Посадка подшипника на вал: поля допусков, таблица выбора и пример

Общую технологию вала и таблицу шероховатости шеек по ГОСТ 3325 мы дали в статье как изготавливают валы и оси. Здесь разобрано другое: какое поле допуска назначить шейке и гнезду корпуса и что произойдёт, если ошибиться.

Как нагружено кольцо: местное, циркуляционное, колебательное

Посадку выбирают не для подшипника целиком, а отдельно для каждого кольца. ГОСТ 3325-85 различает три вида нагружения, и от них зависит, нужен ли натяг.

При колебательном нагружении кольцо воспринимает равнодействующую двух нагрузок: постоянной по направлению и меньшей вращающейся. Нагружен ограниченный сектор, который гуляет вокруг среднего положения. Посадки для него берут ближе к местному нагружению, но чуть плотнее (Js, K).

Типичный пример: электродвигатель. Вал вращается, а вес ротора и натяжение ремня действуют в одну сторону. Для внутреннего кольца такая нагрузка циркуляционная, для наружного в неподвижном корпусе местная. Колесо на неподвижной оси даёт обратную картину: кольцо в ступице нагружено циркуляционно, а на оси местно.

Лёгкая, нормальная и тяжёлая нагрузка

Интенсивность нагружения определяют по эквивалентной динамической нагрузке P, выраженной в долях динамической грузоподъёмности C из каталога подшипника. В приложении 5 к ГОСТ 3325-85 границы такие: лёгкий режим при P до 0,07C, нормальный при P от 0,07C до 0,15C, тяжёлый при P больше 0,15C, а ударные нагрузки и вибрации выделены отдельной строкой. Чем выше нагрузка, тем сильнее кольцо деформируется под телами качения и тем плотнее его надо посадить, иначе оно «ползёт» по шейке.

Таблица выбора полей допусков

Таблицы ниже собраны по логике ГОСТ 3325-85 (приложение 5) и каталогов производителей для радиальных шариковых подшипников класса точности 0. Границы диаметров 40 и 100 мм типовые для шариковых, у роликовых они сдвигаются в сторону больших диаметров. Окончательный выбор сверяйте с таблицами стандарта и каталога конкретного подшипника.

Для шейки вала:

Для отверстия корпуса:

Если корпус тонкостенный или из лёгкого сплава, поле берут на ступень плотнее: алюминий при нагреве расширяется сильнее стали, и посадка в нём ослабевает. Допуски самих полей для любого диаметра есть в справочнике, например k6, js6 и m6, а для расчёта пары удобен калькулятор допусков и посадок.

Поля допусков в микрометрах: вал 40 мм

Допуск диаметра отверстия подшипника направлен в минус от номинала: у кольца класса 0 с отверстием 40 мм он составляет от 0 до минус 12 мкм (допуск наружного диаметра 80 мм: от 0 до минус 13 мкм). Для обычного отверстия H7 допуск уходит в плюс, поэтому посадки с подшипником получаются плотнее, чем те же буквы в таблицах «вал-втулка». Один и тот же h6 даёт с подшипником переходную посадку, хотя с отверстием H7 он был бы скользящей.

Отклонения даны по ГОСТ 25347-82 (ISO 286) для интервала диаметров от 30 до 50 мм, а допуск отверстия подшипника взят из ГОСТ 520-2011, который основан на ISO 492. Для корпуса под наружный диаметр 80 мм поля такие: H7 даёт +30 / 0, Js7 даёт ±15, K7 даёт +9 / −21, M7 даёт 0 / −30 мкм.

Пример: вал 40 мм под подшипник 208

Подшипник 208 (в международной маркировке 6208) имеет размеры 40×80×18 мм, его динамическая грузоподъёмность по каталогам производителей лежит между 29 и 32,5 кН. Возьмём для расчёта привод вентилятора: радиальная нагрузка на опору 3 кН, вал вращается, корпус неподвижный чугунный неразъёмный.

1. Отношение P/C. 3 кН на 32 кН дают 0,09, то есть нормальный режим.
2. Внутреннее кольцо. Вал вращается, нагрузка постоянна по направлению: циркуляционное нагружение. Диаметр 40 мм стоит на границе js6 и k6. При нормальной нагрузке берём k6, то есть шейка Ø40 +0,018 / +0,002 мм.
3. Наружное кольцо. Корпус стоит, нагрузка не вращается относительно него: местное нагружение. Для неразъёмного корпуса выбираем Js7, то есть отверстие Ø80 ±0,015 мм.
4. Натяг на валу. Наименьший 0,002 мм (шейка 40,002 против кольца 40,000), наибольший 0,030 мм (шейка 40,018 против кольца 39,988).
5. Посадка в корпусе. Наружное кольцо имеет диаметр от 79,987 до 80,000 мм. С отверстием Js7 получается зазор до 28 мкм или натяг до 15 мкм.

Теперь о зазоре. Радиальный зазор подшипника 208 группы N по каталогам равен 6–20 мкм, а группы C3 составляет 15–33 мкм. Среднее значение натяга на валу получается около 16 мкм, и при потере зазора 80 % от него уходит примерно 13 мкм. Для группы N со средним зазором 13 мкм остаётся почти нуль. В неблагоприятном сочетании допусков (натяг 30 мкм, зазор 6 мкм) подшипник встал бы с отрицательным зазором, то есть с преднатягом, и перегрелся бы в работе. У группы C3 при среднем зазоре 24 мкм остаётся около 11 мкм, а нагрев вала от двигателя съест ещё несколько. Поэтому на таком валу ставят подшипник с зазором C3, а не стандартный.

Что происходит с зазором при посадке с натягом

Внутреннее кольцо при посадке на шейку с натягом расширяется, наружное при запрессовке в корпус сжимается, и зазор между кольцами и телами качения уменьшается. Производители (NSK, SMB) пишут, что на уменьшение зазора уходит от 70 до 90 % величины натяга, в расчётах обычно принимают 80 %. Точное значение зависит от толщины кольца, материала и полой ли шейка.

К этому добавляется нагрев: в работе внутреннее кольцо и вал горячее наружного кольца и корпуса на 5–10 °C, поэтому внутренний диаметр растёт быстрее и зазор уменьшается ещё. Отсюда практическое правило: чем плотнее посадка и выше температура, тем больше должен быть начальный зазор подшипника. Если рабочая посадка на оба кольца с натягом, NSK в своей таблице рекомендует C3 или C4.

Что бывает при неверной посадке

• Проворот внутреннего кольца. Если между кольцом и шейкой возникает зазор c, то за каждый оборот вала кольцо отстаёт на πc. Поверхность шейки полируется, затем появляются задиры, посадка слабеет ещё сильнее, и износ растёт лавинообразно. Тот же результат даёт слишком гладкая шейка: микронеровности сминаются при запрессовке и натяг теряется.
• Наклёп и контактная коррозия. При малых перемещениях кольца по шейке под нагрузкой возникает фреттинг: бурый налёт, мелкие раковины, выкрашивание посадочной поверхности.
• Закусывание. Слишком большой натяг уменьшает зазор до нуля или преднатяга, шарики зажимаются, подшипник греется, смазка выгорает, и подшипник заклинивает.
• Трещина кольца. При чрезмерном натяге в кольце возникают растягивающие напряжения, и закалённое кольцо лопается, иногда сразу при запрессовке, иногда под нагрузкой.
• Задир шейки. При снятии или установке на тугую шейку без смазки и оправки поверхность рвётся, и шейку приходится восстанавливать, в том числе ремонтной втулкой или наплавкой (подробнее в статье про восстановление сломанной детали).

Скользящая посадка подшипника на вал

Скользящая посадка нужна, когда внутреннее кольцо нагружено местно (подшипник ролика на неподвижной оси, натяжной ролик, колесо на оси) или когда его должно быть легко снять без пресса. Для таких случаев берут g6 или h6, а для подвижной в осевом направлении опоры (цилиндрические роликовые подшипники плавающей опоры) наружное кольцо ставят в корпус по H7.

Из таблицы выше видно, что с подшипником «скользящая» посадка очень условна: h6 при самом неудачном сочетании размеров всё же даёт натяг до 12 мкм, g6 до 3 мкм. Если кольцо должно ходить свободно, нужно проверять реальные размеры, а не полагаться на букву.

Посадка подшипника на вал электродвигателя

В примерах приложения 5 ГОСТ 3325-85 электродвигатели мощностью до 100 кВт отнесены к посадкам k6, js6 и m6 в зависимости от диаметра и нагрузки. Сильнее нагружен вал при ременной или цепной передаче: поперечная сила от ремня добавляется к весу ротора, поэтому на приводном конце разумно идти к k6 или m6 вместо js6. Со стороны муфты и вентилятора нагрузка меньше. Корпус (подшипниковый щит) обычно по H7 или Js7, причём один из подшипников должен иметь осевую свободу, чтобы вал мог удлиняться при нагреве.

Если шейка сработана и подшипник начал проворачиваться, ремонт идёт по порядку: шейку проверяют микрометром, определяют износ, затем её либо протачивают под ремонтную втулку, либо наращивают и шлифуют до поля k6. Анаэробные составы для посадок годятся как временная мера, но не как расчётное решение.

Чаще разбитую посадку дешевле обойти, чем наращивать: тонкостенная ремонтная втулка с небольшим натягом решает вопрос без наплавки и шлифовки шейки, а при зазоре до 0,5 мм бывает достаточно фиксатора вал-втулка, который подбирают по паспорту на зазор и нагрузку. Эпоксидная шпаклёвка на вращающемся кольце держится плохо и со временем отслаивается.

Допуски формы и шероховатость шейки

Размер диаметра ничего не гарантирует, если шейка овальная или конусная: тонкое кольцо подшипника копирует форму шейки и работает с перегрузкой. ГОСТ 3325-85 для подшипников классов 0 и 6 ограничивает форму половиной допуска диаметра. Для шейки Ø40k6 с допуском 16 мкм это значит:

В отверстии корпуса Ø80H7 допуск формы соответственно 15 мкм по диаметру и 7,5 мкм в радиусном выражении. На чертеже вала это записывают знаками допуска круглости и радиального биения, а шероховатость указывают по таблице Ra. Основные правила оформления собраны в статье про чертёж детали по ЕСКД.

Получают такие допуски шлифованием: резцом на токарном станке стабильно держат 7–8-й квалитет, а для 6-го и жёсткой формы шейку после закалки всё равно приходится шлифовать. Это же относится к гнезду корпуса: его расточку разбирает статья про корпус редуктора.

Как проверять шейку

Нужен микрометр на 25–50 мм (для Ø40) и стойка с индикатором часового типа. Измерения делают после остывания детали, потому что нагрев стальной шейки на один градус добавляет к диаметру около 0,5 мкм, а десять градусов после шлифования дают уже 5 мкм, то есть треть допуска k6.