Посадки подшипников качения на вал и в корпус

Автор: Владислав Георгиевич Лебедев.

Каждый, кто когда-либо занимался монтажом подшипников, замечал, что иногда внутреннее кольцо подшипника на вал или наружное кольцо в корпус устанавливаются легко, практически «от руки», а в других случаях приходится применять специальные методы и инструменты, обеспечивающие высокое усилие монтажа для преодоления сил трения, препятствующих установке кольца подшипника в требуемое положение даже когда все детали узла соответствуют требованиям размерной и геометрической точности. Очевидно, что эта разница в монтажных усилиях не случайна, но задумана конструктором и реализована изготовителем машины для достижения каких-то особых эксплуатационных характеристик. Рассмотрим это явление более подробно.

Термины и определения

Как обычно, начинаем с определений, установленных ГОСТ 25346-2013 и ISO 286-1:2010. 

Основополагающими понятиями являются вал и отверстие. Валом называется наружный размерный элемент детали, т.е. геометрическая форма или поверхность, охватываемая присоединяемой деталью. Типичными примерами являются шейка вала или цилиндрическая посадочная поверхность наружного кольца подшипника. Отверстием называется внутренний размерный элемент детали – поверхность, охватывающая присоединяемую деталь. В качестве примера можно привести внутреннюю поверхность любой втулки, посадочную поверхность отверстия в корпусе подшипникового узла или отверстие внутреннего кольца подшипника. Далее в тексте настоящей статьи термины «вал» и «деталь типа вал» являются синонимами, так же как «отверстие», «деталь типа втулка» и «втулка».

При сборке узла из двух деталей, одна из которых имеет наружную цилиндрическую поверхность, а другая – отверстие цилиндрической формы, практически невозможно достичь абсолютного равенства диаметров d и D сопрягаемых поверхностей, см. рис. 1. Поэтому, в зависимости от их действительных размеров (также называемых фактическими поскольку они получаются в результате измерений каждого конкретного изделия), для каждой пары деталей после сборки принципиально возможны два варианта: образование в соединении зазора или натяга.

Рис. 1. Зазор или натяг в соединении 

Соединение такого рода называется «посадкой», охватываемая деталь – «валом», а охватывающая – «отверстием» или деталью типа втулка, см. рис. 2.

Рис. 2. Посадка в цилиндрическом соединении деталей типа «вал» и «втулка»

Следует подчеркнуть, что названия «вал» и «втулка» применительно к описанию посадок являются условными, поскольку отражают не геометрические формы деталей, а их роли в сборке. Так при монтаже подшипника в отверстие корпуса «валом» будет наружное кольцо подшипника, а «втулкой» - корпусная деталь, см. рис. 3.

Рис. 3. Определения деталей «вал» и «втулка» применительно к монтажу подшипников

Характер соединения или тип посадки зависит от действительных размеров деталей до сборки. Если действительный наружный диаметр вала d меньше, чем действительный диаметр отверстия втулки D, то в соединении вала и втулки образуется так называемая «посадка с зазором», величина зазора равна разности диаметров D – d и является положительной. Это тот случай, когда сборка производится практически без усилий. Но если d больше D, то в процессе сборки произойдёт упругая деформация втулки и вала, и при этом образуется плотное, тугое соединение деталей, называемое «посадкой с натягом». Величина натяга также равна разности диаметров D – d, но имеет отрицательное значение, поэтому иногда натяг называют «отрицательным зазором». В случае посадки с натягом не обойтись без специальных методов монтажа и соответствующих инструментов.

Взаимосвязь размеров, отклонений и допусков

Каким же образом на практике осуществляется задуманный конструктором машины тип посадки, определяемый разностью диаметров сопрягаемых деталей, если их абсолютная точность принципиально недостижима? Ответ даёт ГОСТ 25346-2013, регламентирующий способ задания размеров деталей при их проектировании и последующем изготовлении. Рассмотрим на примере детали типа «втулка», рис. 4.

Рис4. Взаимосвязь размеров, отклонений и допусков на примере детали типа «втулка»

Проектируя деталь типа «втулка», конструктор первоначально задаёт номинальный размер отверстия. В данном случае номинальным размером называется определённый чертежом диаметр идеального цилиндра, образующего отверстие втулки, на рис.4 ему соответствует нулевая линия. Действительный размер может отличаться от номинального, но должен находиться в диапазоне от нижнего предельного размера до верхнего предельного размера. Этот диапазон называется интервалом допуска (ранее применялось название «поле допуска»), а его величина, т.е. разность значений верхнего и нижнего предельного размеров, называется допуском. Допуск также задаётся конструктором исходя из требований к точности размеров и формы деталей. Допуск всегда положителен. Если принять за точку отсчёта номинальный размер отверстия, то расстояние до верхнего предельного размера называется верхним предельным отклонением, а до нижнего – нижним предельным отклонением.  Эти отклонения могут иметь как положительную, так и отрицательную величину, однако разность верхнего и нижнего предельных отклонений всегда положительна и численно равна допуску.

Аналогичная схема применяется по отношению к детали типа «вал», см. рис. 5.

Рис 5. Взаимосвязь размеров, отклонений и допусков на примере детали типа «вал»

Таким образом, характер соединения двух деталей типа «вал» и «втулка» определяется интервалами допусков, заданными для этих деталей конструктором машины. Производитель, в свою очередь, выбирает такие технологические процессы и оборудование, которые обеспечивают попадание действительных размеров изготовленных деталей в назначенные конструктором допуски.

Для каждой конкретной детали интервал допуска характеризуется двумя параметрами: величиной допуска и положением интервала допуска относительно нулевой линии, соответствующей номинальному размеру. Эти параметры стандартизованы, что позволяет обеспечить взаимозаменяемость деталей и собираемость изделий, состоящих из таких деталей.

Величина допуска зависит как от номинального размера, так и от степени точности, предъявляемой к детали. Допуски для разных номинальных размеров с одинаковыми требованиями к точности образуют группы, называемые квалитетами. Стандарт ГОСТ 25346-2013 предусматривает двадцать квалитетов, обозначаемых от IT01 до IT18, при этом чем меньше число в обозначении, тем уже интервал допуска и, соответственно, выше размерная точность детали.

Положение интервала допуска определяется по т.н. основному отклонению, которое выбирается из верхнего или нижнего предельных отклонений и совпадает с тем из них, которое расположено ближе к нулевой линии. Положение интервала допуска обозначается буквами латинского алфавита, причём заглавные буквы используются для указания на отверстие, а строчные – на вал.

Численные значения допусков и основных отклонений указаны в ГОСТ 25346-2013.

Сочетание квалитета и основного отклонения образуют класс допуска, который обозначается на чертеже детали для задания диапазона допустимых действительных размеров. Примеры обозначений с указанием класса допуска:

• Ø80m6 – вал, номинальный диаметр 80 мм, допуск размера по 6-му квалитету, основное отклонение m;
• Ø65Н7 – отверстие, номинальный диаметр 65 мм, допуск размера по 7-му квалитету, основное отклонение H.

Две детали, одна типа «вал» и другая типа «втулка», с одинаковым номинальным размером, но разными классами допусков, образуют в сборке посадку, характер которой зависит от сочетания классов допусков этих деталей. Если интервал допуска отверстия по отношению к интервалу допуска вала задан таким образом, что любое допустимое значение действительного диаметра отверстия оказывается больше любого допустимого действительного значения диаметра вала, то при сборке получается посадка с гарантированным зазором, см. рис. 6.

Рис 6. Расположение интервалов допусков отверстия и вала для посадки с зазором

Если наоборот, интервал допуска отверстия по отношению к интервалу допуска вала задан таким образом, что любое допустимое значение действительного диаметра отверстия оказывается меньше любого допустимого действительного значения диаметра вала, то при сборке получается посадка с гарантированным натягом, см. рис. 7.

Рис 7. Расположение интервалов допусков отверстия и вала для посадки с натягом

В случае частичного или полного перекрытия интервалов допусков отверстия и вала возможно получение посадки как с зазором, так и с натягом, что определяется действительными размерами конкретной пары деталей, образующих сборку, см. рис. 8. Такая посадка называются переходной.

Рис 8. Расположение интервалов допусков отверстия и вала для переходной посадки

Характер посадки указывается на сборочных чертежах как сочетание классов допуска сопряжённых деталей, например Ø75G7/h6, что означает вал с номинальным диаметром 75 мм, размерным допуском по 6-му квалитету с основным отклонением h и отверстие втулки также номинальным диаметром 75 мм, размерным допуском по 7-му квалитету, и основным отклонением G.

Большая часть подшипников качения является стандартными изделиями, их размеры, включая интервалы допусков отверстия и наружного диаметра, регламентированы и обычно указываются в каталогах изготовителей. Поэтому для обеспечения требуемого характера посадки подшипника достаточно задать класс допуска сопрягаемых с подшипником деталей: посадочного диаметра шейки вала и диаметра отверстия корпусной детали.  Наиболее употребительные классы допусков, обеспечивающие необходимый характер посадок метрических подшипников на вал и в корпус, схематически показаны на рис. 9.

Рис 9. Классы допусков сопряжённых деталей в узлах с метрическими подшипниками

На сборочных чертежах в посадках подшипников допускается указывать только класс допуска сопряжённых с подшипником деталей, см. рис. 10.

Рис 10. Пример указания посадок подшипников на сборочном чертеже

Пояснения к примеру на рис. 10:

• Ø30k6 означает, что шейка вала имеет номинальный диаметр 30 мм, шестой квалитет точности размеров, основное отклонение по k;
• Ø62Н7 означает, что отверстие корпусной детали имеет номинальный диаметр 62 мм, седьмой квалитет точности размеров, основное отклонение по Н.

Посадка внутреннего кольца подшипника на вал и наружного – в отверстие корпуса – оказывает существенное влияние на работоспособность как самого подшипника, так и узла в целом. 

К сожалению, не существует одного единственного универсального варианта посадки, и в каждом отдельном случае конструктор машины назначает характер посадки подшипников на вал и в корпус исходя из предъявляемых к оборудованию требований точности, быстроходности, жёсткости, учитывает тепловые явления, удобство монтажа и демонтажа, а также другие, иногда взаимоисключающие, критерии. Так посадка с зазором облегчает монтаж и допускает смещение подшипника вдоль оси, что позволяет компенсировать тепловые деформации и снижает требования к точности взаимного расположения деталей узла, однако снижает виброустойчивость и вызывает развитие фреттинг-коррозии. 

Посадка с натягом уменьшает деформацию подшипника под нагрузкой, повышает жёсткость и кинематическую точность узла, его скоростные свойства, и в целом благоприятно влияет на работоспособность, но вызывает необходимость применения специальных методов монтажа и демонтажа.

Кроме того, характер посадки тесно связан с функционалом подшипникового узла в качестве фиксирующей или «плавающей» опоры, что будет раскрыто в отдельной статье. Поэтому назначение и обеспечение оптимальной посадки в каждом конкретном случае является сложной задачей, решаемой на основе достижения разумного компромисса между всеми требованиями, предъявляемыми к подшипниковому узлу.

Рекомендации

Тем не менее, общие рекомендации по назначению посадок формулируются достаточно просто: если при работе подшипника действующая нагрузка перемещается относительно кольца, то это кольцо следует устанавливать по посадке с натягом. Если же нагрузка всегда приложена к одной и той же точке кольца, то такое кольцо допускается устанавливать по посадке с зазором. Правило справедливо как в отношении внутреннего кольца с посадкой на вал, так и наружного кольца с посадкой в отверстие корпусной детали.  Более точные рекомендации, применимые к специальным случаям, даны в ГОСТ 3325, а также в каталогах производителей подшипников.

Необходимо отметить, что в практике применения подшипников фактическая посадка зависит от реального состояния шейки вала и поверхности отверстия корпуса, что во многом определяется теми методами, которыми эксплуатант оборудования производит монтаж, демонтаж, обслуживание и ремонт. О том, как проверить соответствие поверхностей для установки подшипников требованиям конструкторской документации и рекомендациям «хорошей практики», – в одной из следующих статей.