Посадки подшипников на вал и в корпус

Посадки подшипников на вал и в корпус определяют, как кольца подшипника качения соединяются с сопрягаемыми деталями: с натягом, с зазором или по переходной посадке. От правильного выбора полей допуска вала и корпуса зависят неподвижность колец под нагрузкой, фактический рабочий зазор в подшипнике, тепловыделение и в конечном счёте ресурс узла. Ошибка в одну ступень поля допуска способна привести к проворачиванию кольца или к защемлению тел качения.

Ниже разобраны виды нагружения колец, поля допусков и посадочные системы по действующим стандартам, влияние натяга на внутренний зазор, а также порядок выбора посадки с расчётом интенсивности нагружения и числовым примером.

Зачем подшипнику посадка и в какой системе её назначают

Кольца подшипника качения сопрягаются с валом и корпусом по гладким цилиндрическим поверхностям. Поскольку наружный и внутренний диаметры подшипника изготовлены изготовителем как готовые присоединительные размеры, посадку формируют, подбирая поле допуска сопрягаемой детали — вала или отверстия корпуса. Поля допусков и посадочные поверхности под подшипники регламентирует ГОСТ 3325-85, а допуски размеров самих колец — ГОСТ 520-2011.

Посадки назначают по двум базам одновременно: соединение внутреннего кольца с валом выполняют в системе отверстия, а соединение наружного кольца с корпусом — в системе вала. Это означает, что предельные отклонения присоединительных диаметров d и D заданы самим подшипником, а характер посадки задаётся полем допуска ответной детали.

Особенность подшипниковых полей в том, что поле допуска отверстия внутреннего кольца расположено «в тело» — в минус от номинала (верхнее отклонение равно нулю). Поэтому одно и то же поле вала даёт с кольцом подшипника более плотную посадку, чем с обычным основным отверстием по ЕСДП. Это нужно учитывать, читая схемы расположения полей допусков.

Виды нагружения колец: местное, циркуляционное, колебательное

Выбор посадки начинается не с диаметра, а с ответа на вопрос: вращается кольцо относительно действующей на него радиальной нагрузки или нет. По характеру восприятия результирующей радиальной нагрузки ГОСТ 3325-85 различает три вида нагружения колец.

Кольцо, нагруженное циркуляционно, ставят с натягом; кольцо с местным нагружением — свободнее, чтобы оно могло медленно проворачиваться и дорожка изнашивалась равномерно.

Логика проста. Циркуляционно нагруженное кольцо при свободной посадке начало бы проворачиваться и обкатывать посадочную поверхность, разбивая её. Поэтому его фиксируют натягом. Местно нагруженное кольцо, наоборот, выгодно посадить с небольшим зазором: медленное проворачивание переносит зону контакта по окружности и продлевает срок службы. Типичный случай — вращающийся вал редуктора: внутреннее кольцо нагружено циркуляционно (натяг), наружное в неподвижном корпусе — местно (свободнее).

Поля допусков вала и отверстия корпуса

После определения вида нагружения назначают поле допуска ответной детали — вала под внутреннее кольцо и отверстия корпуса под наружное. Перечни полей и рекомендуемые посадки приведены в ГОСТ 3325-85; числовые предельные отклонения берут по ГОСТ 25346-2013 и ГОСТ 25347-2013.

Квалитет посадочной поверхности

Квалитет назначают в зависимости от вида нагружения и класса точности подшипника. Циркуляционное нагружение требует более точной обработки, чем местное.

Точность формы и шероховатость

К посадочным поверхностям под подшипники предъявляют повышенные требования по форме: наиболее вредны конусообразность и овальность, поэтому для них нормируют допуск круглости, допуск профиля продольного сечения и непостоянство диаметра в поперечном и продольном сечениях. По ГОСТ 3325-85 непостоянство диаметра принимают равным половине допуска на диаметр посадочной поверхности для подшипников классов 0 и 6, трети допуска — для классов 5 и 4 и четверти допуска — для класса 2. Шероховатость посадочных поверхностей и опорных торцов назначают по таблицам ГОСТ 3325-85 в зависимости от класса точности подшипника и диаметра.

Натяг и рабочий зазор подшипника

Посадка с натягом не проходит для подшипника бесследно: она меняет его внутренний радиальный зазор. При запрессовке внутреннего кольца на вал его дорожка раздаётся наружу, при установке наружного кольца в корпус его дорожка поджимается внутрь. Дорожки сближаются, и радиальный зазор уменьшается. Поэтому для нерегулируемых подшипников различают три состояния зазора.

Часть натяга закономерно «съедает» зазор. Если назначить плотную посадку, не скорректировав группу зазора, посадочный зазор может стать нулевым или отрицательным ещё до выхода узла на режим, а тепловое расширение при работе усугубит защемление. Внутренние зазоры и их группы устанавливает ГОСТ 24810-2013: помимо нормальной группы предусмотрены уменьшенные и увеличенные.

Чем больше натяг и чем сильнее нагрев узла, тем больше начальный зазор должен быть заложен выбором соответствующей группы по ГОСТ 24810-2013.

Увеличенные группы зазора применяют там, где кольца ставят со значительным натягом или где узел работает при больших колебаниях температуры. При прочих равных меньший рабочий зазор повышает точность вращения и вовлекает в работу большее число тел качения, но подшипников с нулевым зазором в состоянии поставки не выпускают — иначе монтажный натяг сразу привёл бы к защемлению.

Выбор посадки: порядок действий и расчёт интенсивности нагружения

Для местно нагруженного кольца основное отклонение назначают по таблицам ГОСТ 3325-85 с учётом размера, конструкции корпуса (разъёмный или неразъёмный) и уровня перегрузок. Для циркуляционно нагруженного кольца посадку выбирают расчётом — через интенсивность нагружения посадочной поверхности.

1. Определить вид нагружения каждого кольца. Установить, какое кольцо вращается относительно радиальной нагрузки (циркуляционное), а какое неподвижно (местное).
2. Назначить квалитет. По классу точности подшипника и виду нагружения выбрать квалитет вала и отверстия корпуса (см. таблицу выше).
3. Для циркуляционного кольца вычислить интенсивность нагружения. По полученному значению и таблицам ГОСТ 3325-85 определить основное отклонение сопрягаемой детали с учётом диаметра и класса точности.
4. Проверить рабочий зазор. Оценить уменьшение зазора от натяга и влияние температуры; при необходимости назначить увеличенную группу зазора по ГОСТ 24810-2013.
5. Задать требования к форме и шероховатости. Указать допуски круглости и профиля продольного сечения, шероховатость посадочных поверхностей и опорных торцов.

Чем выше интенсивность нагружения, тем плотнее посадка циркуляционно нагруженного внутреннего кольца на вал. Конкретное основное отклонение определяет ГОСТ 3325-85 по рассчитанному PR с учётом интервала диаметра и класса точности подшипника; качественная тенденция показана ниже.

Рекомендуемые посадки и типичные ошибки

Сводка ориентировочных полей допуска для типовых случаев. Конкретное поле уточняют по таблицам ГОСТ 3325-85 с учётом интенсивности нагружения, диаметра, класса точности и конструкции корпуса.

Частые ошибки при назначении посадок

На что обращают внимание при проектировании и контроле опоры качения:

• Натяг на местно нагруженном кольце. Лишает кольцо возможности проворачиваться, концентрирует износ на одном участке дорожки.
• Зазор на циркуляционно нагруженном кольце. Приводит к обкатыванию и разбиванию посадочной поверхности, проворачиванию кольца.
• Игнорирование уменьшения зазора от натяга. Без коррекции группы зазора подшипник защемляется на режиме.
• Плавающая опора закреплена с натягом по обоим кольцам. Не остаётся свободы для компенсации температурного удлинения вала; в двухопорном валу одно из невращающихся колец сажают с гарантированным зазором.
• Поле допуска назначено, а форма и шероховатость — нет. Реальная посадка определяется не только полем, но и круглостью, профилем продольного сечения и шероховатостью.

Вопросы и ответы