Совершенствование опор качения главной передачи ведущих мостов тракторов «Кировец»

Введение. Двухрядные конические подшипники нашли широкое применение в различных отраслях. В автомобилестроении их используют в качестве опор ведущих передних колес автомобилей и редукторов задних мостов. В промышленном оборудовании они устанавливаются на валах винтовых роторных компрессоров и подъемных механизмов. Однако наибольшее распространение двухрядные конические подшипники получили в сельскохозяйственном машиностроении в опорах главной передачи ведущих мостов тракторов и на железнодорожном транспорте в буксовом узле. Преимуществами этого типа подшипников являются высокая радиальная и осевая нагрузка, воспринимаемая подшипниками, их большая грузоподъемность, угловая жесткость вала, стойкость к ударам и вибрациям и простота установки.

Основной тип двухрядных конических подшипников представляет собой узел, состоящий из одного сдвоенного наружного кольца, двух однорядных внутренних колец и дистанционного кольца, которое устанавливается между внутренними кольцами. Радиальный зазор и осевая игра в этих подшипниках обеспечивается подшлифовыванием дистанционного кольца [1], которые определяются заводом-изготовителем, и поэтому двухрядные конические подшипники поставляются с заданным зазором и не подлежат дополнительной регулировке.

Доказано, что жесткость опор качения зависит от жесткости подшипников [1–3]. Жесткость подшипников может быть повышена созданием в них предварительного натяга. Обычно предварительный натяг в подшипниках создается путем смещения колец под действием осевой силы и слагается из перемещений в пределах осевой игры и перемещений упругих деформаций поверхностей тел и дорожек качения в местах контакта.

Также исследованиями [4] установлено, что в конических опорах качения в условиях предварительного натяга рабочие поверхности в зоне контакта интенсивно изнашиваются и вследствие износа взаимодействующих элементов подшипники приходится заменять новыми.

Цель исследований заключается в совершенствовании конструкции двухрядных конических подшипников, способствующих созданию в циклических зонах деформации контактирующих поверхностей элементов дополнительных устройств, обеспечивающих их нормальное функционирование в условиях предварительного натяга.

Материалы и методы исследований. В основу разработки усовершенствованной конструкции двухрядного конического подшипника был положен анализ информационноаналитических исследований по работоспособности, ремонту и регулировке главной передачи ведущих мостов транспортно-технологических машин и комплексов, а также ранее проведенные результаты изучения износов деталей главной передачи ведущих мостов трактора «Кировец».

Результаты исследований и их обсуждение. В тракторах К-744 и К-424, как и в тракторах К-701 и К-700А, главная передача (рисунок 1) – коническая, одинарная.

Она состоит из картера 5, вставки 32 и пары конических шестерен 29 и 6. В картере выполнены посадочные места для установки и крепления кожуха 16 полуоси, вставки 32, стакана 24 и наружных обойм роликового подшипника 23 и шарикового подшипника 18.

1 – штифт; 2 – болт; 3, 13 – ступица ведомой полумуфты; 4, 10 – ведомая полумуфта;

5 – картер; 6 – ведомая коническая шестерня; 7 – ступица; 8 – ведущая муфта; 9 – шпонка; 11 – обойма; 12 – пружина;

• 14 – чаша дифференциала; 15 – полуось; 16 – кожух полуоси; 17 – уплотнение; 18 – шариковый подшипник;

• 19,    22 – разрезные кольца; 20 – кольцо ведущей муфты; 21 – стопорное кольцо; 23 – роликовый подшипник; 24 – стакан;

25 – регулировочные прокладки; 26 – прокладка; 27, 30 – двухрядный конический роликовый подшипник; 28 – крышка;

29 – ведущая коническая шестерня; 31 – кольцевая гайка; 32 – вставка Рисунок 1 – Главная передача трактора «Кировец»

• 1    – pin; 2 – bolt; 3, 13 – driven half-coupling hub; 4, 10 – driven half-coupling; 5 – crankcase; 6 – driven bevel gear;

• 7 – hub; 8 – leading clutch; 9 – key; 11 – clip; 12 – spring; 14 – differential bowl; 15 – semi-axle; 16 – axle shaft casing;

• 17 – seal; 18 – ball bearing; 19, 22 – split rings; 20 – a ring of the driving clutch; 21 – retaining ring; 23 – roller bearing;

• 24 – glass; 25 – shims; 26 – gasket; 27, 30 – double row tapered roller bearing; 28 – cover; 29 – leading bevel gear;

31 – ring nut; 32 – insert

• Figure 1    – The main gear of the «Kirovets» tractor

Ведущая коническая шестерня 29 вращается на двухрядном коническом роликовом подшипнике 27 и роликовом подшипнике 23. Подшипник 27 закрыт крышкой 28 с уплотнением. Между крышкой 28 и стаканом 24 установлены прокладки 26, обеспечивающие фиксацию наружной обоймы подшипника 27. Между стаканом 24 и картером 5 установлены прокладки 25

для регулировки зацепления конической пары шестерен по длине зуба. Ведомая коническая шестерня 6 закреплена на ступице 7 дифференциала болтами и штифтами, застопоренными планками. Регулировка зацепления конических шестерен по высоте зуба производится двумя кольцевыми гайками 31.

Силовой анализ ведущей конической шестерни главной передачи (рисунок 2) показывает, что при выполнении трактором технологической операции в зацеплении главной передачи возникает окружное усилие F (на рисунке не показано), которое раскладывается на осевую F , радиальную F и поперечную F нагрузки и моменты: крутящий и изгибающие (на рисунке не показаны).

Рисунок 2 – Схема сил, действующих на ведущую коническую шестерню

• Figure 2    – Scheme of forces acting on the leading bevel gear

Поскольку радиальный роликоподшипник 23 установлен в опору плавающим, то осевую составляющую нагрузки F будет воспринимать только двухрядный конический подшипник 27.

Конструкции конических подшипников таковы, что при действующих рабочих нагрузках на тела качения (конические ролики) действует выталкивающая сила и чтобы удержать их в рабочей зоне, на внутреннем кольце выполнен упорный борт.

Согласно [5] в зонах контакта больших торцов роликов с упорным бортом внутреннего кольца подшипника возникает сила трения скольжения, которая приводит к развороту тел качение, и дальнейшее их вращательное движение будет происходить не по траектории конуса.

Такое движение тел качения сопровождается интенсивным износом контактирующих поверхностей в зонах контакта и возрастанием температуры подшипника.

Кроме того, в работе [6] был описан характер качения конических роликов при возникновении сил взаимодействия между рабочими поверхностями тел качения и сепаратором.

Было установлено, что при осевом нагружении конических подшипников качение роликов сопровождается скольжением их по дорожкам качения колец и может привести к заклиниванию. Заклинивание тел качения приводит не только к интенсивному износу рабочих поверхностей конических подшипников, но и вызывает проворачивание колец относительно посадочных мест, что влечет износ торцевых поверхностей сопрягаемых деталей.

На рисунке 3 показаны износы торцевых поверхностей деталей главной передачи, сопрягаемых с двухрядным коническим подшипником, и износы торцевых поверхностей наружного и внутреннего колец, которые наблюдалась при дефектовке деталей главной передачи ведущих мостов тракторов «Кировец».

Износ торцевой поверхности End surface wear

Износ торцевой поверхности End surface wear

б

а

Износ торцевой поверхности

End surface wear

в

Износ торцевой поверхности End surface wear

г

а – износ торцевой поверхности крышки; б – износ торцевой поверхности вала-шестерни; в – износ торцевой поверхности наружного кольца подшипника; г – износ торцевой поверхности внутреннего кольца подшипника Рисунок 3 – Износы торцевых поверхностей деталей главной передачи и двухрядного конического подшипника ведущей шестерни a – wear of the end surface of the cover; б – wear of the end surface of the pinion shaft; в – wear of the end surface of the bearing outer ring; г – wear of the end surface of the bearing inner ring

• Figure 3    – Wear of the end surfaces of the main gear parts and the double-row tapered bearing of the drive gear

Как следует из рисунка 3, торцевые поверхности деталей главной передачи ведущего моста трактора «Кировец», в частности крышки 28 (рисунок 3 а ) и вала-шестерни 29 (рисунок 3 б ), имеют износы вследствие интенсивного проворачивания наружного и внутренних колец подшипника 27 (рисунок 3 в и 3 г ). Особенно наглядно это представлено на рисунке 3 в , где отчетливо видны следы проворачивания. Изно-сы торцевых поверхностей: крышки 28 (рисунок 3 а ) и вала-шестерни 29 (рисунок 3 б ), торцевой поверхности наружного кольца конического подшипника 27 (рисунок 3 в ), сопрягаемого с крышкой 28, и торцевой поверхности внутреннего кольца конического подшипника 27, расположенного ближе к ведущей шестерне 29,

(рисунок 3 г ) вместе с износом большого торца роликов и износом рабочих поверхностей тел и дорожек качения будут приводить к постоянному изменению взаимного положения колец, а, соответственно, и к непрерывному разрегулированию зацепления зубьев конической пары. Следует отметить, что при этом увеличивается боковой зазор в зацеплении и возрастает скорость изнашивания зубьев, появляется шумность работы главной передачи и нагрев ведущего моста.

Особенно интенсивно этот процесс происходит при постоянно действующей осевой нагрузке, что как раз характерно для двухрядных конических подшипников главной передачи ведущих мостов тракторов «Кировец» и их мо- дификаций. Изменить данную ситуацию к лучшему возможно, если двухрядные конические подшипники устанавливать в ведущие мосты с предварительным натягом. Как указывалось выше, предварительный натяг в конических подшипниках может быть создан приложением осевой нагрузки. Явно имеется противоречие. С одной стороны, чтобы предотвратить в процессе эксплуатации технического средства непрерывное разрегулирование конического зацепления, необходимо предварительно нагрузить двухрядную опору осевой нагрузкой, т.е. создать в подшипнике предварительный натяг. С другой стороны, осевая нагрузка вызывает интенсивные износы торцевых и рабочих поверхностей тел качения, рабочих поверхностей дорожек качения, торцевых поверхностей сопрягаемых деталей, которые в совокупности опять приводят к разрегулированию.

Решить противоречие можно путем технического совершенствования двухрядного конического подшипника по патенту на полезную модель RU № 204696 [7], сущность которого заключается в следующем.

На каждой дорожке качения наружного кольца двухрядного конического подшипника выполняется средство разгрузки тел качения от рабочей нагрузки в виде местного углубления (рисунок 4), сечением поверхности которого является кривая (рисунок 5), описываемая уравнением [8].

1 – наружное кольцо; 2 – средство разгрузки тел качения; 3 – внутреннее кольцо; 4 – тела качения Рисунок 4 – Двухрядный конический подшипник в разрезе

1 – outer ring; 2 – means for unloading rolling elements; 3 – inner ring; 4 – rolling bodies Figure 4 – Sectional double-row tapered bearing

А-А

а

Б-Б

б

а - в сечении А-А и б - в сечении Б-Б

Рисунок 5 – Сечения двухрядного конического подшипника a - in section A-A and b - in section Б-Б

Figure 5 – Cross-sections of a double-row tapered bearing

2n y = b-axm ,(1)

где b - свободный член, b = 0,5 • D] + S , мм;

a – коэффициент,

M 2  , 2S

0,5 • D, 1 +

D2

a =--7—

0,5 • D, • sin ^ф

I

D – средний диаметр дорожки качения наружного кольца, мм;

S – максимальная глубина средства разгрузки, мм;

Ф - длина средства разгрузки по длине окружности дорожки качения наружного кольца подшипника, рад;

2n

– показатель степени, m

• Ф , Ф sin • tg 2n    ₂₂

m    ^2S     ф

1 + cos

D2

Из рисунка 5 видно, что средства разгрузки тел качения от рабочей нагрузки на дорожках качения наружного кольца выполнены диаметрально противоположно относительно друг друга.

В этом случае при создании в двухрядном коническом подшипнике предварительного натяга подшипник получает предварительную осевую нагрузку, которая ликвидирует осевую игру в комплекте, создавая начальную упругую деформацию в местах контакта рабочих поверхностей колец с телами качения, за исключением роликов, которые расположены в зоне разгрузки тел качения от рабочей нагрузки.

Как показали результаты исследований и опыт эксплуатации подшипников качения, на их износ и работоспособность оказывает большое влияние величина радиального зазора [9–14]. Недостаточный радиальный зазор ведет к тому, что при каждом совпадении максимальных овальностей колец и тел качения происходит их жесткое заклинивание и резкое увеличение местных деформаций. Большой зазор исключает возможность защемления, но увеличивает напряжение в зоне максимального нагружения и ухудшает динамику подшипника, что также снижает его работоспособность.

В двухрядных конических подшипниках по патенту RU № 204696, собранных или отрегулированных с предварительным натягом, жесткого заклинивания и ухудшения динамики не будет. При работе таких роликоподшипников (см. рисунок 4) каждый ряд тел качения 4 будет поочередно попадать в устройство разгрузки 2 наружного кольца 1 и освобождаться от контактной нагрузки предварительного натяга и сил трения скольжения между упорным бортом и большим торцом ролика.

Это приведет к исключению трения скольжения в контакте тел качения 4 с дорожками качения наружного 1 и внутренних 3 колец и увеличению долговечности подшипника с одновременным равномерным распределением нагрузки по наружному кольцу 1.

А-А

Б-Б

а                                                                    б а – в сечении А-А и б – в сечении Б-Б

Рисунок 6 – Эпюра распределения нагрузки по телам качения в сечениях рисунка 5 a – in section A-A and b – in section Б-Б

Figure 6 – Diagram of the load distribution over the rolling bodies in the sections of figure 5

Согласно [5] двухрядный конический подшипник конструкции по патенту RU № 204696 имеет функционально-конструктивное резервирование путем создания в нем устройств, обеспечивающих гарантированную разгрузку тел качения от силы предварительного натяга рабочей нагрузки.

При этом эпюра распределения нагрузки по телам качения в контакте с наружным кольцом будет иметь вид, представленный на рисунке 6.

На рисунке 7 изображена суммарная эпюра распределения нагрузки по телам качения в двухрядном коническом роликоподшипнике в условиях предварительного натяга.

Рисунок 7 – Суммарная эпюра распределения нагрузки по телам качения в условиях предварительного натяга

Figure 7 – The summary diagram of the load distribution over the rolling elements under preload conditions

Как видно из рисунка 6, осевая нагрузка предварительного натяга по каждому ряду роликов распределяется неравномерно. Тем не менее, рисунок 7 показывает, что суммарная нагрузка, которая посредством наружного кольца будет приходиться на корпус, распределяется равномерно. Равномерное распределение нагрузки предварительного натяга является важной особенностью двухрядных конических подшипников, так оно не приводит к перекосу внешнего кольца, а следовательно, не нарушается соосность посадочных мест.

При выполнении техническим средством технологической операции и возникновении в зацеплении окружного усилия, действие рабочих нагрузок приведет к относительному перемещению колец двухрядного конического подшипника вследствие дополнительной деформации рабочих поверхностей. Однако эта дополнительная деформация рабочих поверхностей будет значительно меньше, чем до создания предварительного натяга.

После приложения рабочих нагрузок, в частности, осевой силы F (см. рисунок 2) увеличивается нагружение 1-го ряда тел качения, которые располагаются ближе к торцу ведущей шестерни, а 2-го ряда – уменьшается. По мере увеличения осевой рабочей нагрузки F при определенном соотношении сил 2-й ряд роликов будет полностью разгружен от усилия предварительного натяга, а 1-й ряд роликов будет воспринимать только рабочую нагрузку F .

Выводы. Проведенный силовой анализ главной передачи ведущего моста трактора «Кировец» показал, что установленные в узле двухрядные конические подшипники работают в условиях, при которых происходит износ рабочих поверхностей качения и торцевых поверхностей деталей, сопрягаемых с кольцами подшипников, что вызывает разрегулирование конического зацепления.

Для стабилизации положения зубчатого зацепления предлагается устанавливать двухрядные роликоподшипники с предварительным натягом, имеющие на дорожках качения устройства разгрузки роликов от силы предварительного натяга и рабочей контактной нагрузки.

Усовершенствованные двухрядные конические подшипники обеспечивают стабильность упругих деформаций и равномерность распределения нагрузки по наружному кольцу.