4, 5) подшипниками.
Самоустанавливающиеся шариковые (рис. 4.4, 2) и роликовые (рис. 4.4, 6) подшипники применяют в тех случаях, когда допускают значительный перекос вала (до 2…3°). Они имеют сферическую поверхность наружного кольца и ролики бочкообразной формы. Эти подшипники допускают небольшие осевые нагрузки.
Применение игольчатых подшипников (рис. 4.4, 7) позволяет уменьшить габариты (диаметр) при значительных нагрузках. Упорный подшипник (рис. 4.4, 8) воспринимает только осевые нагрузки и плохо работает при перекосе оси.
По нагрузочной способности (ширине и наружному диаметру) подшипники разделяют на семь серий – от сверхлегкой до тяжелой; по классам точности – нормального класса (0), повышенного (6), высокого (5), особо высокого (4) и сверхвысокого (2). Класс точности подшипника назначают в зависимости от требований к сборочной единице. Чаще применяют дешевые подшипники класса 0. Для авиационных конструкций с тяжелыми условиями работы (например, для роторов авиационных двигателей) используют подшипники повышенных классов точности.
Применение в авиационных конструкциях. Шарикоподшипники в среднем быстроходнее в отличие от роликовых (цилиндрических) и способны воспринимать осевые нагрузки, но их грузоподъемность на 30-40 % ниже.
Радиально-упорные шарикоподшипники применяют для самых ответственных узлов авиационных конструкций, например, для роторов двигателей, воздушных винтов самолетов, несущих и рулевых винтов вертолетов. Для повышения работоспособности подшипников их часто выполняют с четырехточечным контактом шариков, для чего внутреннее (или внешнее) кольцо делают двойным.
Конические роликоподшипники одинаково пригодны для радиальных и осевых нагрузок при средних скоростях вращения. Их применяют в частности для колес шасси (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Конические роликоподшипники
Шариковые самоустанавливающиеся подшипники используют в качестве опор длинных валов, перекос которых неизбежен.
Игольчатые подшипники непригодны при средних и высоких скоростях вращения вала. Эти подшипники применяют в некоторых сочленениях авиационных конструкций при качательном движении (например, подшипники рычагов клапанов поршневых двигателей).
Упорные шариковые и роликовые подшипники способны воспринимать большие осевые нагрузки при малых скоростях вращения. Они используются, например, во втулках воздушных винтов. Воспринимая огромные центробежные силы лопасти, подшипник позволяет поворачивать лопасть при изменении шага винта.
Кольца и тела качения подшипников изготавливают из высокоуглеродистых хромистых сталей и закаливают до высокой твердости. Подшипники турбин ГТД делают из жаропрочных сталей. Это связано с тем, что после выключения двигателя прекращается прокачка масла через подшипники, и они сильно нагреваются (до 300° и более) за счет тепла, постепенно переходящего к ним от раскаленных лопаток и диска турбины.
Обозначения. В условных обозначениях приводят внутренний диаметр подшипника, его серию, тип, конструктивные особенности и класс точности.
Две первые цифры справа указывают внутренний диаметр d. Для подшипников с d = 20…495 мм диаметр определяют умножением двух крайних цифр в обозначении на 5. Третья цифра справа указывает серию: подшипник особо легкой серии – 1, легкой – 2, средней – 3, средней широкой – 6, тяжелой – 4 и т.д. Четвертая цифра справа характеризует тип подшипника: радиальный шариковый – 0 (в обозначении нуль опускают), радиальный шариковый сферический – 1, роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами – 2, роликовый радиальный со сферическими роликами – 3, шариковый радиально-упорный – 6, роликовый конический – 7 и т.д. Например, подшипник 308 – шариковый радиальный средней серии с d = 40 мм; подшипник 7216 – роликовый конический легкой серии с d = 80 мм.
Пятая и шестая цифры в обозначении подшипника отражают его конструктивные особенности (наличие защитных шайб, упорных буртов или канавок на наружном кольце и др.). Цифры 6, 5, 4, 2, указывающие класс точности подшипников, ставят через тире перед обозначением, нуль не пишут.
Повреждения подшипников. Подшипники выходят из строя вследствие усталостного выкрашивания, абразивного изнашивания при попадании пыли или пластических деформаций при перегрузках. Усталостное выкрашивание является наиболее распространенным видом разрушения подшипников при длительной работе. Интенсивность абразивного изнашивания можно уменьшить за счет применения совершенных уплотнителей и надлежащей очистки масла.
Наблюдается также разрушение сепараторов от центробежных сил и действия тел качения. Раскалывание колец и тел качения происходит при их работе с сильными ударами, при перекосах.
Расчет подшипников качения. Выполняют расчет подшипников на долговечность по усталостному выкрашиванию и на предотвращение возникновения пластических деформаций.
При постоянном режиме расчет подшипников ведут по эквивалентной динамической нагрузке с учетом характера и направления действующих сил. Принимают такую эквивалентную нагрузку, при которой обеспечивается та же долговечность подшипника, что и в действительных условиях нагружения.
Для радиальных и радиально-упорных
Р = (XVFr + YFa) Kб KТ, (4.1)
где Fr, Fa – соответственно радиальная и осевая нагрузки на подшипник, Н;
Х, Y – коэффициенты соответственно радиальной и осевой нагрузок;
V – коэффициент вращения: при вращении внутреннего кольца V = 1, наружного – V = 1,2;
Кб – коэффициент безопасности: Кб = 1 при спокойной нагрузке, Кб = 2,5…3 при сильных ударах;
КТ – температурный коэффициент, при нагреве подшипникового узла до 125° С КТ = 1.
Грузоподъемность подшипников характеризуется базовой динамической грузоподъемностью С и базовой статической грузоподъемностью С0.
Под базовой динамической грузоподъемностью подшипника понимают радиальную или осевую нагрузку, которую он может выдержать при долговечности в 1 млн. оборотов. Базовой считают долговечность при 90-процентной надежности.
Расчетная долговечность выражается числом его оборотов L (в миллионах) или часов работы LH, при которых на рабочих поверхностях у 90 % подшипников из партии не должно появляться признаков усталости металла (выкрашивания, отслаивания).
Долговечность подшипника определяют по эмпирическим зависимостям:
и 
,
(4.2)
где С – динамическая грузоподъемность подшипника, кН;
Р – динамическая эквивалентная нагрузка, кН;
р – показатель степени, равный 3 для шарикоподшипников и 10/3 для роликоподшипников;
n – частота вращения подшипника, мин-1.
Подбор подшипников. В конструкциях самолета, в отличие от конструкций в машиностроении, шарикоподшипники работают, как правило, с небольшими скоростями вращения. Поэтому их подбирают не по допускаемым нагрузкам и по сроку службы, а по разрушающим нагрузкам. Заделка подшипников осуществляется сплошной завальцовкой обкатыванием шариком без проточки и с проточкой в детали, обжатие пуансоном – без проточки в детали в шести или восьми точках, обжатие пуансоном – в шести и восьми точках по специальной проточке в детали, установкой пружинных упорных колец – в специальную канавку в детали.
Вид заделки зависит от предела прочности материала и от диаметра подшипника и берется по ГОСТ. Посадки под подшипники также задаются ГОСТ.
