3-D МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ НА БАЗЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ПРОГРАММЫ AutoCAD 2017

На сегодняшний день подшипники используются во всех механизмах, связанных с вращающимися компонентами. Без данного узла, изобретенного еще в глубокой древности и дорабатываемого в течение многих сотен лет, сейчас не обходится вращение деталей в часах, коленчатых валов в двигателях внутреннего сгорания, и даже работа компьютеров не может обойтись без этого устройства. Возможно, стоит даже сказать, что пока такой же относительно дешевой и эффективной альтернативы подшипникам человечество не придумало.

Различают немалое количество видов и подвидов подшипников, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками, и в зависимости от этого применяется в разных отраслях и сферах деятельности, однако наиболее часто встречаемыми и упоминаемыми являются подшипники качения и подшипники скольжения. В данной работе будет рассмотрен и приведен пример построения первого из вышеупомянутых видов подшипников, так как именно его изготовление является более сложным и интересным с точки зрения устройства и конструкции [1].

Подшипники качения представляют собой два кольца. Диаметр первого кольца больше, чем диаметр второго, настолько, чтобы между ними можно было поместить другие компоненты. Для этого на внешней стороне меньшего кольца и внутренней стороне большего кольца вырезают специальные желоба. Обычно между кольцами помещают: шарики, иглы, бочонки или другие по форме тела качения. В результате получается конструкция из нескольких составляющих. Вал вставляется внутрь малого кольца. При вращении он воздействует на первое кольцо, которое вследствие этого раскручивается, увлекая за собой тела качения, расположенные между первым и вторым кольцом. Большое кольцо при этом не крутиться, а находится в статичном положении. Из-за наличия тел качения между первым и вторым кольцами многократно уменьшается трение между деталями. На рисунке 1 представлены изображения подшипников качения.

Рисунок 1. Подшипники качения

Данная работа посвящена 3-D моделированию подшипников качения, которые нашли свое применение в токарном станке. Например, в конструкции передней бабки токарного станка.

Рисунок 2. Устройство простейшей передней бабки токарно-винторезного станка 250 ИТВМ

Передняя бабка служит для закрепления обрабатываемой детали и передачи ей главного движения - вращения. Наиболее ответственной деталью передней бабки является шпиндель, который вращается в подшипниках передней бабки и представляет собой стальной вал. На переднем конце шпинделя нарезана точная резьба, на которую можно навернуть кулачковый или поводковый патрон либо планшайбу. На этом же конце шпинделя имеется коническое отверстие, в которое можно вставлять передний центр.

 В работе для 3-D моделирования подшипника за основу был взят радиально - упорный подшипник модель 1000904. Все размеры подшипника для моделирования приняты на базе стандарта [2]. Далее по тексту подробно рассматривается алгоритм построения данного подшипника.

1. Анализ размеров для построения подшипника и подготовка рабочего пространства.

d (внутренний диаметр) = 20 мм;

D (внешний диаметр) = 37 мм;

B (толщина) = 9 мм;

r (радиус сопряжений) = 0.5 мм;

 (диаметр шариков) = 5 мм;

z (количество шариков) = 10 шт.

1. Расчет основной составляющей величины.

Необходимо рассчитать ширину той части подшипника, в которой будут располагаться все основные составляющие этого узла. Она будет равняться разности диаметров, поделенной на два: (37-20) / 2 = 8,5 мм. Относительно этого числа и будут произведены основные операции построения, изложенные в этом методе.

1.2 Установка рабочего поля чертежа.

Выбираем «Вид сверху», как стандартный вид для выполнения чертежа, а также визуальный стиль «2D-каркас» для более удобных построений.

2. Начало построений. Работа на виде «Сверху».

2.1 Построение базовых окружностей.

Вычерчиваем три окружности. Диаметр первой равен диаметру шарика подшипника (5 мм в данном случае), диаметр второй берётся на 2-3 мм больше диметра первой (этот круг нужен для построения сепаратора), а диметр третьей нужно взять на 1,5-2,5 мм меньше диаметра первой (данная окружность будет обозначать границы желоба). Размеры диаметров окружностей на рисунке проставлены для удобства чтения.

Рисунок 3.  Построение базовых окружностей

2.2 Вычерчивание контура колец подшипника.

Далее необходимо начертить сам корпус подшипника, т.е. его кольца. Для этого нужно выполнить несколько построений в определенном порядке:

1. Первый отрезок является вспомогательным. Он соединяет вершины двух внутренних кругов (рис. 4);
2. Второй отрезок проводим от правой вершины наименьшего круга вверх (рис.5). Он также является вспомогательным для последующих построений;

3. Теперь инструментом «Обрезать» убираем ненужную часть среднего круга, удаляем самый внутренний круг и два вспомогательных отрезка, которые были построены ранее (рис. 6);

4. Следующий отрезок под номером 3 проводится от нижнего конца дуги горизонтально вправо до мысленного пересечения с перпендикуляром, проведенным от правой вершины оставшегося круга (рис. 7);
5. Далее проводим перпендикулярно вниз отрезок на 0,5 -1,5 мм (рис. 8); Номер этого отрезка - 4;
6. Пятый отрезок идет вправо так, чтобы расстояние от его конца до вертикальной оси круга было равным половине ширины подшипника, т.е. в данном случае это расстояние будет равным 4,5 мм, а длина этого отрезка получается 1 мм (рис. 9);

7. Шестой отрезок строится вверх от пятого так, чтобы расстояние от его конца до перпендикуляра, мысленно проведенного направо из центра окружности было равным половине ранее рассчитанного, т.е. 4,25 мм (рис. 10);
8. Седьмой отрезок проводится от конца шестого до перпендикуляра, мысленно проведенного по вертикальной оси окружности (рис. 11);
9. Далее инструментом «Соединить» соединяем эти проведенные отрезки и дугу в одно целое и делаем сопряжение радиусом 0,5 мм так, как показано на рисунке (рис. 12);   

10) Теперь зеркально отразим эту получившуюся полилинию, сначала используя вертикальную ось окружности, а затем, предварительно объединив полученные, горизонтальную (рис. 13);

     2.3 Финальные построения на виде «сверху»

1. Построим сферу с помощью инструмента «Сфера», диаметр которой будет равен диаметру большей окружности (рис. 14);
2. Проведем отрезок из середины нижней объединенной полилинии вертикально вниз так, чтобы его длина была равна радиусу меньшего кольца, т.е. 10 мм, а расстояние от конца этого отрезка до середины верхней объединенной полилинии радиусу всего подшипника - 18.5 мм. Т.е. конец этого отрезка будет являться центром подшипника (рис. 15).

3. Построение сепаратора.

1.  
2.  
3.  
   1.  Работа на виде «слева».

1. Изменяем «Вид сверху» на «Вид слева». Строим окружность, центр которой будет на конце отрезка, идущего в центр подшипника. Радиус будет определяться центром сферы (рис. 16);
2. Инструментом «смещение» сдвигаем эту окружность на 1 мм вправо и влево и удаляем ее (рис. 17).

3.1.

3. Работа в изометрии.

1. Переходим в любой удобный вид изометрии. Копируем эти 2 окружности в любое место, выдавливаем на 2-3 мм с помощью инструмента «Выдавить» и вычитаем из большего получившегося цилиндра меньший, используя инструмент «Тело, Вычитание» (рис. 18);
2. Изначальные 2 окружности выдавливаем на любое известное расстояние (например, 20 мм), вычитаем из большего цилиндра меньший, используя всё
3. те же инструменты, и перпендикулярно перемещаем так, чтобы сфера и линии колец подшипника вокруг нее оказались посередине, т.е. на половину заранее выдавленного расстояния – 10 мм (рис. 19);
4. Первую фигуру и сферу «преобразуем» с помощью инструмента «Тело, Пересечение» (рис. 20);

5. Перемещаем вторую фигуру, используя начальную точку, как середину между центрами оснований, и конечную точку, как конец отрезка, проведенного в центр подшипника. Для этого можно использовать вспомогательный инструмент «Середина между двумя точками» (рис. 21 и рис. 22).

3.1.

3.2.

3.3.Работа на «Виде Слева».

1. Переходим на «Вид слева». Инструментом «Круговой массив» делаем массив из получившегося диска по кругу, центр которого будет на конце линии, т.е. в центре подшипника, а количество равно количеству шариков подшипника, т.е. 10 штук (рис. 23);
2. Переходим в изометрию. Чертим цилиндр диаметром 5 мм, центр первого основания будет в центре подшипника, а центр второго уходит вдоль образующей за пределы объекта на любую высоту (рис. 24);
3. Переходим на «Вид слева». Делаем еще раз круговой массив, только уже для цилиндра. Т.к. AutoCAD не поддерживает работу с массивами, как с объектами, то инструментом «Расчленить» расчленяем оба получившихся массива. В итоге получаем отдельные тела, представленные на рис. 25;

4. Командой «Тело, Вычитание» вычитаем из тел, полученных расчленением первого массива, т.е. дисков, и самой фигуры тела, полученные из второго массива, т.е. цилиндры (рис. 26, рис.27, рис.28);

Построение корпуса и шариков подшипника.

Ставим сферу, центр которой будет находиться в центре одного из отверстий сепаратора, диаметром 5 мм, т.е. диаметром тела качения – шарика. И делаем круговой массив для этой сферы на 10 штук;

Теперь нужно создать сам корпус подшипника, т.е. кольца. Для этого удаляем лишнюю окружность и инструментом «Вращать» производим вращение линий корпуса относительно оси, которая проходит перпендикулярно подшипнику, на 360 градусов (рис. 29, рис. 30). Теперь можно удалить центральную линию;

В конечном итоге получился готовый подшипник, изготовленный по размерам [2]. Также можно его визуализировать, т.е. придать ему более реалистичный цвет. Вдобавок можно добавить специальные протекторы, т.е. сделать подшипник закрытого типа (рис. 31).

Рисунок 31. Готовый подшипник

Рисунок 32. 3-D модель токарно-винторезного станка

Рисунок 33. Подшипники в передней бабке токарного станка

Список литературы:

1. Попова Г.Н., Алексеев С.Ю. Машиностроительное черчение: Справочник. – СПб.: Политехника, 2008. – 448 с.
2. ГОСТ 8338-75. Подшипники шариковые радиальные однорядные. Основные размеры (с Изменением N 1). – Москва.  ИПК  Издательство стандартов, 2003. - 12 с.